王成，尹洪波，毛冰晨

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引言

微波多芯片組件技術(shù)極大地促進(jìn)了微波電子電路的發(fā)展，它是在高密度多層互聯(lián)基板上利用微焊接技術(shù)和封裝工藝組裝微波電路的各個元器件，形成高密度、高可靠性、高性能和立體結(jié)構(gòu)的電子裝備的高新技術(shù)。金絲鍵合具有可靠性高、柔韌性好、密度高、工藝簡單、價格低廉和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，通常采用金絲鍵合工藝來實現(xiàn)單片微波集成電路，微波傳輸線、共面波導(dǎo)和集總式元器件之間的信息鏈接[1-3]。數(shù)據(jù)表明，90%以上的電子封裝產(chǎn)品中使用了金絲鍵合技術(shù)。金絲鍵合作為微波多芯片組件中的關(guān)鍵工藝，其可靠性直接決定了組件的質(zhì)量和可靠性[4-5]。鍵合金絲在使用環(huán)境中主要受熱沖擊和機(jī)械振動的影響，最終導(dǎo)致材料出現(xiàn)疲勞損傷失效[6]。

可靠性強(qiáng)化試驗通過試驗系統(tǒng)施加逐漸增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，以評估組件設(shè)計的可靠性，從而暴露出設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，便于前期的設(shè)計更改。某型號組件在10個周期的溫度循環(huán)（-80～+125℃）及1 h的強(qiáng)化隨機(jī)振動試驗后電性能出現(xiàn)異常，振動頻率為4 000 Hz，激勵譜密度為1.5 g2/Hz，遠(yuǎn)大于GJB 360B組件的隨機(jī)振動要求。開蓋后發(fā)現(xiàn)部分鍵合金絲根部出現(xiàn)斷裂。本文利用Ansys Workbench有限元軟件對鍵合金絲在隨機(jī)振動中的動力學(xué)性能進(jìn)行分析，并基于Palmgren-Miner定律計算鍵合金絲的疲勞指數(shù)。分析的結(jié)果對后續(xù)的金絲鍵合設(shè)計及工藝優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

強(qiáng)化隨機(jī)振動試驗中根部斷裂的鍵合金絲如圖1所示，金絲采用楔形焊接，鍵合金絲的第一端點和第二端點所處的平面等高，金絲直徑為25μm，通過顯微鏡測量得到其鍵合點間距D=3.5 mm，拱高H=0.7 mm。

圖1 根部斷裂的鍵合金絲

為了能夠在Creo軟件中準(zhǔn)確地建立鍵合金絲的模型。首先，取根部斷裂的鍵合點為直角坐標(biāo)系的原點，建立鍵合金絲的曲線模型，如圖2所示，采用二次曲線擬合的方法，得到鍵合金絲的函數(shù)方程z=0.228 5x2-0.8x。將得到的方程導(dǎo)入Creo軟件中建立金絲的曲線模型，再導(dǎo)入Ansys Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動分析。模型沿軸向采取掃略劃分網(wǎng)格。端面采取四邊形網(wǎng)格劃分，沿軸向70等分。在鍵合金絲的兩端施加全自由度約束以模擬金絲鍵合點的作用。鍵合金絲的材料物理性能如表1所示。

圖2 鍵合金絲的曲線模型

表1 鍵合金絲的材料物理性能

2 隨機(jī)振動仿真分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于求模型的固有頻率、振型和模態(tài)阻尼比等，是后續(xù)隨機(jī)振動分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析的目的是為了確定鍵合金絲的固有頻率和相應(yīng)振型。模態(tài)求解的階數(shù)直接關(guān)系著后續(xù)隨機(jī)振動分析的精度，因此，必須保證模型在某個方向上的有效質(zhì)量與總質(zhì)量的比值大于0.85。針對該模型，求得其前10階的固有頻率，前3階的計算結(jié)果如表2所示。由于鍵合金絲的尺寸小、質(zhì)量輕，因此模態(tài)頻率較大。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

各階振型反映了鍵合金絲相對于初始位置的相對變化趨勢。鍵合金絲前3階的振型如圖3所示。其中，第一階的振型為沿Y軸方向左右擺動。一階振型的相對位移較大，對其應(yīng)力和應(yīng)變都有較大的影響。

圖3 鍵合金絲的前3階振型

2.2 隨機(jī)振動受力分析

強(qiáng)化隨機(jī)振動的試驗條件為X、Y、Z每個方向60 min，激勵譜如圖4所示。振動頻率為20～4 000 Hz，激勵譜密度為1.5 g2/Hz。

圖4 隨機(jī)振動激勵譜

為了研究不同方向的激勵載荷對鍵合金絲的受力影響情況，仿真了鍵合金絲在X、Y、Z方向的隨機(jī)振動受力情況，其等效應(yīng)力如圖5所示，等效應(yīng)力由“3σ”規(guī)則確定。從圖5中可以看出，3個振動方向的最大等效應(yīng)力都位于鍵合金絲的根部區(qū)域，這也是振動過程中最容易發(fā)生斷裂的地方。且Y軸振動方向的最大等效應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于另外兩個方向的等效應(yīng)力。由模態(tài)分析的結(jié)果可知，鍵合金絲一階振型的固有頻率為2 272.8 Hz，在強(qiáng)化試驗隨機(jī)振動的頻率范圍內(nèi)，鍵合金絲在Y軸方向表現(xiàn)出共振行為。

圖5 X、Y、Z方向的隨機(jī)振動等效應(yīng)力

3 斷裂結(jié)果分析

使用該組件裝配時的劈刀鍵合100根金絲，選取10%進(jìn)行拉力測試，測試時用微型鉤子鉤起金絲的中間，鉤子以恒定的速度升起，直到金絲最薄弱的部位斷裂，并記下此時所施加的拉力。鍵合金絲的拉力平均值為6.5 g，最低值為4.7 g，最高值為9.1 g。選取拉力平均值6.5 g，利用圖2的金絲模型模擬拉力對金絲的作用，鍵合金絲在拉力值6.5 g時的等效應(yīng)力如圖6所示。

圖6 鍵合金絲的等效應(yīng)力

材料的疲勞數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示：

式（1）中：S1、S2——應(yīng)力水平；

N1、N2——應(yīng)力水平對應(yīng)的引力循環(huán)次數(shù)；

b——疲勞指數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，非鐵金屬的疲勞壽命為1 000次應(yīng)力循環(huán)時，其所承受的應(yīng)力水平為抗拉強(qiáng)度。b值取6.4。將圖6中的最大等效應(yīng)力值代入疲勞數(shù)學(xué)模型中，得到鍵合金絲的疲勞模型：

選取Y軸方向振動時最大等效應(yīng)力的危險點S，X、Y、Z方向的隨機(jī)振動在該點的等效應(yīng)力結(jié)果如表3所示。

表3 應(yīng)力分析結(jié)果

將表3中的X、Y、Z方向的等效應(yīng)力值代入鍵合金絲的疲勞模型式中，計算得到X、Y、Z振動載荷下的金絲壽命，如表4所示。

表4 X、Y、Z振動方向下金絲的壽命

Palmgren-Miner定律是使用最廣泛的線性累計損傷理論，材料各個應(yīng)力下的疲勞損傷不受載荷順序的影響，而是獨立地繼續(xù)進(jìn)行的，總損傷可以線性累加?？赏ㄟ^以下公式計算金絲的疲勞損傷指數(shù)。

計算得到Rn=0.77。從計算結(jié)果中可以看出，X和Z方向振動激勵的疲勞損傷指數(shù)遠(yuǎn)小于Y方向，相對于Y方向的疲勞損傷指數(shù)基本可忽略，因此鍵合金絲的疲勞損傷主要受Y方向的振動激勵影響。另外，Rn值雖然小于1，但已大于電子設(shè)備測試中規(guī)定的0.7，存在較大的疲勞損傷的風(fēng)險。

該組件在可靠性強(qiáng)化隨機(jī)振動試驗之前已進(jìn)行了10個周期的溫度循環(huán)（-80～+125℃）試驗，由于鍵合金絲與基板之間的膨脹系數(shù)失配，交變的熱應(yīng)力易造成鍵合金絲的根部變形產(chǎn)生應(yīng)力集中，使鍵合金絲產(chǎn)生一定的熱疲勞。另外，計算上述的鍵合金絲的抗拉強(qiáng)度等效應(yīng)力時鍵合金絲的拉力取值為6.5 g，而拉力測試時最小值為4.7 g，該值對應(yīng)的鍵合金絲疲勞損傷指數(shù)Rn＞1。因此在1 h的強(qiáng)化試驗隨機(jī)振動條件下，Y方向振動載荷即對鍵合金絲造成了疲勞損傷，導(dǎo)致部分金絲發(fā)生了斷裂。

4 結(jié)束語

文中利用仿真軟件模擬了隨機(jī)振動試驗中不同方向的鍵合金絲等效應(yīng)力，并根據(jù)Palmgren-Miner定律計算了鍵合金絲的疲勞損傷指數(shù)，計算結(jié)果表明鍵合金絲的斷裂主要是疲勞損傷造成。該結(jié)果對于優(yōu)化鍵合金絲的設(shè)計及工藝具有一定的指導(dǎo)意義，可通過以下方法進(jìn)行改進(jìn)。

a）劈刀的使用壽命對鍵合的強(qiáng)度有較大的影響，隨著使用次數(shù)的增加鍵合金絲的拉力逐漸地減小。在20 000次的使用范圍內(nèi)，鍵合金絲的強(qiáng)度從最初的抗拉強(qiáng)度140 mN降低到35 mN，雖然能夠滿足GJB 548—2000中對規(guī)定的30 mN使用要求，但為了提高鍵合金絲的抗拉強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)?shù)販p少劈刀使用次數(shù)。

b）優(yōu)化鍵合金絲的工藝參數(shù)，如超聲功率、鍵合的壓力和鍵合面的溫度等，以提高鍵合金絲的抗拉強(qiáng)度。

c）因為頻率范圍越接近組件的一階固有頻率，組件對激勵的響應(yīng)就會越大。設(shè)計的鍵合焊盤距離應(yīng)盡可能地短，以減小鍵合金絲的跨度，并降低鍵合金絲的拱度，從而提高鍵合金絲的第一階固有頻率，增大鍵合絲的抗振能力，避免在隨機(jī)振動頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振。