大尺寸LTCC器件在鋁合金封裝模塊中的可靠性設(shè)計(jì)

王合利　徐達(dá)　王志會(huì)　常青松

摘 要： 在軍用鋁合金微波模塊中焊接尺寸較大的LTCC器件時(shí)，由于熱失配的存在，易出現(xiàn)應(yīng)力過大甚至開裂。當(dāng)采用陶瓷基板時(shí)問題更為突出。在此采用有限元分析方法研究了這類結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)過程中應(yīng)力變化和分布的特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，當(dāng)采用陶瓷基板時(shí)，封裝盒底厚度與其上各層結(jié)構(gòu)（包括過渡層墊板，陶瓷基板和陶瓷元件）厚度的不合理匹配會(huì)導(dǎo)致陶瓷器件產(chǎn)生過高應(yīng)力，可靠性降低。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)是減小過渡層墊板和陶瓷基板厚度，同時(shí)增加封裝盒底厚度。

關(guān)鍵詞： LTCC； 鋁合金； 應(yīng)力分析； 可靠性設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN604?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

低溫共燒陶瓷（LTCC）無源器件，如耦合器和濾波器等，具有體積小，集成度高和優(yōu)異的高頻特性等特點(diǎn)，已開始在軍用微波組件模塊產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用[1?2]。由于低溫共燒陶瓷屬脆性材料，而且這類器件尺寸相對常用片式阻容元件一般都比較大，因此與基板材料熱匹配一直是影響其可靠性的重要問題[3]。特別是對于鋁合金封裝的微波模塊，如果結(jié)構(gòu)或工藝不當(dāng)，過高的熱應(yīng)力會(huì)造成電極剝離、焊點(diǎn)開裂甚至器件斷裂等可靠性問題。對于一些軍用或航天產(chǎn)品，要求通過高壓大功率或嚴(yán)格控制產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量時(shí)，PCB基板難以滿足應(yīng)用要求而必須采用陶瓷基板，此時(shí)由熱膨脹系數(shù)失配造成的熱應(yīng)力問題更為復(fù)雜，可靠性問題更加突出。本文采用有限元方法研究了鋁合金封裝中采用陶瓷基板時(shí)LTCC器件的熱應(yīng)力變化和分布特點(diǎn)，提出優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，為實(shí)際的產(chǎn)品生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 有限元模型

氧化鋁陶瓷是微波領(lǐng)域最為常用的陶瓷基板。當(dāng)在鋁合金微波組件中采用這種陶瓷基板時(shí)，由于熱失配嚴(yán)重，必須在基板與鋁合金外殼之間加入高彈性模量，熱膨脹系數(shù)接近陶瓷的應(yīng)力緩沖材料，如鉬銅合金。盡管LTCC材料的熱膨脹系數(shù)（一般4～6 ppm/K）與氧化鋁陶瓷基板（6.8～7.2 ppm/K）較為接近，但實(shí)際發(fā)現(xiàn)，不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全可能在LTCC器件上產(chǎn)生高的熱應(yīng)力并造成瓷體斷裂。本文以一種LTCC耦合器為例，采用有限元分析方法研究這類結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布和變化特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。為簡化分析，將LTCC元件簡化為規(guī)則的長方體，圖2為所建立的三維有限元模型，根據(jù)國軍標(biāo)GJB548?96中的溫度循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模擬溫循過程中應(yīng)力大小和分布。溫度范圍：-65～150 ℃，保持時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)換時(shí)間1 min。

在模型中均采用蠕變和塑性統(tǒng)一的Anand模型來描述釬料的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，其具體形式為[4]：

[εp=Asinhξσs1mexp-QRT] （1）

[s=h0BaBBεp] （2）

[B=1-ss*] （3）

[s*=sεpAexpQkTn] （4）

式中：[So]為初始形變阻抗；[Q]為激活能；[R]為氣體常數(shù)；[A]為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；[ξ]為應(yīng)力乘子；[h0]為硬化/軟化系數(shù)；[m]為應(yīng)變率敏感指數(shù)；[s]為形變阻抗飽和值；[n]為指數(shù)；[α]為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。具體參數(shù)[5?6]見表1。模型中其余材料參數(shù)[7?8]見表2。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中由于認(rèn)為較厚的陶瓷基板和墊板具有較高的可靠性，因此習(xí)慣陶瓷基板和鉬銅墊板均采用1 mm厚度，而鋁合金外殼底部厚度則在2～4 mm之間。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理先需驗(yàn)證。假設(shè)氧化鋁陶瓷基板尺寸為22 mm×18 mm×1 mm，鉬銅過渡墊板與陶瓷基板等尺寸，厚度也為1 mm，鋁合金外殼尺寸47 mm×40 mm，厚度為2.5 mm，計(jì)算該結(jié)構(gòu)在溫循過程中的熱應(yīng)力。陶瓷等脆性材料最主要的斷裂模式是在拉應(yīng)力作用下的Ⅰ型張開型裂紋擴(kuò)展斷裂[9]。因此，分析時(shí)主要以結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力（即最一主應(yīng)力）作為可靠性評價(jià)指標(biāo)。由于LTCC器件、陶瓷基板和墊板的熱膨脹系數(shù)均比鋁合金材料小，非平衡的熱應(yīng)力導(dǎo)致附加彎矩作用。在溫循低溫時(shí)刻，結(jié)構(gòu)整體向結(jié)構(gòu)內(nèi)部凹陷，LTCC器件和基板承受彎曲變形，上表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖3所示。圖4和圖5分別為LTCC器件和陶瓷基板的最大拉應(yīng)力云圖，二者在上表面均出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。

進(jìn)一步改變了外殼底部厚度、陶瓷基板厚度和鉬銅墊板厚度，形成不同的配比組合，計(jì)算相同條件下的熱應(yīng)力，應(yīng)力分析結(jié)果列于表3中。

對比第1組和第2組結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，采用薄的外殼底厚（1 mm）相比采用較厚的外殼底厚（2.5 mm），LTCC器件最大拉應(yīng)力有所降低，但仍然較高，同時(shí)其下的陶瓷基板最大拉應(yīng)力增加，即陶瓷基板開裂的傾向增大，而且過薄的盒體在焊接后或溫循過程中容易變形，不利于其他基板、元件的組裝和可靠性。第3組結(jié)構(gòu)去掉了鉬銅墊板，LTCC器件的應(yīng)力峰值變化不大，而陶瓷基板的拉伸應(yīng)力有了較明顯的降低。但由于陶瓷基板與鋁合金熱膨脹系數(shù)相差很大，陶瓷基板與鋁合金外殼之間的界面焊料層剪切應(yīng)力明顯增大，即結(jié)構(gòu)在服役過程中承受溫度多次交變載荷后，焊料層開裂或者界面分層可能性大大增加。

注：厚度比例=盒底厚度[∶]（LTCC厚度+基板厚度+墊板厚度）

第4組結(jié)構(gòu)采用了厚度為0.4 mm的陶瓷基板和厚度為0.2 mm的墊板，陶瓷基板應(yīng)力明顯減小，但LTCC元件應(yīng)力不降反升。第5組結(jié)構(gòu)相比第4組外殼底部厚度由2.5 mm增加至5 mm，此時(shí)LTCC元件應(yīng)力才明顯減低。綜合上述分析：減小基板和墊板厚度，同時(shí)增加封裝盒底厚度，即增加盒體厚度與基板、元件的厚度比，可以同時(shí)明顯降低LTCC元件和陶瓷基板的應(yīng)力，提高這類結(jié)構(gòu)的可靠性。從結(jié)果來看，外殼底部厚度與LTCC器件、基板和墊板厚度之和的比例要達(dá)到2[∶]1以上。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證有限元分析，進(jìn)行了鋁合金外殼封裝LTCC耦合器全焊接結(jié)構(gòu)的溫度循環(huán)試驗(yàn)。耦合器的尺寸為14 mm×12 mm×1.9 mm，耦合器下方基板為96%氧化鋁陶瓷基板，尺寸為20 mm×16 mm×1 mm，鉬銅墊板與之等尺寸，厚度為0.5 mm。鋁合金盒體底厚為4 mm。試驗(yàn)數(shù)量為40只，溫度循環(huán)試驗(yàn)按《GJB548B?微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中1010方法相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。溫度循環(huán)條件：-55～125 ℃，高低溫保持時(shí)間均為30 min，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1 min，試驗(yàn)設(shè)備為富奇VT7006S2高低溫試驗(yàn)箱，試驗(yàn)共進(jìn)行100次循環(huán)，試驗(yàn)完成后用顯微鏡目檢LTCC耦合器和陶瓷基板是否出現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，LTCC耦合器出現(xiàn)斷裂，開裂的比例為17.5%，陶瓷基板無斷裂現(xiàn)象。仍采用等尺寸的96%氧化鋁陶瓷基板，但厚度改為0.4 mm，鉬銅墊板厚度改為0.2 mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，進(jìn)行了相同條件的溫度循環(huán)試驗(yàn)，40個(gè)樣品中均未出現(xiàn)LTCC耦合器或陶瓷基板斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，降低陶瓷基板與墊板厚度，即改變各層厚度比確實(shí)可以降低LTCC器件應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)可靠性。

4 結(jié) 論

本文通過有限元方法研究了在鋁合金封裝外殼中焊接大尺寸陶瓷類元件（如LTCC元件，介質(zhì)濾波器等）的應(yīng)力優(yōu)化問題。研究發(fā)現(xiàn)，盒底厚度與其上各層結(jié)構(gòu)（包括墊板，陶瓷基板和LTCC元件）厚度的不合理匹配會(huì)導(dǎo)致陶瓷元件在溫循過程中產(chǎn)生過大拉應(yīng)力，進(jìn)而開裂。合理的設(shè)計(jì)原則應(yīng)是減小墊板和陶瓷基板厚度，而把空間用于增加盒底厚度，盒底厚度至少是陶瓷元件、基板和墊板厚度之和的2倍以上。

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