大腔体陶瓷封装外壳断裂强度分析与提高

张金利

（中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051）

1 引言

陶瓷材料作为一种高性能材料，在高可靠性需求领域如军用电子、航空航天电子、商业上的高端处理器等，得到广泛的应用[1]。受芯片技术发展的驱动，应用于大规模和超大规模集成电路芯片的陶瓷封装外壳的封装密度需要进一步提高。在制造技术（冲孔技术、线条技术等）一定的情况下，封装密度的增加直接导致大尺寸多腔体陶瓷外壳的出现。同时，高密度大尺寸封装外壳的需求也将给原有的可靠性技术带来进一步的挑战。一方面可以通过合理的结构设计来减小应力集中，另一方面可以通过提高结构强度增加抗破坏能力，而增强结构强度为提高可靠性的根本方法。

陶瓷是一种脆性材料，在应力作用下会产生脆性断裂，其特点是受到缺陷的控制[2]。材料内部或表面存在的各种缺陷可以视作不同性质的断裂源，材料在某一外加应力作用下发生断裂的概率将取决于缺陷的物理尺寸和受力状态。

陶瓷封装外壳采用多层陶瓷工艺，在加工过程中，腔体的形成需要经过冲孔和热切等机械成型工艺。在这些工艺中，工艺过程会对生瓷表面造成一定的损伤，这些损伤在经过烧结后会有部分保留下来，成为陶瓷封装外壳的表面缺陷，对断裂强度造成影响[3]。

图1 典型大腔体陶瓷外壳工艺流程

因此，研究工艺过程对陶瓷封装外壳断裂强度的影响机理和提高强度的加工方式对于提高陶瓷封装外壳可靠性是至关重要的。

2 恒定加速度下的陶瓷外壳失效

在针对陶瓷外壳的一系列力学可靠性试验中，恒定加速度实验能够充分激励出陶瓷外壳内部的力学响应，从而作为代表性实验成为力学可靠性分析的首选。高密度大尺寸陶瓷外壳恒定加速度实验及试验中元件固定方式如图2（a）所示。结果发现，出现裂纹引发失效的位置集中在腔体的圆角位置，如图2（b）为典型的陶瓷封装外壳在20000 G恒定加速度试验条件下的失效。

图2 陶瓷外壳典型裂纹失效

3 失效分析

为分析恒定加速度实验中的失效原因，对恒定加速度条件下瓷件的受力状态进行计算，陶瓷封装外壳第一主应力分布如图3 所示。陶瓷腔体圆角处应力集中，存在诱发陶瓷缺陷产生裂纹的概率。

图3 陶瓷外壳腔体圆角处应力分布

对陶瓷外壳的腔体台阶圆角处和自然表面的缺陷状态进行比较观察，得到的结果如图4所示。可见在经过一般的冲孔和热切等机械加工后的生瓷件腔体圆角处就已经存在一定的缺陷，这些缺陷的尺度远大于陶瓷自然表面的缺陷。在烧结后一部分缺陷被保留下来，从而在微观上具有更低的强度，在恒定加速度可靠性试验中受到集中应力的作用成为可能的裂纹源，形成在低应力下的失效。

4 加工缺陷分析

采用激光加工方式取代冲孔和热切等机械加工方式对生瓷腔体进行加工，形成的腔体圆角处缺陷状态如图5所示。

可以看出，激光加工所造成的表面损伤较小，且连续光滑，由于激光的分次加工，侧面呈现出层状形貌。冲孔加工所造成的表面损伤最大，分布杂乱。热切造成的损伤呈不均匀分布，热切起始处缺陷较小，数量较少。向下逐渐增加，在热切终止处缺陷最大，数量最多，此处的缺陷与冲孔相似。

结合失效分析可知，激光加工相比冲孔和热切等机械加工产生的缺陷更少，能够改善陶瓷外壳腔体的力学强度。

5 抗弯强度试验验证

参考YB/T 5349-2006《金属弯曲力学性能试验方法》，采用强度瓷条的三点弯曲实验对不同加工方式的陶瓷强度进行验证。分别采用激光加工、冲孔加工和热切加工的方式，加工0.33 mm厚的B210单层生瓷片，再采用多层工艺将单层生瓷片层压、烧结后，形成标准强度测试瓷条，如图6所示。利用强度试验机对试样进行三点弯曲实验，使加工面处于最大拉应力面，得到不同加工方法下的瓷条强度数据。

得到的强度测试数据如表1所示。

图4 陶瓷外壳圆角处的表面状态

表1 不同加工工艺下陶瓷抗弯强度

将得到的强度数据根据两参数Weibull分布对陶瓷强度数据进行统计分析，形式如下：

不同加工工艺下的瓷条强度Weibull参数计算如表2所示。

表2 不同加工工艺下陶瓷抗弯强度Weibull分布式

图5 不同加工工艺下腔体表面状态

图6 陶瓷抗弯瓷条示意图

不同加工方式的瓷条强度Weibull如图7所示。

可见不同加工方式加工出的瓷条强度分布呈现出明显的差异。强度分布如图4（a）所示，激光加工出的瓷条具有最高的强度，为572.59 MPa，热切次之为484.03 MPa，冲孔加工的强度最小为400.58 MPa。激光加工强度高于冲孔加工强度约170 MPa。强度离散度如图7（b）所示，热切加工具有最小的离散度，激光加工其次，分散程度最大的是冲孔加工。

图8 不同加工工艺下陶瓷抗弯瓷条断面

对三点弯曲试验后的瓷件进行断口分析，结果如图8所示。

对于激光加工瓷条，无论是高应力断口还是低应力断口，断裂源位置大部分集中在接近最大受力面的陶瓷内部，部分出现在激光加工面，且断口粗糙不平，说明激光加工造成的表面损伤与陶瓷本身的缺陷相当，产生断裂的诱发应力较高，同时裂纹扩展需要的能量也较高。对于热切加工瓷条，低强度断裂源位置主要集中在最大应力面附近的热切下棱边处，说明此处由于热切形成较大的缺陷，易形成断裂失效。对于冲孔加工瓷条，低强度断裂的断裂源位置主要集中在最大应力面上的冲孔加工面上，说明此处由于冲孔形成较大的缺陷，易形成断裂失效。

通过标准抗弯瓷条的试验和断面分析，证明激光划腔相比机械落腔断裂强度提高42.5%。通过采用激光加工腔体的方式，能够提高陶瓷外壳腔体的断裂强度，减少断裂失效。

6 结论

文章通过理论分析和试验验证对陶瓷封装外壳腔体应力失效的原因进行了分析，确定了工艺加工方式对陶瓷断裂强度的影响规律，采用激光划腔的方式显著提高了陶瓷加工件的抗弯强度。此技术已应用于大规模集成电路芯片和极大规模集成电路芯片用陶瓷封装外壳的加工生产，取得了良好的应用效果，对提高大尺寸多腔体陶瓷外壳的断裂强度具有重大意义。

[1]R R Tummala, Eugene J Rymaszewski, etc, 中国电子学会电子封装专业委员会，电子封装丛书编辑委员会. 微电子封装手册[M]. 北京：电子工业出版社，2001.

[2]Martin Geneta, Manuel Houmarda. A two-scale Weibull approach to the failure of porous ceramic structures made by robocasting：Possibilities and limits[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33(4)：679-688.

[3]曾超，王春青，田艳红，孔令超. 热切缺陷对氧化铝陶瓷强度的影响[M]. 宇航材料工艺，航天材料及工艺研究所，2008.