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大尺寸LTCC器件在铝合金封装模块中的可靠性设计

2015-03-31王合利徐达王志会常青松

现代电子技术 2015年5期
关键词:应力分析铝合金

王合利 徐达 王志会 常青松

摘 要: 在军用铝合金微波模块中焊接尺寸较大的LTCC器件时,由于热失配的存在,易出现应力过大甚至开裂。当采用陶瓷基板时问题更为突出。在此采用有限元分析方法研究了这类结构在温度循环过程中应力变化和分布的特点。研究结果表明,当采用陶瓷基板时,封装盒底厚度与其上各层结构(包括过渡层垫板,陶瓷基板和陶瓷元件)厚度的不合理匹配会导致陶瓷器件产生过高应力,可靠性降低。合理的设计应是减小过渡层垫板和陶瓷基板厚度,同时增加封装盒底厚度。

关键词: LTCC; 铝合金; 应力分析; 可靠性设计

中图分类号: TN604?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2015)05?0152?03

Reliability design for soldering large?size LTCC component

in microwave module with aluminum alloy package

WANG He?li, XU Da, WANG Zhi?hui, CHANG Qing?song

(The 13th Research Institute, China Electronics Technology Group Corp., Shijiazhuang 050051, China)

Abstract: High stress and even failure problem, induced by thermal expansion mismatch, are usually observed in the soldered LTCC component in microwave module with aluminum alloy package, especially when ceramic substrate is used. The stress evolution and distribution of such structure were analyzed with finite element method. The results show that for ceramic substrate, too high stress primarily results from the mismatch of the thickness of package bottom and each architecture adhering to the bottom (such as stress transition layer, ceramic substrate and ceramic component). Proper design strategy is to decrease in the thickness of stress transition layer and ceramic substrate, and increase in the thickness of package bottom.

Keywords: LTCC aluminum alloy; stress analysis; reliability design

0 引 言

低温共烧陶瓷(LTCC)无源器件,如耦合器和滤波器等,具有体积小,集成度高和优异的高频特性等特点,已开始在军用微波组件模块产品中广泛应用[1?2]。由于低温共烧陶瓷属脆性材料,而且这类器件尺寸相对常用片式阻容元件一般都比较大,因此与基板材料热匹配一直是影响其可靠性的重要问题[3]。特别是对于铝合金封装的微波模块,如果结构或工艺不当,过高的热应力会造成电极剥离、焊点开裂甚至器件断裂等可靠性问题。对于一些军用或航天产品,要求通过高压大功率或严格控制产品内部水汽含量时,PCB基板难以满足应用要求而必须采用陶瓷基板,此时由热膨胀系数失配造成的热应力问题更为复杂,可靠性问题更加突出。本文采用有限元方法研究了铝合金封装中采用陶瓷基板时LTCC器件的热应力变化和分布特点,提出优化的结构设计原则,为实际的产品生产提供指导。

1 有限元模型

氧化铝陶瓷是微波领域最为常用的陶瓷基板。当在铝合金微波组件中采用这种陶瓷基板时,由于热失配严重,必须在基板与铝合金外壳之间加入高弹性模量,热膨胀系数接近陶瓷的应力缓冲材料,如钼铜合金。尽管LTCC材料的热膨胀系数(一般4~6 ppm/K)与氧化铝陶瓷基板(6.8~7.2 ppm/K)较为接近,但实际发现,不合理的结构设计完全可能在LTCC器件上产生高的热应力并造成瓷体断裂。本文以一种LTCC耦合器为例,采用有限元分析方法研究这类结构应力的分布和变化特点。结构的示意图如图1所示。为简化分析,将LTCC元件简化为规则的长方体,图2为所建立的三维有限元模型,根据国军标GJB548?96中的温度循环试验标准模拟温循过程中应力大小和分布。温度范围:-65~150 ℃,保持时间30 min,转换时间1 min。

在模型中均采用蠕变和塑性统一的Anand模型来描述钎料的力学本构关系,其具体形式为[4]:

[εp=Asinhξσs1mexp-QRT] (1)

[s=h0BaBBεp] (2)

[B=1-ss*] (3)

[s*=sεpAexpQkTn] (4)

式中:[So]为初始形变阻抗;[Q]为激活能;[R]为气体常数;[A]为循环强度系数;[ξ]为应力乘子;[h0]为硬化/软化系数;[m]为应变率敏感指数;[s]为形变阻抗饱和值;[n]为指数;[α]为循环应变硬化指数。具体参数[5?6]见表1。模型中其余材料参数[7?8]见表2。

2 计算结果与讨论

在以往的结构设计中由于认为较厚的陶瓷基板和垫板具有较高的可靠性,因此习惯陶瓷基板和钼铜垫板均采用1 mm厚度,而铝合金外壳底部厚度则在2~4 mm之间。这种结构设计是否合理先需验证。假设氧化铝陶瓷基板尺寸为22 mm×18 mm×1 mm,钼铜过渡垫板与陶瓷基板等尺寸,厚度也为1 mm,铝合金外壳尺寸47 mm×40 mm,厚度为2.5 mm,计算该结构在温循过程中的热应力。陶瓷等脆性材料最主要的断裂模式是在拉应力作用下的Ⅰ型张开型裂纹扩展断裂[9]。因此,分析时主要以结构的最大拉应力(即最一主应力)作为可靠性评价指标。由于LTCC器件、陶瓷基板和垫板的热膨胀系数均比铝合金材料小,非平衡的热应力导致附加弯矩作用。在温循低温时刻,结构整体向结构内部凹陷,LTCC器件和基板承受弯曲变形,上表面产生拉应力,如图3所示。图4和图5分别为LTCC器件和陶瓷基板的最大拉应力云图,二者在上表面均出现了较大的拉应力。

进一步改变了外壳底部厚度、陶瓷基板厚度和钼铜垫板厚度,形成不同的配比组合,计算相同条件下的热应力,应力分析结果列于表3中。

对比第1组和第2组结构发现,采用薄的外壳底厚(1 mm)相比采用较厚的外壳底厚(2.5 mm),LTCC器件最大拉应力有所降低,但仍然较高,同时其下的陶瓷基板最大拉应力增加,即陶瓷基板开裂的倾向增大,而且过薄的盒体在焊接后或温循过程中容易变形,不利于其他基板、元件的组装和可靠性。第3组结构去掉了钼铜垫板,LTCC器件的应力峰值变化不大,而陶瓷基板的拉伸应力有了较明显的降低。但由于陶瓷基板与铝合金热膨胀系数相差很大,陶瓷基板与铝合金外壳之间的界面焊料层剪切应力明显增大,即结构在服役过程中承受温度多次交变载荷后,焊料层开裂或者界面分层可能性大大增加。

注:厚度比例=盒底厚度[∶](LTCC厚度+基板厚度+垫板厚度)

第4组结构采用了厚度为0.4 mm的陶瓷基板和厚度为0.2 mm的垫板,陶瓷基板应力明显减小,但LTCC元件应力不降反升。第5组结构相比第4组外壳底部厚度由2.5 mm增加至5 mm,此时LTCC元件应力才明显减低。综合上述分析:减小基板和垫板厚度,同时增加封装盒底厚度,即增加盒体厚度与基板、元件的厚度比,可以同时明显降低LTCC元件和陶瓷基板的应力,提高这类结构的可靠性。从结果来看,外壳底部厚度与LTCC器件、基板和垫板厚度之和的比例要达到2[∶]1以上。

3 实验及结果

为验证有限元分析,进行了铝合金外壳封装LTCC耦合器全焊接结构的温度循环试验。耦合器的尺寸为14 mm×12 mm×1.9 mm,耦合器下方基板为96%氧化铝陶瓷基板,尺寸为20 mm×16 mm×1 mm,钼铜垫板与之等尺寸,厚度为0.5 mm。铝合金盒体底厚为4 mm。试验数量为40只,温度循环试验按《GJB548B?微电子器件试验方法和程序》中1010方法相关规定进行。温度循环条件:-55~125 ℃,高低温保持时间均为30 min,转换时间小于1 min,试验设备为富奇VT7006S2高低温试验箱,试验共进行100次循环,试验完成后用显微镜目检LTCC耦合器和陶瓷基板是否出现裂纹。试验后发现,LTCC耦合器出现断裂,开裂的比例为17.5%,陶瓷基板无断裂现象。仍采用等尺寸的96%氧化铝陶瓷基板,但厚度改为0.4 mm,钼铜垫板厚度改为0.2 mm,其余结构参数不变,进行了相同条件的温度循环试验,40个样品中均未出现LTCC耦合器或陶瓷基板断裂。试验结果表明,降低陶瓷基板与垫板厚度,即改变各层厚度比确实可以降低LTCC器件应力,提高结构可靠性。

4 结 论

本文通过有限元方法研究了在铝合金封装外壳中焊接大尺寸陶瓷类元件(如LTCC元件,介质滤波器等)的应力优化问题。研究发现,盒底厚度与其上各层结构(包括垫板,陶瓷基板和LTCC元件)厚度的不合理匹配会导致陶瓷元件在温循过程中产生过大拉应力,进而开裂。合理的设计原则应是减小垫板和陶瓷基板厚度,而把空间用于增加盒底厚度,盒底厚度至少是陶瓷元件、基板和垫板厚度之和的2倍以上。

参考文献

[1] VAHA_HEIKKILA T, LAHTI M. LTCC 3D integration platform for microwave and millimeter wave modules [C]// 2012 IEEE International Symposium on Radio?Frequency Integration Technology (RFIT). Singapore: IEEE, 2012: 95?97.

[2] TAMURA M, YANG T, ITOH T. Very compact and low?profile LTCC unbalanced?to?balanced filters with hybrid resonators [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2011, 59(8): 1925?1936.

[3] GONGORA?RUBIO M R, ESPINOZA?VALLEJOSE P, SOLA?LAGUNA L, et al. Overview of low temperature co?fired ceramics tape technology for meso?system technology (MsST) [J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2001, 89(3): 222?241.

[4] WANG G Z, CHENG Z N, BECKER K, et al. Applying anand model to represent the viscoplastic deformation behavior of solder alloys [J]. Journal of Electronic Packaging, 2001, 127: 247?253.

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[6] 张亮,薛松柏,卢方焱,等.基板材料对QFP焊点应力应变影响的数值模拟[J].焊接学报,2008,29(1):35?39.

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[8] 美国金属学会.金属手册[M].9版.北京:机械工业出版社,1994.

[9] 龚江宏.陶瓷材料断裂力学[M].北京:清华大学出版社,2001.

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