徐 達，白 銳，常青松，楊彥峰

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新型3D射頻封裝結構的可靠性模擬研究

徐 達，白 銳，常青松，楊彥峰

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

基于混合IC、多層基板堆疊及微組裝技術，提出一種新的3D射頻系統(tǒng)封裝形式，其集成度高、可重構、易于實現(xiàn)系列化，對其進行有限元分析。結果表明，這種封裝結構在溫度循環(huán)和機械振動過程中具有較高的可靠性。根據(jù)結構方案組裝的試驗樣品，在經(jīng)歷200個溫度循環(huán)（–55~+125℃）和5 000 g恒定加速度試驗后性能測試正常。

封裝；射頻；三維；微組裝；可靠性；有限元分析

隨著雷達、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設計和工藝已不能滿足發(fā)展的需要[1]。對于微電路模塊層面，單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit， MMIC)、系統(tǒng)級芯片（System on Chip, SOC）和各類多層基板的發(fā)展和進步，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，能低成本實現(xiàn)整機系統(tǒng)層面的復雜功能集成。采用有限元分析方法系統(tǒng)分析了其結構可靠性并實驗驗證。該3D封裝結構有望為高集成度、高可靠3D射頻微系統(tǒng)發(fā)展開辟新的技術路徑。

1 新型3D射頻封裝結構

圖1為3D射頻封裝結構的示意圖。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，通過微組裝工藝集成各類芯片和元器件，再通過焊球實現(xiàn)板間垂直互聯(lián)。此結構將電路的固定部分集成于封裝基板中，而將電路的可調部分集成于上兩層基板，利于實現(xiàn)可重構與系列化。每層基板均集成有源器件，封裝密度提高至現(xiàn)有產(chǎn)品結構3倍以上。

圖1 3D射頻封裝結構的示意圖

2 可靠性分析

2.1 熱疲勞可靠性

在微電子系統(tǒng)中，熱機械疲勞性能是評估系統(tǒng)可靠性的重要指標，但此類評價試驗成本高、周期長，過程影響因素眾多，采用仿真分析方法無疑是更為高效的評估手段。本文采用有限元方法分析3D封裝結構在加速熱循環(huán)測試中焊點的應力應變過程，結合相應可靠性預測模型評估其可靠性。

2.1.1 有限元模型

圖2為所建立的有限元模型。為簡化計算量，采用1/4對稱模型。封裝尺寸為14 mm×14 mm，堆疊基板尺寸12 mm×10.4 mm。假設整個模型在加速試驗中整體隨環(huán)境溫度變化，內部沒有溫度梯度。加載的熱循環(huán)試驗條件為：–65~+150℃，保持時間30 min，轉換時間5 min。對于焊球材料，不同的壽命預測模型及參數(shù)，對應不同的本構模型及參數(shù)，二者必須配合使用。Syed[3]采用的無鉛焊料本構模型與壽命預測策略取得了很好的精度（±25%以內），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)見表2。

表2 材料參數(shù)[4-5]

Tab.2 Material parameters[4-5]

2.1.2 壽命預測模型

基于能量法的壽命預測理論認為，在熱循環(huán)過程中焊點產(chǎn)生非彈性應變（主要以蠕變應變?yōu)橹鳎┬枰哪芰?，而在一個加載周期內的應變能增量即（回滯環(huán)）反映了該過程中所消耗的能量。大部分能量轉化形成了熱能，部分能量則可視為對材料造成損傷，并使之最終失效[6]。熱疲勞壽命預測模型將模擬得到的單個加載周期內產(chǎn)生的應變能增量與實驗得到的失效循環(huán)次數(shù)或裂紋生長數(shù)據(jù)建立數(shù)學聯(lián)系，大多數(shù)都是從Coffin-Manson模型演化而來?，F(xiàn)在已有不少類似壽命預測模型[7]。其中Syed[3]的模型取得了較好的預測精度，其回歸得到的壽命預測模型如公式（2）所示。

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

（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)估算任意失效率時的壽命，如公式（4）所示[8]。

形狀參數(shù)一般根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到，從已有文獻數(shù)據(jù)來看，一般在3~20，為保守估計，本文中取=3[3,9]。

2.1.3 結果與討論

圖3為焊球在加速熱循環(huán)4個周期后的累積蠕變應變能分布。與一般BGA封裝不同的是，蠕變應變能最大值（即危險點）并不在頂角位置，而在稍靠近基板邊緣的互聯(lián)位置。選取危險互聯(lián)焊球的最大應變能點，觀察期應力與蠕變應變隨時間的變化，如圖4所示。除了第1個加載周期外，各周期內的應力狀態(tài)變化和蠕變應變增量幾乎一致，因此采用穩(wěn)定后單個周期內的蠕變應變能增量評估其損傷程度或壽命才成為可能。

圖3 累積蠕變應變能分布

圖4 失效位置應力與累積蠕變應變隨時間變化

根據(jù)壽命預測公式（2）和（4）可以得到該封裝結構危險互聯(lián)點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)加載條件對壽命影響非常顯著。在50%失效率時，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，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 機械振動可靠性

2.2.1 有限元模型

除熱疲勞可靠性，封裝結構抗機械振動能力也是衡量其可靠性的重要指標。進行動力學分析的有限元模型與上述模型有所不同，由于對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為封裝結構的第1階振型，表現(xiàn)為封裝的整體扭轉變形。由于諧振頻率達到20 kHz以上，遠高于通常機械振動試驗或工況條件下所能遇到的振動頻率，因此盡管封裝結構內部未加底部填充膠，仍可以預計其具備較高的抗機械振動或沖擊能力。

表3 3D封裝結構的諧振頻率

Tab.3 Resonant frequencies of 3D package

kHz

2.2.2 恒定加速度加載分析

恒定加速度試驗是微電子器件的標準驗證試驗方法，主要考察封裝結構及內部元件的機械強度極限值。本文先采用有限元方法模擬這一試驗過程，參照試驗標準為GJB-548《微電子器件試驗標準與方法》方法2001.1條件B，加載5 000 g加速度。模型加載時需將加速度轉換為慣性力，焊球的本構模型則不能再采用上文的穩(wěn)態(tài)蠕變模型，而采用同時考慮塑性和粘性效應的Anand模型。本文采用文獻[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等效應力和應變。圖6為焊球等效總應變（彈性和塑性應變之和）分布，危險互聯(lián)位置位于下層互聯(lián)頂角附近靠里一側，最大應變值為9.03×10–4。圖7為SAC305焊料回流焊后的拉伸應力應變曲線，其拉伸斷裂強度約為40 MPa，拉伸斷裂總應變約為0.02[11]。以此為失效判據(jù)，可以預計封裝的焊球互聯(lián)結構在恒定加速度試驗過程中是安全可靠的。

圖6 焊球在恒定加速度過程中的總應變分布

圖7 SnAg3.0Cu0.5回流焊后的拉伸應力應變曲線[11]

3 結論

提出一種新的3D射頻封裝結構，結合混合IC、多層基板及微組裝工藝，可以較低成本實現(xiàn)復雜功能集成，能夠實現(xiàn)系列化，且方便進行可重構設計。通過有限元分析，結果表明這種封裝結構具有較高的可靠性。根據(jù)文中提出的結構方案，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），通過焊球實現(xiàn)垂直互聯(lián)。經(jīng)過溫度循環(huán)試驗（–55~+125℃，保持時間30 min，轉換時間5 min）200次和恒定加速度試驗（5 000 g加載6個方向，各1 min）后，20個樣品均性能測試正常?？煽啃栽囼灲Y果證明了該封裝結構的高度可靠性。該新3D射頻封裝結構的提出為高集成度、高可靠電子系統(tǒng)的發(fā)展開辟了新的技術路徑。

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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

徐達（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)絡出版時間：2017-03-10 11:52