段強(qiáng),楊振濤,陳江濤,李航舟,高嶺
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,石家莊 050051)
隨著對(duì)電子設(shè)備的小型化、高可靠、多功能等要求越來越高,使得半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的工藝提升和系統(tǒng)集成的發(fā)展越來越快。數(shù)字微波集成一體化外殼技術(shù)能夠?qū)⒉煌δ艿碾娮釉骷?,如FPGA、DSP、功放、T/R組件、無源元件等都集成到一個(gè)外殼內(nèi),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)功能,具有封裝集成度高、工藝兼容性好、電性能好、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)需求。
以某款數(shù)字微波一體化外殼為例,為滿足大尺寸、大功率裸芯片/器件的封裝、散熱及隔離要求,該外殼采用封口環(huán)+陶瓷主體+熱沉底盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),其中外殼陶瓷主體尺寸為45 mm×45 mm×3 mm,封口環(huán)尺寸為41.6 mm×41.6 mm×5.3 mm,熱沉底盤尺寸為43 mm×56 mm×1 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 外殼結(jié)構(gòu)圖
但是,根據(jù)前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),由于封口環(huán)、熱沉底盤和陶瓷主體的熱膨脹系數(shù)不一致,易導(dǎo)致陶瓷開裂,存在失效風(fēng)險(xiǎn)。在生產(chǎn)和使用過程中,對(duì)陶瓷主體帶來最大應(yīng)力的環(huán)節(jié)是高溫(800 ℃以上)釬焊工藝,圖2為該類結(jié)構(gòu)在釬焊過程中的典型失效案例。
本文中外殼尺寸更大,不同零件間的熱膨脹系數(shù)失配問題會(huì)更加嚴(yán)重。因此,為提高該類大尺寸一體化外殼的結(jié)構(gòu)可靠性,需要對(duì)不同材料/結(jié)構(gòu)的零件在釬焊過程中的熱膨脹系數(shù)失配問題進(jìn)行研究。
釬焊過程中,不同材料間的熱膨脹系數(shù)不一致會(huì)導(dǎo)致零件變形量有差異[1]。固體的變形量計(jì)算公式如下:
式中:
α—線膨脹系數(shù);
ΔT—釬焊溫度;
L—原始長(zhǎng)度
由上式可知,在釬焊溫度ΔT(810 ℃)、外殼原始長(zhǎng)度L固定的情況下,變形量ΔL取決于線膨脹系數(shù)α。由于零件之間的相互約束,不同零件之間變形量差異會(huì)導(dǎo)致外殼翹曲和內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。材料間熱膨脹系數(shù)越接近,釬焊后變形程度越小,焊接應(yīng)力也越小,可靠性會(huì)更高。因此,為提高該類外殼的結(jié)構(gòu)可靠性,需要解決封口環(huán)、熱沉底盤和陶瓷的熱匹配性問題。
根據(jù)前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),制定了多種不同結(jié)構(gòu)、材料的封口環(huán)及熱沉組合方案。為兼容平行縫焊工藝,封口環(huán)材質(zhì)為可伐合金,結(jié)構(gòu)方案有2種;熱沉底盤方案有3種,材料分別選用銅/鉬銅/銅合金、鉬銅合金和鎢銅合金,封口環(huán)及熱沉結(jié)構(gòu)如圖3所示。方案中使用到的材料參數(shù)見表1。
表1 材料參數(shù)(25 ℃)
圖3 封口環(huán)結(jié)構(gòu)熱沉結(jié)構(gòu)
為對(duì)外殼的可靠性進(jìn)行有效評(píng)估,運(yùn)用各類有限元分析軟件來預(yù)判外殼釬焊后的殘余應(yīng)力,是目前較為常見的外殼可靠性評(píng)價(jià)方法[2-4]。為簡(jiǎn)化仿真模型,假設(shè)釬焊過程中焊料冷卻凝固之前處于“零應(yīng)力狀態(tài)”,將這一溫度(810 ℃)與室溫(25 ℃)的溫差作為溫度載荷,假設(shè)釬焊界面是理想連接的[5];其次假設(shè)整個(gè)釬焊過程中的材料形變均為理想的線彈性形變而不發(fā)生塑性形變[6]。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸,建立仿真模型如圖4所示。
圖4 仿真模型
不同方案下,仿真得到的陶瓷主體最大主應(yīng)力及分布情況如圖5所示,熱沉底盤平面度及翹曲方向如圖6所示,不同方案的仿真結(jié)果匯總見表2所示。
由表2仿真結(jié)果可以看出,封口環(huán)方案結(jié)構(gòu)2優(yōu)于結(jié)構(gòu)1,不同熱沉材料方案中,鉬銅合金優(yōu)于鎢銅合金,鎢銅合金優(yōu)于銅/鉬銅/銅合金。
圖5 不同方案下的陶瓷最大主應(yīng)力及分布
圖6 不同方案下的熱沉底盤平面度及翹曲方向
表2 仿真結(jié)果匯總
為驗(yàn)證以上仿真結(jié)果,對(duì)不同的方案進(jìn)行樣品試制。試制樣品使用3D輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)熱沉底盤平面度及翹曲方向進(jìn)行實(shí)測(cè),實(shí)測(cè)結(jié)果及翹曲方向如圖7所示,統(tǒng)計(jì)如表3所示。
圖7 平面度及翹曲方向?qū)崪y(cè)
表3 平面度及翹曲方向?qū)崪y(cè)結(jié)果匯總
對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果,不同方案的熱沉平面度和翹曲方向趨勢(shì)一致。根據(jù)仿真及樣品驗(yàn)證情況,方案5的平面度均值最小,且翹曲方向?yàn)楸陈N,更適用于板級(jí)螺孔安裝。因此,選用方案5作為該外殼的最終釬焊方案,即封口環(huán)選用結(jié)構(gòu)2,熱沉選用鉬銅合金。
根據(jù)仿真及實(shí)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果,對(duì)該一體化外殼進(jìn)行批量生產(chǎn)。隨機(jī)抽取30只釬焊后的外殼進(jìn)行測(cè)試,熱沉平面度數(shù)據(jù)柱狀圖見圖8所示,平面度均小于50 μm,均值為32.7 μm。
圖8 批產(chǎn)平面度數(shù)據(jù)
按照應(yīng)用要求,對(duì)批產(chǎn)外殼進(jìn)行可靠性摸底。經(jīng)驗(yàn)證,該外殼可滿足應(yīng)用及可靠性要求,典型可靠性摸底包括溫度循環(huán)(-65~+175 ℃,100次)、離心(10000 g,Y1方向,1 min)等。
通過對(duì)不同材料/結(jié)構(gòu)的零件在釬焊過程中的熱膨脹系數(shù)失配問題進(jìn)行研究,優(yōu)化了某款大尺寸數(shù)字微波一體化外殼的結(jié)構(gòu)和材料,提高其結(jié)構(gòu)可靠性。批產(chǎn)外殼的熱沉底盤平面度均值32.7 μm,滿足應(yīng)用及可靠性要求。