热振耦合载荷下光电互联结构的可靠性研究

李柳琼，杨珊儿，李美娴，雷庭

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610，2.工业装备质量大数据重点实验室，广东 广州 510610）

0 引言

电信号在高工作频率下容易出现电磁干扰、宽带受限、信号完整性等问题，对此现代电气互联技术将电互联与光互联的优势相结合，构成光电互联技术。对于光电互联技术国内外学者进行了相应的研究，Chen J专注板级光电耦合器件研究，仿真分析不同种类光电器件耦合效率[1-2]；Veli Heikkinen 、Do-Won Kim等人[3-4]研究了器件的热可靠性对系统传输性能的影响，分析温度对光电器件可靠性的影响；吴华玲等人[5]通过设计光纤耦合系统，分析了耦合效率与耦合模块之间的关系；刘翠翠等人[6]设计了光纤耦合模块，分析了耦合模块的耦合效率。上述国内外学者的研究主要致力于光电互联结构或单一应力对光电互联结构的影响，而光电互联结构在实际工程应用中往往会受到多种应力的影响，对此本文通过建立光电互联结构有限元模型，对其施加热振耦合载荷，分析光电互联结构在热振耦合作用下的可靠性及其耦合效率。

1 有限元建模

1.1 光电互联模型

光电互联基板由上下两层组成，上层陶瓷基板尺寸为：长12mm、宽8mm、高1mm，下层挠性基板尺寸为：长24mm、宽20mm、高0.5mm，下层基板内刻间距为0.25mm的4条矩形槽，矩形槽内嵌入芯层62.5um、包层125um的光纤。上层基板与垂直腔面发射激光器、上层基板与下层基板之间通过焊点进行互联，上册互联焊点直径为0.1mm、高度为0.15mm，下层互联焊点直径为0.25mm、高度为0.4mm。建立的光电互联结构有限元仿真模型如图1所示。

图1 光电互联结构有限元仿真模型

1.2 材料参数设置

光电互联结构中各个部分除焊点为粘塑性材料外其余均为线弹性，材料参数如表1所示，其中焊点材料粘塑性ANAND方程系数如表2所示[7]。

表1 材料参数

表2 SAC305焊点ANAND方程系数

1.3 边界条件设置

为了防止基板运动，对基板下表面的两个角点施加全约束，选取垂直于基板的方向为随机振动加载方向，热分析中采用solid70单元，在振动分析中将solid70单元转换成solid185单元。

热循环加载的试验条件根据Telcordia GR-468进行确定，加载的热循环曲线如图2所示。设定的热循环试验参数如下：热循环参考温度为25°C，最高温度为85°C，最低温度为-45°C，在最高温度和最低温度分别维持10min，从最高温到最低温的速率均为10°C/min，一个完整热循环周期为45min，共进行3个热循环周期。

随机振动条件采用国军用标准MIL-STD NAVMAT P-9492中的加速度功率谱密度，加载的功率曲线如图3所示。当振动频率为20Hz～80Hz时，曲线的斜率为+3dB/oct，对应的加速度功率谱幅值范围为0.01～0.04g2/Hz，80Hz时的幅值为0.04g2/Hz；当振动频率为80Hz～350Hz时，对应的加速度功率谱幅值为0.04g2/Hz；当振动频率为350Hz～2000Hz时，曲线的斜率为-3dB/oct，对应的加速度功率谱幅值范围为0.04～0.01g2/Hz。

图2 热循环加载曲线

图3 随机振动加载曲线

在ANSYS Workbench中采用顺序耦合法建立热与随机振动的耦合分析流程，先进行热循环分析，再将热循环分析的结果作为随机振动的载荷，从而得到热-随机振动耦合作用下光电互联结构的有限元分析结果。如图2所示。

图4 热与随机振动耦合图

2 有限元结果分析

光电互联结构中各个部件的热膨胀系数及密度各不相同，在热振耦合应力的作用下各个部件之间产生的应力应变也各有差异。对此针对光电互联结构中薄弱即焊点、光纤应力以及耦合部件之间的偏移量进行分析，研究对准偏移对耦合效率的影响。

2.1 焊点可靠性分析

如图2所示，在热循环与随机振动耦合作用下，选取挠性基板上的焊点应力作为研究对象，提取该焊点的应力分布图，焊点应力如图5所示。由图可知，焊点在角点处的应力最大，由外往内应力逐渐减小，焊点3σ应力分布图中最大应力为59.97Mpa。

图5 焊点应力图

焊点材料为SAC305，其剪切强度K=35 Mpa，令σσ、σ2=σ3=0（σ1、σ2、σ3分别为第一、二、三主应力，σs为等效应力），根据Von Mises准则，由第4强度条件计算公式得到焊点的等效屈服应力σs为。

通过对比焊点最大应力与其等效屈服应力可知，焊点最大应力小于其屈服强度，因此光电互联结构中的焊点在热振耦合作用下不会因屈服而发生失效。

2.2 光纤可靠性分析

在热与随机振动耦合条件作用下，提取光纤受到的应力云图，如图6所示。由图可知，光纤受到矩形槽的约束产生的最大热应力为140.25MPa。而光纤的实际断裂强度约为4.07GPa，由此可知，在热与随机振动耦合的作用下，光纤不会发生破坏，能够保证阵列光纤在热与随机振动耦合情形下的可靠性。

2.3 光电耦合效率分析

在热振耦合载荷作用下，光电互联结构中各个部件之间会产生位置偏移，由于各个部件之间偏移量存在差异，使得光电耦合之间的效率发生变化。在热循环与随机振动的耦合作用下，光电耦合模块与VCSEL、光纤之间会产生对准偏移，该偏移会降低耦合效率。由此提取3σ概率下VCSEL与上透镜，下透镜与光纤之间的对准偏移量，结果如表3所示，由表可知，下透镜与光纤在X方式上的对准偏差最大为7.5um，同时研究各对准偏移对耦合效率造成的损耗，分析结果如图7所示。

表3 最大偏移量

图7 X轴方向偏差与耦合效率/耦合损耗关系

由图7可知，下透镜与光纤在X方向的对准偏移最大为7.5μm，在以上对准偏移量下，光电耦合模块的耦合损耗约为0.85dB，而其他位置处的对准偏移较小，此最大偏移对光电互联耦合效率的影响较小[8]。

3 结语

文中通过建立光电互联结构模型，施加热振耦合载荷进行有限元分析，获得以下结论：（1）热循环与随机振动耦合作用下，焊点产生的最大应力为59.97Mpa，小于其屈服应力。（2）热循环与随机振动耦合作用下，光纤产生的最大热应力为140.25Mpa，小于其断裂强度。（3）最大对准偏移发生在X方向，下透镜与光纤的最大偏移为7.5 um，此时光电互联结构耦合损耗为0.85dB。基于上述分析结论可知，本文建立的光电互联结构在热振耦合作用下其结构可靠性能够得到保障，并且光电耦合损耗在合理的范围之内。