黃姣英，何明瑞，高 成，高 然

（北京航空航天大學 可靠性與系統(tǒng)工程學院，北京 100191）

0 引言

電子元器件的陶瓷封裝是能夠滿足高可靠度需求的封裝技術，陶瓷材料在熱、電、機械性能等方面的性質(zhì)極其穩(wěn)定，相比于塑料封裝，陶瓷封裝能夠為內(nèi)部芯片提供氣密性保護，具有布線密度高等特點。

在電子電路的設計工作中，為使器件能夠保持正常工作的狀態(tài)，設計人員通常采用電氣隔離的方法消除噪聲影響并保護器件免受高電壓的危害。電氣隔離即利用光學、機械等手段代替兩點間直接的電信號傳遞。目前CMOS 技術已經(jīng)十分成熟，電氣隔離大多通過數(shù)字隔離器進行實現(xiàn)。數(shù)字隔離器具有消除工作環(huán)境下噪聲和降低高低頻脈沖信號干擾的作用，能夠保證輸出信號的穩(wěn)定和準確。

陶瓷封裝數(shù)字隔離器采用陶瓷空封，由于引線間距較小，當隔離電壓超過800 V 時會產(chǎn)生空氣放電，隔離性能達不到2 000～4 000 V 的安全隔離電壓需求，因此需采用硅膠灌封的措施提升器件的絕緣性能。灌封是將液態(tài)的膠料采用灌膠設備加入到器件外殼內(nèi)部的操作，已加入的膠料會在特定條件下固化，成為性能優(yōu)異的高分子絕緣材料。GJB2438 鑒定檢驗中要求對溫度循環(huán)試驗后的器件進行鍵合試驗。采用灌膠措施存在以下問題。硅膠灌封后，去膠困難，鍵合試驗無法進行，而不進行此試驗則無法對經(jīng)歷溫度循環(huán)后器件的鍵合可靠性進行考核分析。

本文針對上述問題，以GL3200C 型數(shù)字隔離器為研究對象，介紹一種基于有限元仿真的分析方法；通過ANSYS Workbench 進行有限元仿真，研究在經(jīng)歷溫度循環(huán)時灌封膠對陶瓷封裝數(shù)字隔離器內(nèi)部鍵合點的影響。通過分析仿真結(jié)果，確定灌膠隔離器鍵合點易發(fā)生失效的薄弱環(huán)節(jié)，得出灌封膠在溫度循環(huán)過程中對鍵合點額外施加的剪切應力。

1 陶瓷封裝隔離器工藝調(diào)研

本文的研究對象為GL3200C 型電磁數(shù)字隔離器，該器件通過整合CMOS 工藝與MEMS 工藝，將變壓器與編解碼電路集成在一顆管芯上，進行多芯片封裝。GL3200C 型隔離器的鍵合工藝為直徑20 μm 的金絲熱壓焊，引線材料為合金4J42，里層鍍鎳，外層鍍金1.3～5.7 μm。管芯基板的主要材料為硅，采用的灌封膠的型號為硅膠927F。通過開封器件樣本可知，硅膠完全覆蓋了內(nèi)部的焊點和鍵合絲，為器件建模提供了參考。GL3200C 型隔離器的外形示意圖如圖1a）所示，開封內(nèi)部結(jié)構照片如圖1b）所示。

圖1 GL3200C 型隔離器圖片

查閱器件說明《AFNP?QLS 20014—2018 混合集成電路GL3200C 型數(shù)字磁隔離電路詳細規(guī)范》，得到GL3200C 型電磁數(shù)字隔離器的外形尺寸，如表1 所示。

表1 GL3200C 型隔離器外形參數(shù) mm

表1 中：為外殼長度；為器件整體寬度；為外殼寬度；為器件整體高度；為管腳間距；為單個管腳寬度。

2 灌膠隔離器建模研究

參考實物器件尺寸與開封器件內(nèi)部結(jié)構照片，利用SolidWorks 以 及ANSYS Workbench 的Geometry 模 塊 建立GL3200C 型電磁數(shù)字隔離器仿真模型，如圖2 所示。在建模過程中先通過簡單幾何體進行初步建立，以實物器件的尺寸位置信息作為約束，使模型的尺寸盡量與實際情況相符合。其中鍵合絲通過掃描空間曲線實現(xiàn)建模，將焊點視為半球幾何體進行初步建模。

圖2 仿真模型

為突出灌封膠對鍵合絲以及焊點的影響并降低模型仿真復雜度，本文對GL3200C 型隔離器的仿真模型進行簡化。將關鍵部分的尺寸和位置保持不變，具體分析一根鍵合絲以及相連焊點被硅膠覆蓋后經(jīng)歷溫度循環(huán)時的變化情況。由于硅膠完全覆蓋鍵合點及鍵合絲，且在實際的工作環(huán)境中，熱量幾乎都從器件外殼的表面?zhèn)魅耄势骷耐鈿ぶ槐Ａ袅斯枘z填充的部分。簡化后模型的還原程度有所下降，但能夠突出鍵合絲以及焊點的變化。

借助ANSYS Workbench DM 模塊中的布爾方法，對實心的硅膠模型進行減法操作。該操作將不同幾何體相互重疊的部分刪除，只保留非公共的部分。通過此方法成功地將鍵合絲、焊點、焊盤、管芯基板等體積的幾何體從硅膠模型中切除，實現(xiàn)了硅膠不留間隙地將鍵合絲、焊點、焊盤、管芯基板完全覆蓋且硅膠模型與器件模型無重疊干涉的效果。硅膠灌封的簡化后模型如圖3所示。

圖3 硅膠灌封效果示意圖

鍵合絲的材料主要為4J42 合金，管芯基板主要為硅芯片，灌封膠主要成分為硅膠，數(shù)字隔離器封裝外殼材料主要為GLCC 共燒陶瓷，焊盤的材料為鋁合金。在本研究中假設各種材料均為各向同性材料，各材料屬性如表2 所示。

表2 材料及其屬性

3 仿真模型網(wǎng)格劃分

在仿真前進行網(wǎng)格精細化可以提高結(jié)構網(wǎng)格的求解精度，但對計算機的性能和效率提出了更高的要求。為研究數(shù)字隔離器內(nèi)部的焊點和鍵合絲，在網(wǎng)格劃分過程中將焊點和鍵合絲的網(wǎng)格劃分得較為細密。

插入精細化網(wǎng)格操作body size，采用四面體劃分方法將每個單元的體積確定為1.25×10m。焊盤和基板利用六面體劃分的方法進行處理，外殼和硅膠通過掃掠法進行劃分，單元體積均為5×10m。本文以此種方法權衡了計算效率和計算精度之間的關系，并使仿真結(jié)果中的危險位置能夠更加清晰地顯示。隔離器網(wǎng)格劃分效果如圖4 所示。

圖4 隔離器網(wǎng)格劃分效果圖

4 溫度循環(huán)仿真條件

參考GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》中關于器件環(huán)境應力篩選的相關條目，溫度循環(huán)仿真中的溫度變化應是呈周期性的，一個溫度循環(huán)分為升溫、高溫保持、降溫、低溫保持四個不同的階段。在進入溫度循環(huán)之前，還需進行常溫保持。仿真所施加的溫度循環(huán)條件如圖5 所示，常溫階段的溫度設定為25 ℃，高溫保持階段的溫度設定為125 ℃，低溫保持階段的溫度設定為-55 ℃。根據(jù)器件測試說明，每個階段的持續(xù)時間均設為30 min，升溫速度和降溫速度均設定為6 ℃/min，符合國標中溫度變化速率需要超過5 ℃/min 的要求。

圖5 仿真所施加的溫度循環(huán)條件

5 仿真結(jié)果分析

5.1 器件仿真模型溫度云圖分析

從器件仿真模型整體角度分析灌封膠的溫度變化，帶膠器件的仿真溫度云圖如圖6 所示。由圖6 可知，硅膠的溫度變化與器件外殼的溫度變化不具有一致性。例如，在器件外殼溫度下降時，雖然硅膠與外殼接觸部分的溫度與外殼基本一致，但硅膠中心位置的溫度變化與外殼的溫度變化相比明顯遲緩，仍然保持較高的溫度。其主要原因是硅膠材料和器件材料的導熱系數(shù)存在較大差異。

圖6 帶膠器件仿真溫度云圖

5.2 鍵合絲所受應力分析

經(jīng)分析可得，硅膠在高溫階段會有比較明顯的向外膨脹趨勢。由于硅膠的熱膨脹系數(shù)較大，其體積在溫度上升時會有比較明顯的增加，而器件的外殼為高溫共燒陶瓷，熱膨脹系數(shù)極小，內(nèi)部空間體積基本無變化。故硅膠因體積增大會向上方未被填滿的空隙膨脹，在此過程中，會對鍵合絲施加額外的剪切應力，說明灌封膠與隔離器其他材料存在熱匹配不良現(xiàn)象。鍵合絲應力分布圖如圖7 所示。

圖7 鍵合絲應力分布圖

從圖7可以看出，被硅膠覆蓋的鍵合絲最大應力出現(xiàn)在靠近管芯焊點的位置，應力最大值達到6.449 4×10Pa，若在此處發(fā)生失效，對應的失效模式應為鍵合絲在縮頸處斷裂。圖8 為鍵合絲應力變化趨勢圖，其中綠線代表鍵合絲中應力最大值的變化趨勢，藍線代表鍵合絲中應力平均值的變化趨勢。由圖8 可知，鍵合絲中的應力變化與溫度變化成正相關，形成應力循環(huán)載荷譜。隨著應力循環(huán)的累積，鍵合絲的疲勞程度加深，可能出現(xiàn)斷裂損傷，隔離器即會發(fā)生電性能失效。

圖8 鍵合絲應力變化趨勢圖

5.3 焊點所受應力分析

管芯基板焊點應力分布圖如圖9 所示。由圖9 可以看出：對于管芯焊點，其熱應力最大位置為靠近焊點底部和管芯基板焊盤的連接處。若在此處發(fā)生失效，對應的鍵合失效模式為脫鍵，即整個鍵合點發(fā)生脫落；焊點所受應力的最大值相比鍵合絲縮頸處較小，約為3.649 ×10Pa。隨著循環(huán)的累積，管芯焊點內(nèi)部熱應力逐漸趨于穩(wěn)定，其應力變化曲線如圖10 所示。

圖9 管芯基板焊點應力分布圖

圖10 管芯焊點應力變化趨勢圖

5.4 鍵合絲應變分析

通過對比焊點和鍵合絲縮頸處所受應力可知，鍵合絲縮頸處為隔離器發(fā)生鍵合失效的最危險位置。鍵合絲形變趨勢如圖11所示。由圖11可知，鍵合絲形變與鍵合絲中應力的變化趨勢基本一致，都隨溫度循環(huán)呈周期性變化。當溫度升高時，由于鍵合絲本身材料的熱脹冷縮以及硅膠的作用，鍵合絲的形變會加大；當溫度降低時，形變會恢復一部分，但不可完全恢復，鍵合絲內(nèi)部會存在殘余應力，由此產(chǎn)生一定的疲勞損傷，且形變最大處也是鍵合絲的縮頸處，約4.394 8×10m/m。

圖11 鍵合絲形變趨勢圖

5.5 灌膠器件與無膠器件對比分析

為了突出灌膠工藝對陶瓷封裝數(shù)字隔離器鍵合點的影響，本文除了單一分析帶膠器件的仿真結(jié)果外，還將模型中的硅膠部分去除，針對不帶膠器件模型進行了溫度循環(huán)仿真。不帶膠隔離器鍵合絲應力分布圖12 所示。將帶膠與不帶膠器件模型的仿真結(jié)果進行對比，可以得出硅膠具有增大鍵合絲內(nèi)部應力的效果，同時會增大鍵合絲的形變。在同一溫度循環(huán)的同一個時間節(jié)點，帶膠器件的最大應力達到6.449 4×10Pa，而不帶膠器件的最大應力只有約1.480 9×10Pa。由此可知，硅膠對于鍵合絲的內(nèi)部應力具有明顯的增大效果。

圖12 不帶膠隔離器鍵合絲應力分布圖

通過本文研究可得，灌膠陶封數(shù)字隔離器內(nèi)部鍵合點最易發(fā)生失效的危險位置為鍵合絲靠近焊點的縮頸處。陶瓷封裝數(shù)字隔離器內(nèi)部芯片表面均覆有硅膠，硅膠與基板、外殼之間熱匹配不良會對鍵合絲產(chǎn)生剪切應力作用。在實際的溫度循環(huán)篩選試驗中，若試驗器件發(fā)生鍵合失效，則可以判斷失效器件在環(huán)境應力的作用下，鍵合絲由于處在熱膨脹系數(shù)相差過大的材料交界處，承受過大的機械應力而發(fā)生斷裂損傷。在批量器件的使用或試驗過程中，失效分布整體向零點靠攏，而對于單個器件，其預估壽命會縮短。

6 結(jié)語

本文采用有限元仿真的方法，研究在經(jīng)歷溫度循環(huán)時，灌封膠對陶瓷封裝數(shù)字隔離器內(nèi)部鍵合點可靠性的影響。灌封膠會在溫度循環(huán)過程中對鍵合絲產(chǎn)生額外剪切應力，致使鍵合絲在縮頸處發(fā)生斷裂失效。建議采用熱膨脹系數(shù)較小的材料作為灌封膠成分，同時為無法進行鍵合考核試驗的灌膠器件提供一種新的分析方法。

注：本文通訊作者為何明瑞。