新型3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的可靠性模擬研究

徐 達(dá)，白 銳，常青松，楊彥峰

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新型3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的可靠性模擬研究

徐 達(dá)，白 銳，常青松，楊彥峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

基于混合IC、多層基板堆疊及微組裝技術(shù)，提出一種新的3D射頻系統(tǒng)封裝形式，其集成度高、可重構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)系列化，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，這種封裝結(jié)構(gòu)在溫度循環(huán)和機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中具有較高的可靠性。根據(jù)結(jié)構(gòu)方案組裝的試驗(yàn)樣品，在經(jīng)歷200個(gè)溫度循環(huán)（–55~+125℃）和5 000 g恒定加速度試驗(yàn)后性能測(cè)試正常。

封裝；射頻；三維；微組裝；可靠性；有限元分析

隨著雷達(dá)、通訊系統(tǒng)的快速發(fā)展，要求電子系統(tǒng)向更高集成度、更小尺寸、更高性能和更高可靠性發(fā)展，原有基于單層基板的2D設(shè)計(jì)和工藝已不能滿足發(fā)展的需要[1]。對(duì)于微電路模塊層面，單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit， MMIC)、系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip, SOC）和各類多層基板的發(fā)展和進(jìn)步，為超高集成度的3D射頻系統(tǒng)發(fā)展創(chuàng)造了條件[2]。本文基于混合IC、多層陶瓷基板堆疊及微組裝工藝，首次提出一種新的3D射頻系統(tǒng)封裝形式，能低成本實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)層面的復(fù)雜功能集成。采用有限元分析方法系統(tǒng)分析了其結(jié)構(gòu)可靠性并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該3D封裝結(jié)構(gòu)有望為高集成度、高可靠3D射頻微系統(tǒng)發(fā)展開(kāi)辟新的技術(shù)路徑。

1 新型3D射頻封裝結(jié)構(gòu)

圖1為3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。采用高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic，HTCC）或低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）一體化集成封裝，將一部分電源、控制或無(wú)源元器件集成于封裝基板中，上兩層基板可以采用共燒陶瓷基板或薄膜陶瓷基板，通過(guò)微組裝工藝集成各類芯片和元器件，再通過(guò)焊球?qū)崿F(xiàn)板間垂直互聯(lián)。此結(jié)構(gòu)將電路的固定部分集成于封裝基板中，而將電路的可調(diào)部分集成于上兩層基板，利于實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)與系列化。每層基板均集成有源器件，封裝密度提高至現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)3倍以上。

圖1 3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的示意圖

2 可靠性分析

2.1 熱疲勞可靠性

在微電子系統(tǒng)中，熱機(jī)械疲勞性能是評(píng)估系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，但此類評(píng)價(jià)試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，過(guò)程影響因素眾多，采用仿真分析方法無(wú)疑是更為高效的評(píng)估手段。本文采用有限元方法分析3D封裝結(jié)構(gòu)在加速熱循環(huán)測(cè)試中焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程，結(jié)合相應(yīng)可靠性預(yù)測(cè)模型評(píng)估其可靠性。

2.1.1 有限元模型

圖2為所建立的有限元模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算量，采用1/4對(duì)稱模型。封裝尺寸為14 mm×14 mm，堆疊基板尺寸12 mm×10.4 mm。假設(shè)整個(gè)模型在加速試驗(yàn)中整體隨環(huán)境溫度變化，內(nèi)部沒(méi)有溫度梯度。加載的熱循環(huán)試驗(yàn)條件為：–65~+150℃，保持時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)換時(shí)間5 min。對(duì)于焊球材料，不同的壽命預(yù)測(cè)模型及參數(shù)，對(duì)應(yīng)不同的本構(gòu)模型及參數(shù)，二者必須配合使用。Syed[3]采用的無(wú)鉛焊料本構(gòu)模型與壽命預(yù)測(cè)策略取得了很好的精度（±25%以內(nèi)），采用的是雙曲正切穩(wěn)態(tài)蠕變模型，如公式（1）所示[4]。

圖2 1/4對(duì)稱有限元模型

表1 焊球蠕變模型參數(shù)[4]

Tab.1 Creep model of solders[4]

除焊球材料外，本文模型中均采用線彈性模型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料參數(shù)[4-5]

Tab.2 Material parameters[4-5]

2.1.2 壽命預(yù)測(cè)模型

基于能量法的壽命預(yù)測(cè)理論認(rèn)為，在熱循環(huán)過(guò)程中焊點(diǎn)產(chǎn)生非彈性應(yīng)變（主要以蠕變應(yīng)變?yōu)橹鳎┬枰哪芰?，而在一個(gè)加載周期內(nèi)的應(yīng)變能增量即（回滯環(huán)）反映了該過(guò)程中所消耗的能量。大部分能量轉(zhuǎn)化形成了熱能，部分能量則可視為對(duì)材料造成損傷，并使之最終失效[6]。熱疲勞壽命預(yù)測(cè)模型將模擬得到的單個(gè)加載周期內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變能增量與實(shí)驗(yàn)得到的失效循環(huán)次數(shù)或裂紋生長(zhǎng)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)聯(lián)系，大多數(shù)都是從Coffin-Manson模型演化而來(lái)。現(xiàn)在已有不少類似壽命預(yù)測(cè)模型[7]。其中Syed[3]的模型取得了較好的預(yù)測(cè)精度，其回歸得到的壽命預(yù)測(cè)模型如公式（2）所示。

式中：f為平均失效壽命，即50%失效率；acc為一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)界面附近平均累積蠕變應(yīng)變能，如公式（3）所示。acc與后處理所用的單元體積相關(guān)，并影響到壽命預(yù)測(cè)模型的回歸參數(shù)，本文與文獻(xiàn)[7]保持一致，取連接界面附近焊球一側(cè)25 μm厚度范圍內(nèi)的體積平均值。

（3）

在已知50%失效率壽命后，可以借助雙參數(shù)Weibull分布函數(shù)估算任意失效率時(shí)的壽命，如公式（4）所示[8]。

形狀參數(shù)一般根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，從已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，一般在3~20，為保守估計(jì)，本文中取=3[3,9]。

2.1.3 結(jié)果與討論

圖3為焊球在加速熱循環(huán)4個(gè)周期后的累積蠕變應(yīng)變能分布。與一般BGA封裝不同的是，蠕變應(yīng)變能最大值（即危險(xiǎn)點(diǎn)）并不在頂角位置，而在稍靠近基板邊緣的互聯(lián)位置。選取危險(xiǎn)互聯(lián)焊球的最大應(yīng)變能點(diǎn)，觀察期應(yīng)力與蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化，如圖4所示。除了第1個(gè)加載周期外，各周期內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)變化和蠕變應(yīng)變?cè)隽繋缀跻恢?，因此采用穩(wěn)定后單個(gè)周期內(nèi)的蠕變應(yīng)變能增量評(píng)估其損傷程度或壽命才成為可能。

圖3 累積蠕變應(yīng)變能分布

圖4 失效位置應(yīng)力與累積蠕變應(yīng)變隨時(shí)間變化

根據(jù)壽命預(yù)測(cè)公式（2）和（4）可以得到該封裝結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)互聯(lián)點(diǎn)取決于不同加載條件和失效率的循環(huán)周期壽命。熱循環(huán)加載條件對(duì)壽命影響非常顯著。在50%失效率時(shí)，在–65~+150℃加載條件下的循環(huán)周次為1 213次，–55~+125℃加載條件下的循環(huán)周次則為1 913次。在1%失效率時(shí)，在–65~+150℃加載條件下的循環(huán)周次為298次，–55~+125℃加載條件下的循環(huán)周次則為469次。

2.2 機(jī)械振動(dòng)可靠性

2.2.1 有限元模型

除熱疲勞可靠性，封裝結(jié)構(gòu)抗機(jī)械振動(dòng)能力也是衡量其可靠性的重要指標(biāo)。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的有限元模型與上述模型有所不同，由于對(duì)稱模型易造成諧振頻率丟失，因此需要采用完整有限元模型。表3為前3階諧振頻率。圖5為封裝結(jié)構(gòu)的第1階振型，表現(xiàn)為封裝的整體扭轉(zhuǎn)變形。由于諧振頻率達(dá)到20 kHz以上，遠(yuǎn)高于通常機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)或工況條件下所能遇到的振動(dòng)頻率，因此盡管封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部未加底部填充膠，仍可以預(yù)計(jì)其具備較高的抗機(jī)械振動(dòng)或沖擊能力。

表3 3D封裝結(jié)構(gòu)的諧振頻率

Tab.3 Resonant frequencies of 3D package

kHz

2.2.2 恒定加速度加載分析

恒定加速度試驗(yàn)是微電子器件的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)方法，主要考察封裝結(jié)構(gòu)及內(nèi)部元件的機(jī)械強(qiáng)度極限值。本文先采用有限元方法模擬這一試驗(yàn)過(guò)程，參照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GJB-548《微電子器件試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與方法》方法2001.1條件B，加載5 000 g加速度。模型加載時(shí)需將加速度轉(zhuǎn)換為慣性力，焊球的本構(gòu)模型則不能再采用上文的穩(wěn)態(tài)蠕變模型，而采用同時(shí)考慮塑性和粘性效應(yīng)的Anand模型。本文采用文獻(xiàn)[10]中的Anand模型參數(shù)，模擬得到在5 000 g恒定加速度作用下，焊球產(chǎn)生的Von Meses等效應(yīng)力和應(yīng)變。圖6為焊球等效總應(yīng)變（彈性和塑性應(yīng)變之和）分布，危險(xiǎn)互聯(lián)位置位于下層互聯(lián)頂角附近靠里一側(cè)，最大應(yīng)變值為9.03×10–4。圖7為SAC305焊料回流焊后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，其拉伸斷裂強(qiáng)度約為40 MPa，拉伸斷裂總應(yīng)變約為0.02[11]。以此為失效判據(jù)，可以預(yù)計(jì)封裝的焊球互聯(lián)結(jié)構(gòu)在恒定加速度試驗(yàn)過(guò)程中是安全可靠的。

圖6 焊球在恒定加速度過(guò)程中的總應(yīng)變分布

圖7 SnAg3.0Cu0.5回流焊后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線[11]

3 結(jié)論

提出一種新的3D射頻封裝結(jié)構(gòu)，結(jié)合混合IC、多層基板及微組裝工藝，可以較低成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能集成，能夠?qū)崿F(xiàn)系列化，且方便進(jìn)行可重構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元分析，結(jié)果表明這種封裝結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性。根據(jù)文中提出的結(jié)構(gòu)方案，組裝了3D射頻模塊樣品。3層陶瓷基板堆疊（封裝本室算作一層基板），通過(guò)焊球?qū)崿F(xiàn)垂直互聯(lián)。經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)（–55~+125℃，保持時(shí)間30 min，轉(zhuǎn)換時(shí)間5 min）200次和恒定加速度試驗(yàn)（5 000 g加載6個(gè)方向，各1 min）后，20個(gè)樣品均性能測(cè)試正常?？煽啃栽囼?yàn)結(jié)果證明了該封裝結(jié)構(gòu)的高度可靠性。該新3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的提出為高集成度、高可靠電子系統(tǒng)的發(fā)展開(kāi)辟了新的技術(shù)路徑。

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（編輯：陳渝生）

Simulation on reliability of new 3D radio frequency package

XU Da, BAI Rui, CHANG Qingsong, YANG Yanfeng

(The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051, China)

Based on hybrid IC, multi-layer substrate and micro-assembly technology, a new RF package was proposed, which has advantages of high integration level, reconfiguration and serialization of products would be achieved easily. Finite element analysis was conducted. Results indicate that the package architecture has high reliability during thermal cycle and mechanical vibration. Experimental samples, based on the package architecture, still have good performance after 200 thermal cycles (–55－+125℃) and 5 000 g constant acceleration test.

package; radio frequency (RF); three-dimensional; micro-assembly; reliability; finite element analysis

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.03.018

TN306

A

1001-2028（2017）03-0088-04

2017-01-02

徐達(dá)

徐達(dá)（1982－），男，黑龍江海倫人，工程師，主要從事微組裝工藝與可靠性研究，E-mail: 13582125021@163.com。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170310.1152.018.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-10 11:52