密封測試中蓋板結構對器件應力影響的有限元分析

趙 博，郭懷新，程 凱，王子良

（南京電子器件研究所，南京 210016）

密封測試中蓋板結構對器件應力影響的有限元分析

趙 博，郭懷新，程 凱，王子良

（南京電子器件研究所，南京 210016）

針對器件在密封檢測過程中的失效現(xiàn)象，采用ABAQUS有限元模擬軟件，建立失效器件外殼的密封試驗三維仿真模型，分別對失效結構封裝件和改進結構封裝件進行密封測試環(huán)境下的應力計算分析。計算結果從理論上解釋了失效結構在密封試驗時易出現(xiàn)嚴重的因瓷件微裂紋或開裂引起的失效現(xiàn)象。蓋板的結構直接影響外殼整體應力的形式，通過結構調(diào)整，封裝件薄弱區(qū)（外殼瓷件區(qū)域）的拉應力僅為原結構的63.3%，表明通過蓋板結構的改進可有效避免該類失效現(xiàn)象，對封裝可靠性的設計有一定的指導意義。

封裝；應力；有限元；可靠性

1 引言

對于高可靠微電子器件，密封要求是其高可靠性能的關鍵因素之一，而對于一個需要采用大腔體比（腔體比：內(nèi)腔體積與外殼總體積的比）結構外殼進行封裝的高可靠器件，其密封用蓋板的結構對產(chǎn)品可靠性具有極為重要的影響[1～3]。密封用蓋板不僅起到隔絕外部環(huán)境對腔內(nèi)芯片的影響，同時對器件也起到承載外部載荷及機械支撐的作用。因而蓋板的結構設計會直接影響器件的氣密性及抗外部環(huán)境載荷能力。在器件進行氣密性篩選過程中，在受到規(guī)定的外部氣體壓力作用下，往往出現(xiàn)蓋板變形、瓷件微裂紋甚至開裂等現(xiàn)象，導致器件漏氣、性能失效，這是大腔體比外殼器件在密封檢驗及后續(xù)應用過程中急需解決的重要問題之一。然而，該密封試驗過程中封裝件受力分布形態(tài)的測試分析極為困難，僅依據(jù)密封檢測結果去理論評估，尚未有統(tǒng)一的分析標準。因而，利用數(shù)值方法對密封試驗過程中封裝件的受力形態(tài)進行理論分析就成為一種潛在的有效方法，目前尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外的相關報道。

本文針對封裝件在密封檢測過程中的失效現(xiàn)象，首次采用有限元方法建立密封試驗三維仿真模型，模擬封裝件失效結構和改進結構的密封檢測試驗，計算和分析封裝件在密封檢測條件下整體結構的受力形式和分布狀態(tài)，評估不同結構設計對蓋板及瓷件的受力分布和形式的影響，從理論上解釋上述失效產(chǎn)生的原因，并通過改進前后外殼受力結果的比較，證明不同結構的蓋板對器件可靠性的影響。合理的蓋板結構對解決密封檢測中的失效問題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 幾何模型

本文為了分析密封試驗過程中封裝件受力分布和受力形式，從理論上解釋和確認密封測試失效的原因，采用實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)密封檢測失效的微波器件用外殼，其外殼下組件結構和蓋板結構設計如圖1所示，蓋板在設計的時候考慮平行縫焊工藝的要求，蓋板封接區(qū)（即蓋板和外殼框架的焊接面）厚度設計為0.1 mm，考慮蓋板平行封裝的定位及對環(huán)境承載的可靠性，將蓋板的非封接區(qū)厚度設計為下凸起結構，厚度為0.4 mm。其中整體的外殼材料設計為底座和框架材料均采用鐵鈷鎳合金（4J29），瓷件材料采用95%氧化鋁陶瓷，蓋板材料采用鐵鎳合金（4J42）。

如圖1結構設計的封裝件在實際密封試驗檢測時，70%的器件出現(xiàn)因蓋板變形、外殼瓷件微裂紋及開裂等現(xiàn)象導致的失效，經(jīng)過分析其原因是由于外殼蓋板承載外界作用力導致變形，對側壁形成某一方向的擠壓或拉伸應力，瓷件作為脆性材料，在整個外殼結構中屬于抗應力薄弱區(qū)域，因而當因蓋板受力引起的側壁受拉或受壓的應力大于其承載能力時，瓷件就產(chǎn)生微裂紋和開裂。

圖1 大腔體比外殼的結構示意圖

這種失效的產(chǎn)生與器件封裝結構設計尤其是蓋板的結構設計息息相關，通過進行不同結構蓋板的封裝試驗，發(fā)現(xiàn)完全可以避免該失效現(xiàn)象的產(chǎn)生。為解決失效問題，在平行縫焊蓋板的設計上進行改進，采用凸起面朝上（如圖2）的蓋板結構，為了增加模擬的可對比性，其蓋板的物理尺寸和圖1設計完全一致。經(jīng)試驗驗證，圖2的封接結構可有效解決圖1結構的失效問題。為了解釋其原因，清晰認識在密封過程中外殼的應力分布和形態(tài)，本文針對圖1和圖2兩種結構的外殼進行了密封試驗的三維有限元建模分析。

圖2 改進后的外殼結構示意圖

2.2 計算模型

在運用有限元法分析微電子外殼密封試驗過程時，仿真計算的可行性以及計算結果的準確性取決于創(chuàng)建計算模型的合理性，因而本文依據(jù)密封試驗的條件對封裝件結構和檢測過程進行了合理的理論化假設。本文利用ABAQUS有限元軟件，采用靜水壓模式的計算模型，該計算模式可以有效仿真密封試驗過程中的大氣壓載荷[4～6]。首先假設電子器件在密封檢驗過程中，試樣所受到的特定的環(huán)境壓力為蓋板表面的靜水壓，蓋板的垂直法線方向為Z軸，蓋板上表面為靜水壓力的作用面，其壓力就定為器件加壓檢驗時國軍標規(guī)定的3個大氣壓，外殼底座的底面為靜水壓零應力狀態(tài)點；其次假設在整個密封試驗過程中鐵鈷鎳合金、鐵鎳合金及氧化鋁陶瓷等外殼材料均為理想的線彈性[4～8]，在整個計算過程中不發(fā)生塑性變形，計算用的物理參數(shù)如表1所示；最后假設底座、框架、瓷件和蓋板的界面接觸為理想封接[7～10]。計算過程將整個外殼幾何模型作為求解區(qū)域，加壓時間為2 h，環(huán)境溫度為常溫條件，由于該外殼為對稱結構，為了更直觀地分析其內(nèi)部應力分布形式，其應力分布結果采取二分之一視圖結構進行分析，分析結果為120 s時的受力狀態(tài)。

表 1 材料物理性能

3 結果與分析

在對瓷件微裂紋和開裂的失效現(xiàn)象進行分析時，如果采用等效的應力模式（總應力），由于陶瓷材料的抗拉和抗壓能力相差很大，無法直觀體現(xiàn)其拉、壓應力分量，難以作為失效的判斷依據(jù)，因此模擬結果采用S11、S22和S33的主應力模式來進行分析。首先對整體外殼的受力分布及形式進行模擬，分析結構改進前后外殼的抗承載能力。其次對蓋板的受力情況詳細分析，其直接影響外殼的承載能力及應力薄弱區(qū)（瓷件）的受力情況；最后對瓷件進行模擬分析，從理論上解釋失效的原因。

通過對圖1和圖2兩種結構的封裝形式模擬計算發(fā)現(xiàn)，不同蓋板結構封裝形式，外殼整體受力分布大體類似，主要集中于蓋板中心和瓷件區(qū)域，但所受的應力形式則有很大不同。如圖3所示，顯示當蓋板凸面向下時最大拉應力（圖中應力值為正）高達783.9 MPa，出現(xiàn)在瓷件上，最大壓應力（圖中應力值為負）為527.4 MPa，出現(xiàn)在蓋板上；當蓋板凸面向上時最大拉應力同樣出現(xiàn)在瓷件上，但僅為482.9 MPa，比蓋板凸面向下結構下降了38.4%，如圖4所示；同時當變形量（deformation scale factor）值設為1時，發(fā)現(xiàn)圖4的蓋板變形要比圖3結構的蓋板變形量小很多，說明圖2結構的封接形式承受外載荷的能力更強。

為了更為透徹地解釋外殼抗承載能力，對蓋板進行了應力分析，結果如圖5和圖6。發(fā)現(xiàn)當蓋板凸面向下結構時，蓋板上表面為壓應力，中心區(qū)域最大壓應力為527.4 MPa，下表面為拉應力，封接區(qū)域也為拉應力，最大拉應力為571.3 MPa，結果如圖5所示；當蓋板凸面向上結構時，蓋板上表面為壓應力，封接區(qū)域為壓應力，中心區(qū)域最大壓應力為535.4 MPa，下表面為拉應力，最大拉應力為482.9 MPa，結果如圖6所示。計算結果顯示，蓋板凸面向上時，所受的拉應力小，蓋板形變量也小，說明該結構承受外界載荷的能力更高，可靠性更好。

圖3 失效結構外殼應力分布及形式

圖4 結構改進后外殼應力分布及形式

圖5 蓋板應力分布及形式

圖6 結構改進后蓋板應力分布及形式

這種封接區(qū)域的應力分布及形式直接影響到外殼薄弱區(qū)——瓷件的受力形式。通過進一步分析瓷件的受力分布狀態(tài)，可以清楚地看到應力形式及量的變化，鑒于6個瓷件的受力形式及大小幾乎完全一致，選取其中一個瓷件作為整體分析，其計算結果如圖7和圖8所示。

當蓋板凸面向下結構時，瓷件的腔外表面受拉應力，最大為760.8 MPa，腔內(nèi)表面受壓應力，最大為507.3 MPa，如圖7所示。這是由于這種結構的封裝，蓋板的封接區(qū)受到拉應力，從而使得側墻受到向腔內(nèi)方向的拉力，導致瓷件外表面為拉應力，內(nèi)表面為壓應力。

當蓋板凸面向上結構時，瓷件的腔外表面是壓應力，最大為677.2 MPa，腔內(nèi)表面受拉應力，最大為481.3 MPa，如圖8所示。這是由于這種結構的封裝，蓋板的封接區(qū)受到壓應力，從而使得側墻受到向腔外方向的拉力，導致瓷件外表面為壓應力，內(nèi)表面為拉應力。

圖7 陶瓷絕緣子應力分布及形式

圖8 結構改進后陶瓷絕緣子應力分布及形式

封裝的薄弱環(huán)節(jié)為外殼的瓷件區(qū)域，陶瓷材料的抗壓性一般是抗拉性的5～10倍，因而，降低薄弱環(huán)節(jié)的拉應力成為提高封裝可靠性的重要方向。通過對這兩種結構產(chǎn)品進行有限元分析、對比發(fā)現(xiàn)，蓋板凸面向上結構的封裝，瓷件的最大拉應力相比于蓋板凸面向下結構封裝的最大拉應力降低了36.7%，因而很好地解釋了采用蓋板凸面向下結構的封裝產(chǎn)品在密封試驗時出現(xiàn)大批量的因外殼瓷件微裂紋或開裂引起的失效現(xiàn)象。

4 結論

瓷件的受力形式完全相反，受到的最大拉應力下降了36.7%，外殼抗承載能力顯著增強。計算結果從理論上解釋了蓋板凸面向下結構的封裝產(chǎn)品在密封試驗時易出現(xiàn)嚴重的因瓷件微裂紋或開裂引起的失效現(xiàn)象，同時為外殼的相似密封試驗仿真提供了借鑒，為優(yōu)化蓋板結構設計、提高外殼可靠性提供理論依據(jù)。

[1] MABar-Cohen. On-chip thermal management of nanoelectronic hot sports[C]. Portland, OR, ASME interpack conference , 2011.

[2] Chris Hobbs, Wei-Yip Loh, KeremAkarvardar. CMOS scaling beyond FinFETs： Nanowires and TFETs[C]. Tokyo, SEMATECH symposium. 2011.

[3] KN Tu. Reliability challenges in 3D IC packaging technology[J]. Microelectronics Reliability, 2011, (51)：517-523.

[4] 栗明，許金泉. 殘余應力對壓力容器破壞模式的影響分析[J]. 力學季刊，2007，1(28)： 92-97.

[5] 尤佳，魯濱. 基于ABAQUS的碟形封頭的應力分析與安全評定[J]. 化工安全與環(huán)境，2004，4： 21-22.

[6] 徐兵. 基于Abaqus的催化器總成熱循環(huán)應力分析[J]. 計算機輔助工程，2013，22(2)： 95-97.

[7] Yap Boon Kar, Noor AzrinaTalik. Finite element analysis of thermal distributions of solder ball in flip chip ball grid array using ABAQUS[J]. Microelectronics International, 2013, 1(30)： 14-18.

[8] J W Park, P F Mendez, T W Eagar. Strain energy distribution in ceramic to metal joints[J]. Acta Materialia, 2002, 50：883-899.

[9] 李新宇，高隴橋，魯燕萍，劉征. 氮化鋁與柯伐封接件有限元應力分析[J]. 真空電子技術，2009： 75-77.

[10] 陳玉博，李志安，戴玉龍. 內(nèi)壓圓筒上矩形大開孔接管三維有限元分析與強度評定[J]. 沈陽化工學院學報，2007，21(4)：296-299.

本文創(chuàng)造性地利用ABAQUS有限元軟件建立了密封試驗三維仿真模型, 分別針對改進前后不同蓋板結構的封裝，計算和分析外殼在密封檢測條件下整體結構的受力形式和應力分布狀態(tài)，評估不同結構設計對蓋板及瓷件的受力分布和形式的影響。通過外殼整體受力分析，結果顯示，改進蓋板后，外殼

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

TN305.94, TG115

A

1681-1070（2015）08-0009-04

趙 博（1982—），男，重慶人，2005年獲南京理工大學學士學位，2010年獲東南大學工程碩士學位，就職于南京電子器件研究所，主要研究方向為GaAs器件與封裝。

2015-6-2