大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性数值模拟

2021-07-16李祝安朱思雄周立彦王剑峰张振越

电子产品可靠性与环境试验 2021年3期

李祝安，朱思雄，周立彦，王剑峰，张振越

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

0 引言

气密性陶瓷封装是集成电路封装行业中常用的一种封装形式，它具有绝缘性好、气密性强、机械强度高和散热性能良好等优点，被广泛地应用于电子工业及航空航天等领域。随着社会的发展和时代的进步，集成电路器件的封装数量也由单个组件发展为多个组件，多个组件被集成后，在电子工业中变成了一种主流产品——系统级封装（SIP：System in Package）。SIP是将不同的芯片（例如：处理器、存储器等）根据不同的应用场景和封装外壳优先集成到一个封装体内，实现一定的基本功能的单个封装器件。由于市场对系统集成化功能需求越来越大，器件的封装尺寸也变得越来越大，因此，大尺寸气密性陶瓷封装具有广阔的应用前景。

然而不可忽视的是，大尺寸气密性陶瓷封装在结构可靠性方面却具有一定的缺陷，在生产、运输和服役过程中可能会受到一定的作用力更容易导致产品失效。目前业界研究较多的是可靠性试验下焊点和瓷体的失效分析，对于盖板的研究并不多见，然而盖板在受到一定的作用力后也会发生凹陷，严重的甚至导致盖板开裂，造成漏气，致使电路受到盐雾、灰尘和水汽等物质的侵蚀，从而影响电路的使用和寿命。

因此，本文针对大尺寸气密性陶瓷封装，建立三维有限元仿真模型，模拟可靠性试验进行仿真；分析了盖板在各种试验情况下的受力和变形情况；对比了不同厚度的盖板和环框对盖板受力及变形的影响。

1 大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性仿真设计

1.1 仿真模型设计

建模时采用大尺寸气密性陶瓷封装结构，主要由外壳、环框和盖板3个组件构成。环框采用一般的可伐环框，盖板采用带凸台结构的合金盖板。本文主要研究盖板在可靠性试验仿真过程中的受力和变形情况，因此，对芯片及各个组件间的焊料部分进行了相应的简化，得到大尺寸气密性陶瓷封装结构如图1所示。仿真使用Ansys软件，在结构分析模块中进行材料设置、网格划分、条件设置、求解计算和结果后处理[1-4]。其中，载荷条件根据GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中随机振动、机械冲击和恒定加速度的可靠性试验情况进行设置[5]。

图1 大尺寸气密性陶瓷封装仿真模型图

1.2 模型尺寸及材料参数

三维封装仿真模型的各个组件尺寸参数如表1所示，三维封装仿真模型的各个组件材料参数如表2所示。

表1 大尺寸气密性陶瓷封装模型的各个组件尺寸参数

表2 大尺寸气密性陶瓷封装模型的各个组件材料参数

2 大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性仿真分析

2.1 可靠性试验仿真条件

参照《微电子器件试验方法和程序》，仿真过程中只考虑Z方向即垂直外壳底面向上的载荷，不考虑X和Y方向；同时，对外壳底面设置固定约束条件[6]。

随机振动试验仿真参照标准中的“试验条件1-J”，振动频率范围为50～2 000 Hz，功率谱密度为100（m·s-2）2/Hz，Z方向上进行15 min由试验条件规定的随机振动试验[5]，机械冲击试验仿真参照“试验条件A”，峰值加速度为4 900 m/s2，脉冲宽度为1 ms，Z方向上进行5次脉冲冲击试验[5]。

恒定加速度试验仿真参照“试验条件A”，加速度为49 000 m/s2，Z方向上进行1 min规定数值的恒定加速度试验[5]。

2.2 可靠性试验仿真分析

通过对3种可靠性试验的仿真，可以得到共性的结果。仿真所得的盖板应力和形变量分布云图如图2所示，由图2中可以看到，盖板中间呈向上凸起的趋势，同时盖板与环框接触部分的应力较大，最大应力出现在盖板与环框接触部分的中间位置，与实际情况相符。并且盖板形变量较小，最大应力小于盖板材料的屈服强度，因此发生失效的可能性较低。

图2 盖板应力和形变量仿真云图

3 大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性仿真研究

3.1 环框厚度对盖板应力和形变量的影响

在其他条件相同的情况下，分别仿真3种可靠性试验中环框厚度对盖板应力和形变量的影响。仿真结果如图3所示，从图3中可以看出，随着环框厚度的增加，盖板应力和形变量虽然呈现上升的趋势，但是幅度非常小。由此可见，改变环框厚度，对盖板应力和形变量无明显的影响。

图3 环框厚度对盖板应力和形变量的影响

3.2 环框上侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

在其他条件相同的情况下，分别仿真3种可靠性试验中环框上侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响，仿真结果如图4所示。从图4中可以看出，随着环框上侧盖板厚度的增加，盖板应力和形变量呈现明显下降的趋势。以随机振动试验仿真为例，环框上侧盖板的厚度由0.06 mm变为0.12 mm，厚度增加了1倍，盖板应力降低0.3倍、形变量减小0.48倍；环框上侧盖板的厚度由0.12 mm变为0.18 mm，厚度增加了0.5倍，盖板应力降低0.41倍、形变量减小0.46倍。由此可见，改变环框上侧盖板的厚度，对盖板应力和形变量有显著的影响。

图4 环框上侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

3.3 环框下侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

在其他条件相同的情况下，分别仿真3种可靠性试验中环框下侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响，仿真结果如图5所示。从图5中可以看出，随着环框下侧盖板厚度的增加，盖板应力和形变量呈现下降的趋势。以随机振动试验仿真为例，环框下侧盖板的厚度由0.2 mm变为0.25 mm，厚度增加了0.25倍，盖板应力降低0.17倍、形变量减小0.19倍；环框下侧盖板的厚度由0.25 mm变为0.3 mm，厚度增加了0.2倍，盖板应力降低0.22倍、形变量减小0.25倍。由此可见，改变环框下侧盖板的厚度，对盖板应力和形变量有影响。