金屬封裝中陶瓷基板的熱匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

隨著微電路單元的組裝密度越來(lái)越高，發(fā)熱量越來(lái)越大，對(duì)封裝外殼的要求也日益提高。相比可伐、鎢銅、鋁硅合金等外殼材料，鋁合金材料具有比重小，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、易加工和成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此目前被廣泛用作微電路模塊的封裝外殼。陶瓷材料是微電路模塊中常用的基板材料。

然而，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)與鋁合金材料差異很大，由此導(dǎo)致的熱應(yīng)力有時(shí)足以造成陶瓷基板的斷裂。因此，如何提高鋁合金外殼封裝中陶瓷基板的可靠性，保證陶瓷基板能經(jīng)受各種環(huán)境溫度變化而不致開(kāi)裂就成為一項(xiàng)嚴(yán)峻課題。本文采用有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了這類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小和變化特點(diǎn)，提出一般的設(shè)計(jì)原則，為提高這類封裝結(jié)構(gòu)的可靠性提供參考。

1 模型的建立

在鋁合金外殼中使用陶瓷基板時(shí)，通常需在盒體與陶瓷基板之間加入過(guò)渡墊板作為應(yīng)力應(yīng)變緩沖，材料通常采用鉬銅或可伐合金，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。本文采用有限元方法分析這類結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力大小和分布。溫度循環(huán)條件：-65℃~150℃，保持時(shí)間30min，轉(zhuǎn)換時(shí)間1min。

焊料的本構(gòu)模型采用Anand模型,具體參數(shù)如表1所示。其余材料參數(shù)見(jiàn)表2。為了使分析結(jié)果更具一般性，共分析了3種大小不同的盒體、墊板和陶瓷基板結(jié)構(gòu)組合，表3是各組結(jié)構(gòu)的幾何尺寸（僅包含平面內(nèi)的x和y方向尺寸）。圖2為不同封裝結(jié)構(gòu)的有限元模型。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

表1 焊料Anand 模型

表2 材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)的幾何尺寸

圖2 不同鋁合金盒體結(jié)構(gòu)的有限元模型

2 ?結(jié)果與討論

2.1 陶瓷基板應(yīng)力的形成

陶瓷與鋁合金材料的熱膨脹系數(shù)差異巨大。當(dāng)溫度變化時(shí)，二者收縮或膨脹變形相互制約（墊板的熱膨脹系數(shù)與陶瓷接近，理論分析時(shí)可以近似看成一體）。這種相互制約的熱變形不僅在結(jié)構(gòu)平面方向（即x方向和y方向）產(chǎn)生熱應(yīng)力。更重要的是，由于幾何尺寸和材料力學(xué)性不同導(dǎo)致二者剛度差異，使整個(gè)結(jié)構(gòu)每個(gè)縱向截面上的應(yīng)變和應(yīng)力的大小、方向不同，由此產(chǎn)生了附加彎矩，如圖3所示。

這一彎矩使整體結(jié)構(gòu)向盒體內(nèi)部或外部彎曲。在低溫時(shí)刻，下方的鋁合金收縮量大于上方的陶瓷基板，結(jié)構(gòu)向盒體內(nèi)部彎曲。在高溫時(shí)刻，變形情況正好相反。陶瓷基板應(yīng)力是面內(nèi)拘束導(dǎo)致的熱應(yīng)力和附加彎矩導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力疊加后共同作用的結(jié)果。

圖3 封裝結(jié)構(gòu)的任意縱截面上的應(yīng)變分布

基于上述的應(yīng)力形成和變形過(guò)程，進(jìn)行如下有限元分析：取表3 中的結(jié)構(gòu)組合1，陶瓷基板厚度0.4mm，墊板厚度0.2mm，盒體底部厚度1.0mm。分為2 中情況：一種情況讓整個(gè)結(jié)構(gòu)在溫循狀態(tài)下自由變形，另一種情況則固定鋁合金盒體底部抑制其彎曲變形。陶瓷等脆性材料最主要的斷裂模式是在拉應(yīng)力作用下的Ⅰ型張開(kāi)型裂紋擴(kuò)展斷裂。

因此，本文采用第一主應(yīng)力（即最大拉應(yīng)力）作為基板可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析結(jié)果如圖4~5 所示，可以看到，結(jié)構(gòu)自由變形時(shí)，鋁合金底部向內(nèi)部彎曲明星，陶瓷基板最大應(yīng)力達(dá)到258MPa，固定鋁合金盒體底部后，陶瓷基板的應(yīng)力有了大幅降低，應(yīng)力峰值僅為34.9MPa。由此可以看出，陶瓷基板上的應(yīng)力主要來(lái)源于附加彎矩導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力。降低這種封裝結(jié)構(gòu)中陶瓷基板的應(yīng)力，則主要應(yīng)考慮減小這種彎矩作用。

圖4 第1組結(jié)構(gòu)整體變形

圖5 第1組結(jié)構(gòu)陶瓷基板應(yīng)力

2.2 鋁合金盒底厚度對(duì)陶瓷基板應(yīng)力的影響

為抑制附加彎矩作用，首先考慮增加鋁盒體底部厚度以提高封裝盒體剛度。采用有限元方法分析了增加盒底厚度對(duì)陶瓷基板應(yīng)力的的影響，并對(duì)其中的部分試驗(yàn)組進(jìn)行了實(shí)際的溫循試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)采用的是表3中的第1組和第2組結(jié)構(gòu)，逐步增加鋁合金盒底厚度，其余參數(shù)固定不變其余參數(shù)固定不變。分析結(jié)果如表。分析結(jié)果如表4所示。結(jié)果均表明所示。結(jié)果均表明：陶瓷基板拉應(yīng)力峰值隨著盒底厚度的增加而不斷減小。

圖6是第1組結(jié)構(gòu)中盒底厚度為5mm時(shí)的整體變形和陶瓷基板應(yīng)力云圖。對(duì)比圖4a）和圖5a）可以發(fā)現(xiàn)，盒底厚度為1.0mm時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)凹最大變形量188um；當(dāng)盒底厚度增加至1.5mm時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)凹最大變形量降至155um。相應(yīng)地，陶瓷基板的拉應(yīng)力峰值從258MPa降至149MPa。實(shí)際的溫循試驗(yàn)結(jié)果也間接驗(yàn)證了這一點(diǎn)。盒底厚度為1.0mm的5個(gè)試樣的陶瓷基板在100次溫度循環(huán)后全部開(kāi)裂，而盒體厚度為1.5mm時(shí)，20個(gè)試樣中未見(jiàn)陶瓷基板開(kāi)裂。

表4 溫循過(guò)程模擬及試驗(yàn)結(jié)果

圖6 第1組結(jié)構(gòu)中盒底厚度1.5mm時(shí)的結(jié)構(gòu)變形和陶瓷基板應(yīng)力

2.3 陶瓷基板厚度對(duì)應(yīng)力的影響

除增加鋁合金盒底厚度外，陶瓷基板厚度對(duì)其可靠性也有重要應(yīng)用。針對(duì)這一問(wèn)題，采用表3中的結(jié)構(gòu)尺寸，保持封裝盒底和墊片厚度不變而改陶瓷基板厚度，分析陶瓷基板的應(yīng)力大小及變化。分析結(jié)果列于表5中。

從結(jié)果可以看出：相同結(jié)構(gòu)形式，基相同結(jié)構(gòu)形式，基板厚度越，陶瓷基板的拉應(yīng)力峰值越大，可靠性也相應(yīng)降低。相應(yīng)的溫循試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。實(shí)際上，已有研究均表明，陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度有著明顯體積效應(yīng)。越大結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大尺寸微裂紋的概率越高，因此斷裂強(qiáng)度要比小體積的陶瓷結(jié)構(gòu)低。

對(duì)表4和表5中的各組結(jié)構(gòu)的厚度尺寸和應(yīng)力結(jié)果重新整理后，結(jié)果如表6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，陶瓷基板（包括過(guò)渡墊板）/封裝盒底的厚度配比是顯著影響陶瓷基板的應(yīng)力狀態(tài)的指標(biāo)。從結(jié)果來(lái)看，厚度配比越小,陶瓷基板的應(yīng)力峰值越小。實(shí)際上，在結(jié)構(gòu)平面尺寸確定后，厚度比反映了陶瓷基板與鋁合金盒體的剛度比。厚度配比減小，表明陶瓷基板的剛度降低，而鋁合金盒體剛度增加。為提高這種結(jié)構(gòu)中陶瓷基板的可靠性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循降低陶瓷基板/鋁合金外殼盒底厚度比的原則。

表5 溫循過(guò)程模擬及試驗(yàn)結(jié)果

表6 各結(jié)構(gòu)組合的厚度配比

3 結(jié)論

鋁合金與陶瓷基板由于熱膨脹系數(shù)差異巨大，因此溫度變化時(shí)導(dǎo)致陶瓷基板產(chǎn)生過(guò)高的熱應(yīng)力，降低了基板可靠性。本文采用有限元分析和溫循試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度降低陶瓷基板失配應(yīng)力的問(wèn)題。研究結(jié)果表明，陶瓷基板應(yīng)力是面內(nèi)拘束導(dǎo)致的熱和附加彎矩導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力疊加后作用結(jié)果，且主要是后者作用的結(jié)果。

為提高這種結(jié)構(gòu)中陶瓷基板的可靠性，應(yīng)遵循降低陶瓷基板/鋁合金外殼盒底厚度比的設(shè)計(jì)原則。如果基板厚度一定，選用厚底的鋁合金封裝盒體可明顯降低基板應(yīng)力峰值。封裝盒底和墊板厚度一定時(shí)，薄陶瓷基板應(yīng)力水平更低，有更高的可靠性。

審核編輯：劉清