恒定加速度試驗(yàn)中陶瓷密封器件所受不良應(yīng)力*

羅 玨，趙鶴然，田愛民，劉慶川，李莉瑩

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽110866）

1 引言

恒定加速度試驗(yàn)是一項(xiàng)重要的篩選試驗(yàn)項(xiàng)目，它是使用高應(yīng)力試驗(yàn)來測(cè)定封裝、內(nèi)部金屬化和引線系統(tǒng)、芯片或基板以及微電子器件其他部件的機(jī)械強(qiáng)度極限值[1]。常見的恒定加速度試驗(yàn)方法主要有埋砂法、磁貼法和夾具法等，每種試驗(yàn)方法存在各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)[2－3]。杜迎、朱衛(wèi)良等人[4]提出，除了試驗(yàn)應(yīng)提供的法向加速度以外，應(yīng)盡量設(shè)法減小離心機(jī)開關(guān)過程引入的切向加速度。通過比較DIP40和CQFP240外殼，劉慶川[5]提出，在使用夾具法時(shí)進(jìn)行較長管殼的試驗(yàn)時(shí)更容易引入彎曲應(yīng)力，提出在裝配夾具時(shí)應(yīng)添加柔性材料以緩解扭力。楊軼博，丁榮崢等人[6]通過試驗(yàn)和有限仿真，發(fā)現(xiàn)夾具的制作精度較低時(shí)，容易引起器件的陶瓷主體懸空，會(huì)導(dǎo)致密封區(qū)漏氣，預(yù)先添加塑性材料可以彌補(bǔ)夾具精度缺陷。張國華，杜迎等人[7]的研究顯示，較大尺寸的外殼在埋砂法試驗(yàn)中容易發(fā)生蓋板凹陷，增加表面貼片可以增加蓋板的抗凹陷能力，但這樣增加了彎矩導(dǎo)致焊料區(qū)易漏氣；帶有保護(hù)材料的磁貼法可以避免上述問題。

在參考借鑒上述研究成果的基礎(chǔ)上，通過有限元仿真分析的方法，進(jìn)一步研究三種恒定加速度試驗(yàn)過程中引入的不良應(yīng)力，分別指出損傷機(jī)理；針對(duì)存在較大風(fēng)險(xiǎn)的夾具法提出夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以有效降低不良應(yīng)力的影響。

2 試驗(yàn)方法

選取CQFP240陶瓷外殼作為研究對(duì)象，按GJB548B方法2001.1條件E（30000 g）為試驗(yàn)條件。模型包括：芯片、管殼、金錫焊料、蓋板、夾具上和夾具下等。夾具上與夾具下無間隙配合，定義綁定接觸。其中芯片與管殼之間為摩擦接觸，管殼與夾具之間定義為摩擦接觸。其他部件接觸定義為綁定接觸。仿真模型示意圖如圖1所示。

圖1恒定加速度仿真模型

網(wǎng)格劃分以六面體主導(dǎo)，并在倒角處等曲率大的位置對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，以得到更高質(zhì)量的模擬網(wǎng)格。網(wǎng)格整體大小在0.2mm~0.5mm之間，加密網(wǎng)格部分在0.1mm之下。由于金錫尺寸較小，對(duì)金錫再網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格為0.01mm。網(wǎng)格采用實(shí)體單元solid186 20節(jié)點(diǎn)六面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)量224521個(gè)，單元83462個(gè)。有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2有限元網(wǎng)格劃分

恒定加速度仿真系統(tǒng)的搭建基于有限元力學(xué)分析，分為幾何模型及網(wǎng)格、基礎(chǔ)模態(tài)模型、埋砂法分析模塊、磁貼法分析模塊和夾具法分析模塊等，模擬的建立流程如圖3所示。

圖3恒加速仿真模塊建立流程簡圖

實(shí)驗(yàn)樣品所使用的各部件材料包括4J42蓋板材料，氧化鋁陶瓷材料，塑料夾具材料；材料數(shù)據(jù)包含密度，彈性模量，泊松比等，如表1所示。

表1材料屬性表

3 恒定加速度各階段受力分析

恒定加速度試驗(yàn)在不同階段樣品受力情況各異，如圖4所示[8]。其中，在試驗(yàn)中期望使用的是離心機(jī)在等速圓周運(yùn)動(dòng)過程中提供的法相加速度，如圖4(a)所示。但是，為了達(dá)到角速度ω，離心機(jī)需要有一個(gè)轉(zhuǎn)速增加的過程，在這個(gè)過程中，器件不但受到逐漸增加的法向加速度，還受到一個(gè)變化的切向加速度，如圖4(b)所示。同理，在離心機(jī)降速過程中，除了受到法向加速度之外，器件同樣受到切向加速度，如圖4(c)所示。

圖4恒定加速度試驗(yàn)不同階段受力情況

4 仿真分析結(jié)果及討論

4.1 埋砂法危險(xiǎn)工況仿真分析

由于埋砂法與砂材料大小、彈性、顆粒間隙等因素息息相關(guān)，因此邊界條件不固定。砂材料既為邊界條件，又為載荷條件，故在軟件內(nèi)采用不定方式替代常規(guī)因素進(jìn)行模擬。

在啟停階段，金剛砂顆粒類加速?zèng)_擊作用在蓋板上，使蓋板產(chǎn)生了形變。進(jìn)一步，應(yīng)力和形變傳遞到焊料環(huán)上，使金錫焊料環(huán)受到彎矩力，發(fā)生彎曲變形，應(yīng)力最大值為203.67MPa，小于金錫焊料的許用應(yīng)力275MPa，仿真結(jié)果如圖5所示。由于金錫為薄殼結(jié)構(gòu)，剛度弱，橫向變形量接近0.02mm，如圖6所示。

圖5埋砂法模擬焊料環(huán)應(yīng)力

圖6埋砂法模擬焊料環(huán)變形量

這一形變量相對(duì)于金錫焊料環(huán)的厚度來說是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值，容易引起焊料破損導(dǎo)致器件漏氣，隱患很大，因此CQFP240這類較大尺寸外殼的電路不宜采用埋砂法進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 磁貼法危險(xiǎn)工況仿真分析

蓋板被磁貼吸附時(shí)，管殼因受較大向心力會(huì)有變形，圖7為磁貼法模擬器件應(yīng)力的比例夸張顯示，整體應(yīng)力不大，集中分布于金錫焊料環(huán)上。

圖7磁貼法模擬器件應(yīng)力

當(dāng)器件處于恒定加速度試驗(yàn)的等速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值。此時(shí)焊料環(huán)上的應(yīng)力最大值為112.67MPa，小于金錫焊料的許用應(yīng)力275MPa。磁鐵法焊料環(huán)應(yīng)力模擬結(jié)果圖如圖8所示。

圖8磁鐵法模擬焊料環(huán)應(yīng)力

金錫焊料環(huán)四個(gè)外邊與管殼彎曲接觸最近，所以應(yīng)力相對(duì)較大。當(dāng)蓋板面積減小、管殼尺寸增大時(shí)，管殼彎曲增大；在等速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，焊料環(huán)上的最大應(yīng)力值也會(huì)增大。當(dāng)焊料環(huán)上的應(yīng)力接近或超過許用應(yīng)力時(shí)，焊料環(huán)易損壞，多發(fā)器件漏氣現(xiàn)象。

4.3 夾具法危險(xiǎn)工況仿真分析

在等速圓周運(yùn)動(dòng)階段，法向向心力為主應(yīng)力，陶瓷外殼受到彎矩作用，上下金錫應(yīng)力相對(duì)大。但整體應(yīng)力值較小，應(yīng)力在29MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，此時(shí)產(chǎn)生破壞為極小概率事件。

在轉(zhuǎn)速增加過程中，應(yīng)力云圖（夸張顯示）如圖9所示。從圖中可以看出，夾具四角及金錫和蓋板應(yīng)力較大，高達(dá)395MPa?？紤]有限元計(jì)算偏移網(wǎng)格因素，實(shí)際金錫試驗(yàn)過程易形成接觸之間的斷裂。

圖9埋砂法加速過程應(yīng)力

器件在離心機(jī)加速過程中，與夾具產(chǎn)生切向相對(duì)位移的趨勢(shì)。夾具內(nèi)角的不同方案可簡單如圖10來表示。首先，在采用初始方案時(shí)，因?yàn)閵A具的四角開孔，開孔處的尖角直接作用與焊料環(huán)上，使焊料環(huán)的轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，超過了許用應(yīng)力，如圖10(a)所示。這種夾具匹配不良是很多器件在恒定加速度試驗(yàn)后漏氣的原因。故此須采用圖10(b)和圖10(c)兩種優(yōu)化方案。

圖10夾具法夾具內(nèi)角方案

優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖11所示?？梢钥吹剑瑑?yōu)化方案一中焊料環(huán)應(yīng)力最大值仍高達(dá)351MPa，說明該方案未起到明顯作用。在優(yōu)化方案二中，應(yīng)力集中明顯向相鄰兩邊均勻擴(kuò)散，應(yīng)力重分配，緩解了四個(gè)角的受力，應(yīng)力降低顯著，最大值降低到180 MPa，但該方案對(duì)夾具的加工精度依賴較高。

圖11夾具法優(yōu)化方案效果

5 結(jié)束語

通過仿真研究可知，對(duì)于CQFP240這類較大的外殼，在埋砂法恒定加速度試驗(yàn)的啟停階段，焊料環(huán)會(huì)因形變過大而損傷；采用磁鐵法試驗(yàn)時(shí)，CQFP240外殼的焊料環(huán)受到的應(yīng)力在可接受范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生漏氣現(xiàn)象。從仿真結(jié)果看，在夾具法試驗(yàn)中，器件焊料環(huán)的受力情況與夾具的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致焊料環(huán)局部應(yīng)力集中。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，焊料環(huán)受到的應(yīng)力在可接受范圍內(nèi)。因此，在實(shí)際恒定加速度試驗(yàn)時(shí)，需根據(jù)外殼尺寸特征選擇合適的試驗(yàn)方法，必要時(shí)增加柔性材料環(huán)節(jié)以消除不良應(yīng)力。