密封测试中盖板结构对器件应力影响的有限元分析

2015-12-27郭怀新王子良

电子与封装 2015年8期

关键词：凸面盖板外壳

赵博，郭怀新，程凯，王子良

（南京电子器件研究所，南京 210016）

密封测试中盖板结构对器件应力影响的有限元分析

赵博，郭怀新，程凯，王子良

（南京电子器件研究所，南京 210016）

针对器件在密封检测过程中的失效现象，采用ABAQUS有限元模拟软件，建立失效器件外壳的密封试验三维仿真模型，分别对失效结构封装件和改进结构封装件进行密封测试环境下的应力计算分析。计算结果从理论上解释了失效结构在密封试验时易出现严重的因瓷件微裂纹或开裂引起的失效现象。盖板的结构直接影响外壳整体应力的形式，通过结构调整，封装件薄弱区（外壳瓷件区域）的拉应力仅为原结构的63.3%，表明通过盖板结构的改进可有效避免该类失效现象，对封装可靠性的设计有一定的指导意义。

封装；应力；有限元；可靠性

1 引言

对于高可靠微电子器件，密封要求是其高可靠性能的关键因素之一，而对于一个需要采用大腔体比（腔体比：内腔体积与外壳总体积的比）结构外壳进行封装的高可靠器件，其密封用盖板的结构对产品可靠性具有极为重要的影响[1～3]。密封用盖板不仅起到隔绝外部环境对腔内芯片的影响，同时对器件也起到承载外部载荷及机械支撑的作用。因而盖板的结构设计会直接影响器件的气密性及抗外部环境载荷能力。在器件进行气密性筛选过程中，在受到规定的外部气体压力作用下，往往出现盖板变形、瓷件微裂纹甚至开裂等现象，导致器件漏气、性能失效，这是大腔体比外壳器件在密封检验及后续应用过程中急需解决的重要问题之一。然而，该密封试验过程中封装件受力分布形态的测试分析极为困难，仅依据密封检测结果去理论评估，尚未有统一的分析标准。因而，利用数值方法对密封试验过程中封装件的受力形态进行理论分析就成为一种潜在的有效方法，目前尚未发现国内外的相关报道。

本文针对封装件在密封检测过程中的失效现象，首次采用有限元方法建立密封试验三维仿真模型，模拟封装件失效结构和改进结构的密封检测试验，计算和分析封装件在密封检测条件下整体结构的受力形式和分布状态，评估不同结构设计对盖板及瓷件的受力分布和形式的影响，从理论上解释上述失效产生的原因，并通过改进前后外壳受力结果的比较，证明不同结构的盖板对器件可靠性的影响。合理的盖板结构对解决密封检测中的失效问题及提高器件的可靠性有重要的作用。

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型

本文为了分析密封试验过程中封装件受力分布和受力形式，从理论上解释和确认密封测试失效的原因，采用实际生产过程中出现密封检测失效的微波器件用外壳，其外壳下组件结构和盖板结构设计如图1所示，盖板在设计的时候考虑平行缝焊工艺的要求，盖板封接区（即盖板和外壳框架的焊接面）厚度设计为0.1 mm，考虑盖板平行封装的定位及对环境承载的可靠性，将盖板的非封接区厚度设计为下凸起结构，厚度为0.4 mm。其中整体的外壳材料设计为底座和框架材料均采用铁钴镍合金（4J29），瓷件材料采用95%氧化铝陶瓷，盖板材料采用铁镍合金（4J42）。

如图1结构设计的封装件在实际密封试验检测时，70%的器件出现因盖板变形、外壳瓷件微裂纹及开裂等现象导致的失效，经过分析其原因是由于外壳盖板承载外界作用力导致变形，对侧壁形成某一方向的挤压或拉伸应力，瓷件作为脆性材料，在整个外壳结构中属于抗应力薄弱区域，因而当因盖板受力引起的侧壁受拉或受压的应力大于其承载能力时，瓷件就产生微裂纹和开裂。

图1 大腔体比外壳的结构示意图

这种失效的产生与器件封装结构设计尤其是盖板的结构设计息息相关，通过进行不同结构盖板的封装试验，发现完全可以避免该失效现象的产生。为解决失效问题，在平行缝焊盖板的设计上进行改进，采用凸起面朝上（如图2）的盖板结构，为了增加模拟的可对比性，其盖板的物理尺寸和图1设计完全一致。经试验验证，图2的封接结构可有效解决图1结构的失效问题。为了解释其原因，清晰认识在密封过程中外壳的应力分布和形态，本文针对图1和图2两种结构的外壳进行了密封试验的三维有限元建模分析。

图2 改进后的外壳结构示意图

2.2 计算模型

在运用有限元法分析微电子外壳密封试验过程时，仿真计算的可行性以及计算结果的准确性取决于创建计算模型的合理性，因而本文依据密封试验的条件对封装件结构和检测过程进行了合理的理论化假设。本文利用ABAQUS有限元软件，采用静水压模式的计算模型，该计算模式可以有效仿真密封试验过程中的大气压载荷[4～6]。首先假设电子器件在密封检验过程中，试样所受到的特定的环境压力为盖板表面的静水压，盖板的垂直法线方向为Z轴，盖板上表面为静水压力的作用面，其压力就定为器件加压检验时国军标规定的3个大气压，外壳底座的底面为静水压零应力状态点；其次假设在整个密封试验过程中铁钴镍合金、铁镍合金及氧化铝陶瓷等外壳材料均为理想的线弹性[4～8]，在整个计算过程中不发生塑性变形，计算用的物理参数如表1所示；最后假设底座、框架、瓷件和盖板的界面接触为理想封接[7～10]。计算过程将整个外壳几何模型作为求解区域，加压时间为2 h，环境温度为常温条件，由于该外壳为对称结构，为了更直观地分析其内部应力分布形式，其应力分布结果采取二分之一视图结构进行分析，分析结果为120 s时的受力状态。

表 1 材料物理性能

3 结果与分析

在对瓷件微裂纹和开裂的失效现象进行分析时，如果采用等效的应力模式（总应力），由于陶瓷材料的抗拉和抗压能力相差很大，无法直观体现其拉、压应力分量，难以作为失效的判断依据，因此模拟结果采用S11、S22和S33的主应力模式来进行分析。首先对整体外壳的受力分布及形式进行模拟，分析结构改进前后外壳的抗承载能力。其次对盖板的受力情况详细分析，其直接影响外壳的承载能力及应力薄弱区（瓷件）的受力情况；最后对瓷件进行模拟分析，从理论上解释失效的原因。

通过对图1和图2两种结构的封装形式模拟计算发现，不同盖板结构封装形式，外壳整体受力分布大体类似，主要集中于盖板中心和瓷件区域，但所受的应力形式则有很大不同。如图3所示，显示当盖板凸面向下时最大拉应力（图中应力值为正）高达783.9 MPa，出现在瓷件上，最大压应力（图中应力值为负）为527.4 MPa，出现在盖板上；当盖板凸面向上时最大拉应力同样出现在瓷件上，但仅为482.9 MPa，比盖板凸面向下结构下降了38.4%，如图4所示；同时当变形量（deformation scale factor）值设为1时，发现图4的盖板变形要比图3结构的盖板变形量小很多，说明图2结构的封接形式承受外载荷的能力更强。

为了更为透彻地解释外壳抗承载能力，对盖板进行了应力分析，结果如图5和图6。发现当盖板凸面向下结构时，盖板上表面为压应力，中心区域最大压应力为527.4 MPa，下表面为拉应力，封接区域也为拉应力，最大拉应力为571.3 MPa，结果如图5所示；当盖板凸面向上结构时，盖板上表面为压应力，封接区域为压应力，中心区域最大压应力为535.4 MPa，下表面为拉应力，最大拉应力为482.9 MPa，结果如图6所示。计算结果显示，盖板凸面向上时，所受的拉应力小，盖板形变量也小，说明该结构承受外界载荷的能力更高，可靠性更好。

图3 失效结构外壳应力分布及形式

图4 结构改进后外壳应力分布及形式

图5 盖板应力分布及形式

图6 结构改进后盖板应力分布及形式

这种封接区域的应力分布及形式直接影响到外壳薄弱区——瓷件的受力形式。通过进一步分析瓷件的受力分布状态，可以清楚地看到应力形式及量的变化，鉴于6个瓷件的受力形式及大小几乎完全一致，选取其中一个瓷件作为整体分析，其计算结果如图7和图8所示。

当盖板凸面向下结构时，瓷件的腔外表面受拉应力，最大为760.8 MPa，腔内表面受压应力，最大为507.3 MPa，如图7所示。这是由于这种结构的封装，盖板的封接区受到拉应力，从而使得侧墙受到向腔内方向的拉力，导致瓷件外表面为拉应力，内表面为压应力。

当盖板凸面向上结构时，瓷件的腔外表面是压应力，最大为677.2 MPa，腔内表面受拉应力，最大为481.3 MPa，如图8所示。这是由于这种结构的封装，盖板的封接区受到压应力，从而使得侧墙受到向腔外方向的拉力，导致瓷件外表面为压应力，内表面为拉应力。

图7 陶瓷绝缘子应力分布及形式

图8 结构改进后陶瓷绝缘子应力分布及形式

封装的薄弱环节为外壳的瓷件区域，陶瓷材料的抗压性一般是抗拉性的5～10倍，因而，降低薄弱环节的拉应力成为提高封装可靠性的重要方向。通过对这两种结构产品进行有限元分析、对比发现，盖板凸面向上结构的封装，瓷件的最大拉应力相比于盖板凸面向下结构封装的最大拉应力降低了36.7%，因而很好地解释了采用盖板凸面向下结构的封装产品在密封试验时出现大批量的因外壳瓷件微裂纹或开裂引起的失效现象。

4 结论

瓷件的受力形式完全相反，受到的最大拉应力下降了36.7%，外壳抗承载能力显著增强。计算结果从理论上解释了盖板凸面向下结构的封装产品在密封试验时易出现严重的因瓷件微裂纹或开裂引起的失效现象，同时为外壳的相似密封试验仿真提供了借鉴，为优化盖板结构设计、提高外壳可靠性提供理论依据。

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本文创造性地利用ABAQUS有限元软件建立了密封试验三维仿真模型, 分别针对改进前后不同盖板结构的封装，计算和分析外壳在密封检测条件下整体结构的受力形式和应力分布状态，评估不同结构设计对盖板及瓷件的受力分布和形式的影响。通过外壳整体受力分析，结果显示，改进盖板后，外壳

Finite Element Analysis of Effects of Cover Plate Structure on Residual Stress of Device in Sealing Test Process

ZHAO Bo, GUO Huaixin, CHENG Kai, WANG Ziliang
（Nanjing Electronic Device Research Institute, Nanjing 210016, China）

For failure situations of devices in sealing test process, a 3D calculating model of failure situation of devices in sealing test was established using ABAQUS finite element simulation software in the paper, and the stresses of failure structure and improved structure in sealing test were calculated and analyzed, respectively. The calculation results explained failure reason caused by micro cracks or cracking of ceramic in sealing test process, cover plate directly influenced the stress form of whole package.The tensile stress of weakness part (ceramic area) of improved structure was only about 63.3% of the original structure, and show that the failure situation could be effectively avoided through structural optimization of cover plate, while those results would provide more or less guiding for high reliability design of package.

package; stress concentration; finite element method; reliability