黃姣英，何明瑞，高 成，高 然

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)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(shù)，陶瓷材料在熱、電、機(jī)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?yàn)閮?nèi)部芯片提供氣密性保護(hù)，具有布線密度高等特點(diǎn)。

在電子電路的設(shè)計(jì)工作中，為使器件能夠保持正常工作的狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員通常采用電氣隔離的方法消除噪聲影響并保護(hù)器件免受高電壓的危害。電氣隔離即利用光學(xué)、機(jī)械等手段代替兩點(diǎn)間直接的電信號(hào)傳遞。目前CMOS 技術(shù)已經(jīng)十分成熟，電氣隔離大多通過數(shù)字隔離器進(jìn)行實(shí)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(hào)干擾的作用，能夠保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定和準(zhǔn)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(dāng)隔離電壓超過800 V 時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣放電，隔離性能達(dá)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(shè)備加入到器件外殼內(nèi)部的操作，已加入的膠料會(huì)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(yàn)中要求對(duì)溫度循環(huán)試驗(yàn)后的器件進(jìn)行鍵合試驗(yàn)。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(yàn)無法進(jìn)行，而不進(jìn)行此試驗(yàn)則無法對(duì)經(jīng)歷溫度循環(huán)后器件的鍵合可靠性進(jìn)行考核分析。

本文針對(duì)上述問題，以GL3200C 型數(shù)字隔離器為研究對(duì)象，介紹一種基于有限元仿真的分析方法；通過ANSYS Workbench 進(jìn)行有限元仿真，研究在經(jīng)歷溫度循環(huán)時(shí)灌封膠對(duì)陶瓷封裝數(shù)字隔離器內(nèi)部鍵合點(diǎn)的影響。通過分析仿真結(jié)果，確定灌膠隔離器鍵合點(diǎn)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(duì)鍵合點(diǎn)額外施加的剪切應(yīng)力。

1 陶瓷封裝隔離器工藝調(diào)研

本文的研究對(duì)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(jìn)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(hào)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(diǎn)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(gòu)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(xì)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(gè)管腳寬度。

2 灌膠隔離器建模研究

參考實(shí)物器件尺寸與開封器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)行初步建立，以實(shí)物器件的尺寸位置信息作為約束，使模型的尺寸盡量與實(shí)際情況相符合。其中鍵合絲通過掃描空間曲線實(shí)現(xiàn)建模，將焊點(diǎn)視為半球幾何體進(jìn)行初步建模。

圖2 仿真模型

為突出灌封膠對(duì)鍵合絲以及焊點(diǎn)的影響并降低模型仿真復(fù)雜度，本文對(duì)GL3200C 型隔離器的仿真模型進(jìn)行簡化。將關(guān)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(diǎn)被硅膠覆蓋后經(jīng)歷溫度循環(huán)時(shí)的變化情況。由于硅膠完全覆蓋鍵合點(diǎn)及鍵合絲，且在實(shí)際的工作環(huán)境中，熱量幾乎都從器件外殼的表面?zhèn)魅?，故器件的外殼只保留了硅膠填充的部分。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(diǎn)的變化。

借助ANSYS Workbench DM 模塊中的布爾方法，對(duì)實(shí)心的硅膠模型進(jìn)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(diǎn)、焊盤、管芯基板等體積的幾何體從硅膠模型中切除，實(shí)現(xiàn)了硅膠不留間隙地將鍵合絲、焊點(diǎn)、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(shè)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(jìn)行網(wǎng)格精細(xì)化可以提高結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的求解精度，但對(duì)計(jì)算機(jī)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(diǎn)和鍵合絲，在網(wǎng)格劃分過程中將焊點(diǎn)和鍵合絲的網(wǎng)格劃分得較為細(xì)密。

插入精細(xì)化網(wǎng)格操作body size，采用四面體劃分方法將每個(gè)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(jìn)行處理，外殼和硅膠通過掃掠法進(jìn)行劃分，單元體積均為5×10m。本文以此種方法權(quán)衡了計(jì)算效率和計(jì)算精度之間的關(guān)系，并使仿真結(jié)果中的危險(xiǎn)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(yàn)方法和程序》中關(guān)于器件環(huán)境應(yīng)力篩選的相關(guān)條目，溫度循環(huán)仿真中的溫度變化應(yīng)是呈周期性的，一個(gè)溫度循環(huán)分為升溫、高溫保持、降溫、低溫保持四個(gè)不同的階段。在進(jìn)入溫度循環(huán)之前，還需進(jìn)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(shè)定為25 ℃，高溫保持階段的溫度設(shè)定為125 ℃，低溫保持階段的溫度設(shè)定為-55 ℃。根據(jù)器件測(cè)試說明，每個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間均設(shè)為30 min，升溫速度和降溫速度均設(shè)定為6 ℃/min，符合國標(biāo)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(shí)，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(dǎo)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(yīng)力分析

經(jīng)分析可得，硅膠在高溫階段會(huì)有比較明顯的向外膨脹趨勢(shì)。由于硅膠的熱膨脹系數(shù)較大，其體積在溫度上升時(shí)會(huì)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(huì)向上方未被填滿的空隙膨脹，在此過程中，會(huì)對(duì)鍵合絲施加額外的剪切應(yīng)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(yīng)力分布圖如圖7 所示。

圖7 鍵合絲應(yīng)力分布圖

從圖7可以看出，被硅膠覆蓋的鍵合絲最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近管芯焊點(diǎn)的位置，應(yīng)力最大值達(dá)到6.449 4×10Pa，若在此處發(fā)生失效，對(duì)應(yīng)的失效模式應(yīng)為鍵合絲在縮頸處斷裂。圖8 為鍵合絲應(yīng)力變化趨勢(shì)圖，其中綠線代表鍵合絲中應(yīng)力最大值的變化趨勢(shì)，藍(lán)線代表鍵合絲中應(yīng)力平均值的變化趨勢(shì)。由圖8 可知，鍵合絲中的應(yīng)力變化與溫度變化成正相關(guān)，形成應(yīng)力循環(huán)載荷譜。隨著應(yīng)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(huì)發(fā)生電性能失效。

圖8 鍵合絲應(yīng)力變化趨勢(shì)圖

5.3 焊點(diǎn)所受應(yīng)力分析

管芯基板焊點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖9 所示。由圖9 可以看出：對(duì)于管芯焊點(diǎn)，其熱應(yīng)力最大位置為靠近焊點(diǎn)底部和管芯基板焊盤的連接處。若在此處發(fā)生失效，對(duì)應(yīng)的鍵合失效模式為脫鍵，即整個(gè)鍵合點(diǎn)發(fā)生脫落；焊點(diǎn)所受應(yīng)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(diǎn)內(nèi)部熱應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，其應(yīng)力變化曲線如圖10 所示。

圖9 管芯基板焊點(diǎn)應(yīng)力分布圖

圖10 管芯焊點(diǎn)應(yīng)力變化趨勢(shì)圖

5.4 鍵合絲應(yīng)變分析

通過對(duì)比焊點(diǎn)和鍵合絲縮頸處所受應(yīng)力可知，鍵合絲縮頸處為隔離器發(fā)生鍵合失效的最危險(xiǎn)位置。鍵合絲形變趨勢(shì)如圖11所示。由圖11可知，鍵合絲形變與鍵合絲中應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本一致，都隨溫度循環(huán)呈周期性變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，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(huì)加大；當(dāng)溫度降低時(shí)，形變會(huì)恢復(fù)一部分，但不可完全恢復(fù)，鍵合絲內(nèi)部會(huì)存在殘余應(yīng)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(shì)圖

5.5 灌膠器件與無膠器件對(duì)比分析

為了突出灌膠工藝對(duì)陶瓷封裝數(shù)字隔離器鍵合點(diǎn)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(duì)不帶膠器件模型進(jìn)行了溫度循環(huán)仿真。不帶膠隔離器鍵合絲應(yīng)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(jìn)行對(duì)比，可以得出硅膠具有增大鍵合絲內(nèi)部應(yīng)力的效果，同時(shí)會(huì)增大鍵合絲的形變。在同一溫度循環(huán)的同一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，帶膠器件的最大應(yīng)力達(dá)到6.449 4×10Pa，而不帶膠器件的最大應(yīng)力只有約1.480 9×10Pa。由此可知，硅膠對(duì)于鍵合絲的內(nèi)部應(yīng)力具有明顯的增大效果。

圖12 不帶膠隔離器鍵合絲應(yīng)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(diǎn)最易發(fā)生失效的危險(xiǎn)位置為鍵合絲靠近焊點(diǎn)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(huì)對(duì)鍵合絲產(chǎn)生剪切應(yīng)力作用。在實(shí)際的溫度循環(huán)篩選試驗(yàn)中，若試驗(yàn)器件發(fā)生鍵合失效，則可以判斷失效器件在環(huán)境應(yīng)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(jī)械應(yīng)力而發(fā)生斷裂損傷。在批量器件的使用或試驗(yàn)過程中，失效分布整體向零點(diǎn)靠攏，而對(duì)于單個(gè)器件，其預(yù)估壽命會(huì)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(shí)，灌封膠對(duì)陶瓷封裝數(shù)字隔離器內(nèi)部鍵合點(diǎn)可靠性的影響。灌封膠會(huì)在溫度循環(huán)過程中對(duì)鍵合絲產(chǎn)生額外剪切應(yīng)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(shí)為無法進(jìn)行鍵合考核試驗(yàn)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。