LTCC微波組件層壓工藝綜合應(yīng)力仿真分析

陰奔野，吳兆華

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

LTCC微波組件層壓工藝綜合應(yīng)力仿真分析

陰奔野，吳兆華

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

為了改善LTCC微波組件的機(jī)械性能，采用ANSYS軟件建立LTCC微波組件的三維有限元仿真分析模型，選擇對(duì)層壓工藝影響較大的壓力、層壓時(shí)間和溫度3個(gè)工藝參數(shù)，對(duì)LTCC層壓工藝進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合有限元仿真，分析微波組件層壓過程中的應(yīng)力分布情況及綜合應(yīng)力。分析結(jié)果表明，層壓工藝參數(shù)對(duì)綜合應(yīng)力影響為：壓力影響最顯著，時(shí)間次之，溫度影響較小。通過仿真分析得到合理的層壓工藝參數(shù)為壓力21MPa、時(shí)間16min和溫度70℃，可以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高LTCC微波組件的機(jī)械性能。

LTCC微波組件；層壓；工藝參數(shù)；綜合應(yīng)力

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)是一種先進(jìn)的無(wú)源集成及混合電路封裝技術(shù)，它不僅能夠?qū)㈦娮琛㈦娙莺碗姼腥鬅o(wú)源元器件封裝于一體，還能與IC電路模塊集成為完整的電路系統(tǒng)。由于LTCC技術(shù)具有良好的高頻特性、工藝相容性及高速傳輸特性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，已日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。

LTCC微波組件制造過程的層壓工藝參數(shù)包括壓力、時(shí)間和溫度，然而由于溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的共同作用，疊層生瓷片容易發(fā)生變形和分層，會(huì)造成層間錯(cuò)位而影響組件的機(jī)械性能［2］，同時(shí)微波組件中的散熱微通道會(huì)因受力不均而產(chǎn)生變形。綜合應(yīng)力是

判斷微波組件成型質(zhì)量好壞的指標(biāo)，而層壓過程中壓力、時(shí)間和溫度對(duì)綜合應(yīng)力影響較大，鑒于此，采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)層壓工藝進(jìn)行仿真分析，得到壓力、時(shí)間和溫度3個(gè)層壓工藝參數(shù)對(duì)微波組件綜合應(yīng)力的影響規(guī)律，以達(dá)到指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

1 層壓工藝簡(jiǎn)介

LTCC層壓成型通常采用單軸壓和等靜壓工藝，其區(qū)別在于層壓壓力的加載方式與效果不同。單軸壓工藝采用上、下2個(gè)加熱平板單向加熱加壓，設(shè)備簡(jiǎn)單，加壓快，但很難保證加壓過程中壓力的均勻加載。層壓壓力不均勻會(huì)導(dǎo)致材料密度的不均勻，從而導(dǎo)致后期燒結(jié)過程中收縮不一致［3］。溫水等靜壓是利用帕斯卡原理，將被加工物體置于盛滿液體的密閉容器中，通過增壓系統(tǒng)對(duì)物體的各個(gè)表面施加相等的壓力，使其密度增大，從而改善物理性質(zhì)。目前LTCC溫水等靜壓壓力均勻，壓合效果最好，為最常用的層壓工藝［4］。溫水等靜壓工藝是一個(gè)熱與力的耦合作用過程，主要考慮層壓溫度、層壓壓力和層壓時(shí)間這3個(gè)工藝參數(shù)。溫水等靜壓系統(tǒng)如圖1所示［］。

圖1 層壓機(jī)壓力系統(tǒng)Fig.1 Pressure system in lamination process

2 仿真模型

LTCC微波組件模型采用25層Ferro體系的LTCC材料進(jìn)行制作，生瓷帶尺寸為40mm×40mm ×0.127mm，主流道尺寸為36mm×2.2mm，分流道尺寸為30.2mm×1mm，主流道和分流道分別制作好后堆疊在一起，主流道在分流道上方形成連通。微通道填充物采用聚丙烯碳酸鹽材料，尺寸為30.1 mm×0.9mm，層壓過程起支撐作用，防止微通道變形，在燒結(jié)排膠期揮發(fā)。微波組件的幾何模型如圖2所示，微通道填充材料模型如圖3所示，幾何模型尺寸如表1所示。

圖2 微波組件幾何模型Fig.2 Geometric model of microwave component

圖3 填充材料模型Fig.3 The model of filling material

表1 幾何模型尺寸Tab.1 The size of geometric model mm

仿真過程采用有限元分析軟件ANSYS，單元采用能模擬粘彈性力學(xué)行為的185單元，劃分網(wǎng)格后的微波組件模型如圖4所示。

圖4 LTCC微波組件有限元網(wǎng)格模型Fig.4 The finite element mesh model of LTCC microwave component

3 仿真分析

3.1 層壓工藝仿真結(jié)果分析

所選用的生瓷片材料為Ferro-A6M。生瓷片的力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)erro-A6M具有明顯的粘彈性。由相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知，采用麥克斯威爾模型的應(yīng)力松弛模型能很好地描述Ferro-A6M的力學(xué)特性［6］。Ferro-A6M應(yīng)力隨松弛時(shí)間變化曲線如圖5所示，其函數(shù)公式為：

各向同性的粘彈性本構(gòu)方程［7］為：

其中：σ為應(yīng)力；G（t）為剪切松弛核函數(shù)；K（t）為體積松弛核函數(shù)；e為剪切變形；Δ為體積變形；t為當(dāng)前時(shí)間；τ為過去時(shí)間；I為單位張量。

圖5 Ferro-A6M應(yīng)力隨松弛時(shí)間變化關(guān)系Fig.5 Ferro-A6Mstress change with time

LTCC層壓工藝主要考慮壓力、時(shí)間和溫度3個(gè)工藝參數(shù)，通過有限元仿真分析典型工藝參數(shù)下LTCC微波組件應(yīng)力分布情況以及多層LTCC基板在層壓過程中綜合應(yīng)力的變化規(guī)律。典型的層壓工藝參數(shù)組合為：壓力21MPa，時(shí)間16min，溫度70℃。仿真結(jié)束后提取微波組件和微通道填充物的位移云圖分別如圖6、7所示。

從圖6可看出，層壓過程中生瓷片中間部位位移最小，邊緣位移最大，為1.373mm。從圖7可看出，填充物四周產(chǎn)生約1.25mm的位移量，表明微通道附近由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致微通道變形。結(jié)合位移云圖，對(duì)微波組件在層壓過程中的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，得到微波組件和微通道填充物的等效應(yīng)力分布云圖如圖8、9所示。

圖6 微波組件的位移云圖Fig.6 Displacement cloud of microwave component

圖7 微通道填充物的位移云圖Fig.7 Displacement cloud of micro channel packing

圖8 微波組件的等效應(yīng)力云圖Fig.8 Von Mises stress cloud of microwave component

圖9 微通道填充物的等效應(yīng)力云圖Fig.9 Von Mises stress cloud of micro channel packing

從圖8、9可看出，無(wú)微通道的生瓷片殘留應(yīng)力較小，微通道周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，最大應(yīng)力可達(dá)7.47MPa，微通道填充物四周也產(chǎn)生較大應(yīng)力，約4.5MPa，這也是導(dǎo)致微通道變形的主要原因。

微波組件上的溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力用坐標(biāo)應(yīng)力的形式表示，將這2種應(yīng)力按照位置和時(shí)間疊加，并且以等效應(yīng)力的形式表示，得到作用在微波組件上的綜合應(yīng)力［8］：

其中：σi＝σiw＋σij；τi＝τiw＋τij；w為溫度應(yīng)力；j為機(jī)械應(yīng)力。

LTCC層壓過程中，壓力對(duì)綜合應(yīng)力的影響最顯著，壓力過大會(huì)導(dǎo)致微通道的變形甚至塌陷，壓力過小會(huì)產(chǎn)生分層、層間錯(cuò)位或起泡等缺陷。

LTCC層壓過程疊片中熱量的傳遞和物質(zhì)的流動(dòng)是一個(gè)時(shí)間過程，隨著時(shí)間的推移，由于壓力的持續(xù)作用，使層與層之間的粉體從局部咬合達(dá)到完全咬合，疊片從局部受熱變?yōu)檎w受熱，層與層之間的有機(jī)物從部分融合達(dá)到完全融合，此時(shí)層與層之間的物質(zhì)流動(dòng)才能達(dá)到平衡。疊片的層與層之間機(jī)械咬合力和相互膠黏作用隨時(shí)間的增加而增大，并最終達(dá)到平衡。所以隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，生坯的結(jié)合效果會(huì)不斷提高，結(jié)合越來越緊密，同時(shí)微通道附近會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致微通道微弱的形變。

另外，隨著溫度的升高，生坯的軟化程度不斷增大，其流動(dòng)性和黏性也不斷提高，此時(shí)層與層之間的粘結(jié)劑等有機(jī)物的相互膠黏作用增大，其結(jié)合也越來越緊密。層壓溫度過高，內(nèi)部填充物會(huì)軟化，對(duì)微通道的支撐作用減弱，造成微通道附近應(yīng)力集中比較凸顯，產(chǎn)生一定形變，因此層壓溫度一般保持在70℃左右。

層壓過程中，通過調(diào)整壓力、時(shí)間和溫度3個(gè)工藝參數(shù)能避免如圖10所示的開裂、分層、錯(cuò)位、起泡和塌陷等缺陷的產(chǎn)生［9］。

圖10 LTCC層壓過程的5種失效現(xiàn)象LTCCFig.10 Five kinds of failure phenomenon of lamination process

3.2 層壓工藝參數(shù)對(duì)綜合應(yīng)力的影響

通過在典型工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上單獨(dú)改變壓力、時(shí)間和溫度3個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真，研究層壓工藝參數(shù)對(duì)LTCC微波組件綜合應(yīng)力的影響。壓力取15、18、21、24MPa，時(shí)間取8、12、16、20min，溫度取50、60、70、80℃，得到各工藝參數(shù)下綜合應(yīng)力的變化如圖11所示。

圖11 層壓過程中各工藝參數(shù)對(duì)綜合應(yīng)力的影響Fig.11 Influence of various process parameters on the comprehensive stress in lamination

從圖11可看出，層壓過程中綜合應(yīng)力呈持續(xù)增大的趨勢(shì)，但不同工藝參數(shù)對(duì)綜合應(yīng)力的影響大小不同。從圖11（a）可看出，層壓壓力對(duì)綜合應(yīng)力的影響最突出，綜合應(yīng)力與層壓壓力基本呈線性關(guān)系，壓力越大，綜合應(yīng)力越大。從圖11（b）可看出，層壓時(shí)間對(duì)綜合應(yīng)力也有一定影響，當(dāng)層壓時(shí)間為12～16 min時(shí)，綜合應(yīng)力比較穩(wěn)定，約42MPa，層壓時(shí)間過長(zhǎng)，綜合應(yīng)力會(huì)持續(xù)增大，19min時(shí)達(dá)到45MPa。從圖11（c）可看出，層壓溫度對(duì)綜合應(yīng)力的影響最小，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，綜合應(yīng)力最大，約47MPa，溫度超過70℃，綜合應(yīng)力逐漸減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用ANSYS仿真分析了LTCC微波組件在層壓過程中應(yīng)力的分布情況和綜合應(yīng)力的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，層壓過程中整個(gè)組件的綜合應(yīng)力呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，微通道附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯。層壓壓力對(duì)綜合應(yīng)力的影響最顯著，通過調(diào)整層壓工藝參數(shù)，控制層壓壓力為21MPa，層壓時(shí)間為16 min，層壓溫度為70℃，可有效降低綜合應(yīng)力，并保證生瓷帶充分壓合，獲得成型質(zhì)量良好的微波組件。

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編輯：張所濱

Simulation analysis of comprehensive stress change regularity in the lamination process of LTCC microwave component

YIN Benye，WU Zhaohua
（School of Mechatronic Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to improve the mechanical properties of LTCC microwave component，the 3Dfinite element simulation analysis model of LTCC microwave component is constructed by ANSYS software，the lamination process simulation chooses three process parameters like the pressure，pressure time and temperature to analyze the stress distribution and comprehensive stress change rule in the process of lamination.The research shows that the stress has the most significant influence，pressure time has less influence and temperature is the least significant influence factor.A set of reasonable lamination process parameters are obtained by simulation analysis：the pressure is 21MPa，the pressure time is 16min，the temperature is 70℃，which can avoid the stress concentration phenomenon effectively，and improve the mechanical performance of microwave component.

LTCC microwave component；lamination；technological parameter；comprehensive stress

TN605

：A

：1673-808X（2016）05-0426-05

2016-03-05

國(guó)防973項(xiàng)目“多能量＊＊＊研究”

吳兆華（1959-），女，江西南昌人，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、微電子表面組裝技術(shù)。E-mail：emezdj＠guet.edu.cn

陰奔野，吳兆華.LTCC微波組件層壓工藝綜合應(yīng)力仿真分析［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：426-430.