朱朝軒,陳亮,但雅
(1.中國電子科技集團公司第二十四研究所,重慶 400060;2.中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)
光電微系統(tǒng)是融合微電子、光電子、MEMS、架構、算法五大基礎要素,利用系統(tǒng)設計的思想并采用微納制造工藝(芯片堆疊、TSV技術、晶圓級封裝等),將傳感、通信、處理、執(zhí)行、微驅動等多功能單元系統(tǒng)級封裝集成在一起的元器件[1]。其設計理念、工藝技術以及所具備的功能,必然使光電微系統(tǒng)在物理結構、封裝管殼及材料等方面與傳統(tǒng)元器件存在差異,從而導致兩者在機械試驗的具體要求不同[2]。例如,同樣為PGA封裝,傳統(tǒng)的PGA器件最常見的機械試驗項目及條件是要求Y1方向高加速離心試驗、Y1方向沖擊試驗以及三方向的振動試驗,而新型PGA封裝的光電微系統(tǒng)要求多方向離心、沖擊和振動試驗;而且,傳統(tǒng)PGA的頂部和底部在機械試驗時可接觸受力,但新型PGA封裝的光電微系統(tǒng)的頂部和底部通常會有光窗、散熱塊等突出結構,無法直接接觸受力,使得現(xiàn)有裝夾方法不能支撐光電微系統(tǒng)的Y1、Y2方向離心、沖擊及Y方向振動試驗。
因此,對新型PGA封裝的光電微系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PGA器件機械試驗裝夾方法,無法實現(xiàn)多方向離心、沖擊及振動試驗,而且容易造成光窗碎裂、漏氣等問題,導致質量與可靠性問題,故而本文針對這類器件的機械試驗提出了一種新的裝夾方法,以解決所面臨的問題。
由于光電微系統(tǒng)結構的特殊性,使得封裝管殼與傳統(tǒng)的PGA存在差異,其封裝管殼尺寸和內腔體積更大,外引腳更多、間距更小且更靠近基板邊沿,管殼上下表面有凸出結構。如圖1所示的某型短波紅外目標識別與跟蹤微系統(tǒng),封裝管殼尺寸為40×40 mm,其頂部有一塊14×14 mm的石英光窗,底部有散熱塊、陣列微孔,器件引腳很多且間距小,上下表面沒有可裝夾受力區(qū)域。本文將以圖1所示的器件作為示例,闡述所提出的裝夾方法,并完成試驗夾具設計、應力仿真驗證。
鑒于這類器件無法采用傳統(tǒng)的裝夾方法,需通過擠壓器件側面的方式完成裝夾,但由于這類器件的外形尺寸較大,因此本文提出了同時對器件四個側面施加壓緊力,使器件在試驗中能保持固定,受力示意圖與裝夾示意圖分別如圖2(a)、2(b)所示。采用圖2(b)的擠壓方式并用螺釘在對角處擰緊,會同時在器件每側面產生一個正壓力,使得器件的受力方式如圖2(a)所示。而在這種裝夾條件下,由正壓力在接觸面產生的摩擦力可以使器件承受Y方向的離心、沖擊、振動試驗而保持固定不動。
基于上述裝夾方法及元器件外形尺寸,便可設計出具體的機械試驗夾具。考慮到試驗夾具實施擠壓的部分為異形結構,若直接將該異形結構裝夾到大試驗臺上,必然會存在裝夾不便,且器件會額外承受來自試驗臺緊固件的外力且量值很大,從而造成器件被擠壞,因此本文采用子母夾具的組合形式,即異形結構作為子夾具,用以固定器件,封口盒式夾具作為母夾具,用以裝夾子夾具[3]。選擇封口盒式的母夾具好處在于母夾具與子夾具之間采用過渡配合,能保證子夾具固定不動同時又不會遭受額外的擠壓,而且本文所提出的裝夾方法其裝夾過程繁瑣,時間較長,采用封口盒式母夾具則可通用于離心、沖擊、振動試驗,只需對器件進行一次裝夾便能完成所有機械試驗,避免了重復裝夾所耗費的時間,從而大幅提高試驗效率。
所設計的子夾具模型如圖3所示,母夾具模型如圖4所示,夾具的裝夾效果如圖5所示。其中,子夾具外側的4個側面分別與母夾具內腔的4個側面采用過渡配合,母夾具內腔深度值剛好等于5個子夾具堆疊的高度,從而保證母夾具蓋板能壓緊子夾具。如此一來,只需調整母夾具的裝夾方向,便能實現(xiàn)對器件各個方向的離心、沖擊以及振動試驗。
圖1 新型PGA封裝微系統(tǒng)示例
圖2 受力示意圖及裝夾示意圖
圖3 子夾具模型
圖4 母夾具模型
圖5 子母夾具裝夾剖視圖
利用ANSYS Workbench,對圖5所示的夾具模型進行離心、沖擊以及振動試驗仿真,所選的短波紅外目標識別與跟蹤微系統(tǒng)機械試驗的具體要求如表1所示,仿真過程中施加的載荷需,則根據表中對應的機械試驗要求設置。
將模型導入ANSYS workbench,搭建起離心、沖擊和隨機振動試驗仿真系統(tǒng)[4]。在離心試驗仿真系統(tǒng)中,先根據實際受力情況設置固定支撐面(Fixed Support),基于勻速圓周運動公式將試驗量級轉換成轉動角速度值,并根據試驗方向和離心機轉子大小設置轉動角速度的轉軸位置。從而得出離心試驗仿真結果如圖6、圖7所示??梢钥闯觯簯ψ畲笾捣謩e出現(xiàn)在夾具與轉子的接觸支撐面上,而且母夾具蓋板邊沿設計了四個半沉頭連接孔,使得該區(qū)域受力面減少而應力值達到82.7 MPa,但夾具的材料為硬鋁2A12,其屈服強度約為265 MPa,因此母夾具滿足強度要求;從子夾具的應力云圖可以看出,應力隨著轉動半徑的增加而增大,靠近固定支撐面的子夾具應力最大,約為25 MPa,遠小于材料的應力極限值,因而子夾具的應變計變形量完全可忽略不計,所以在實際離心試驗中,夾具沒有過度形變的風險,器件也不會因夾具變形而受損或滑脫。
在同等量級、脈寬的各種經典沖擊波形中,方波的沖擊能量最大,而上述夾具在±X和±Z四個方向的力學性能相同。因此,本文在沖擊試驗仿真系統(tǒng)中,僅針對Y1、Y2、X1方向進行量級為1 500 g、脈寬0.5 ms的方波沖擊試驗試驗仿真。各項沖擊試驗仿真結果別如圖8~10所示。由應力云圖可知:夾具在受沖擊的過程中,最大應力值僅在10 MPa左右,Y1、Y2方向沖擊的最大應力位于受沖擊的約束面上,其他方向沖擊的最大應力位于母夾具腔體厚度最薄的位置。但由于最大應力值遠小于材料強度極限,說明所設計的夾具符合沖擊試驗標準和要求。
表1 某型短波紅外目標識別與跟蹤微系統(tǒng)機械試驗要求
圖6 Y1方向離心試驗仿真結果
圖7 Y2方向離心試驗仿真結果
圖8 Y1方向沖擊試驗仿真結果
圖9 Y2方向沖擊試驗仿真結果
同理,隨機振動試驗仿真只針對夾具X、Y兩個方向進行。隨機振動載荷根據GJB 548B的對應條件設置[5],選擇兩個與振動載荷方向垂直的面作為固定約束面。X方向的隨機振動仿真結果如圖11所示,結合高斯分布和Miner方法,隨機振動過程中1σ、2σ、3σ區(qū)間應力發(fā)生的時間分別占振動時間的68.3 %、95.4 %和99.73 %,假定大于3σ范圍的應力不存在于振動試驗中,故而將3σ應力作為隨機振動仿真中夾具所受的最大應力,此時X方向隨機振動的最大應力約為0.3 MPa。另外,查看最大應力位置的PSD響應曲線如圖12所示,PSD響應曲線近似于驅動PSD曲線,說明夾具在振動頻率范圍內沒有共振點,不存在共振現(xiàn)象。改變固定約束和振動載荷方向,進行Y方向隨機振動試驗仿真,發(fā)現(xiàn)仿真結果與X方向結果雷同。由此說明,該夾具符合振動條件,滿足產品三方向的隨機振動試驗要求。
通過離心、沖擊及隨機振動仿真分析可以看出,離心試驗的應力值最大,沖擊試驗次之,隨機振動試驗的應力值最小,這正好與新型PGA封裝微系統(tǒng)的離心、沖擊和振動的難易程度對應。而各個方向的離心、沖擊、振動試驗仿真結果表明,所設計的夾具符合多方向機械試驗的要求,能解決實際問題。
圖10 X1方向沖擊試驗仿真結果
圖11 X方向隨機振動試驗仿真結果
圖12 X方向隨機振動試驗仿真響應曲線
本文針對新型PGA封裝的電子元器件多方向離心、振動、沖擊等機械試驗要求,在現(xiàn)有裝夾方法無法滿足這一要求的前提下,提出了從側面以大小相等的力同時擠壓器件的裝夾方式,設計出具體工裝夾具并完成各種機械試驗仿真,證明了工裝夾具符合使用要求,所提的裝夾方法可有效解決實際問題。此外,僅需改動子夾具結構,該裝夾方法便可適用于其他有多方向離心、沖擊、振動需求的封裝類型產品。因此,本文提出的裝夾方法具備一定的指導意義。