趙 博，郭懷新，程 凱，王子良

（南京電子器件研究所，南京 210016）

密封測(cè)試中蓋板結(jié)構(gòu)對(duì)器件應(yīng)力影響的有限元分析

趙 博，郭懷新，程 凱，王子良

（南京電子器件研究所，南京 210016）

針對(duì)器件在密封檢測(cè)過(guò)程中的失效現(xiàn)象，采用ABAQUS有限元模擬軟件，建立失效器件外殼的密封試驗(yàn)三維仿真模型，分別對(duì)失效結(jié)構(gòu)封裝件和改進(jìn)結(jié)構(gòu)封裝件進(jìn)行密封測(cè)試環(huán)境下的應(yīng)力計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果從理論上解釋了失效結(jié)構(gòu)在密封試驗(yàn)時(shí)易出現(xiàn)嚴(yán)重的因瓷件微裂紋或開(kāi)裂引起的失效現(xiàn)象。蓋板的結(jié)構(gòu)直接影響外殼整體應(yīng)力的形式，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整，封裝件薄弱區(qū)（外殼瓷件區(qū)域）的拉應(yīng)力僅為原結(jié)構(gòu)的63.3%，表明通過(guò)蓋板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可有效避免該類失效現(xiàn)象，對(duì)封裝可靠性的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

封裝；應(yīng)力；有限元；可靠性

1 引言

對(duì)于高可靠微電子器件，密封要求是其高可靠性能的關(guān)鍵因素之一，而對(duì)于一個(gè)需要采用大腔體比（腔體比：內(nèi)腔體積與外殼總體積的比）結(jié)構(gòu)外殼進(jìn)行封裝的高可靠器件，其密封用蓋板的結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品可靠性具有極為重要的影響[1～3]。密封用蓋板不僅起到隔絕外部環(huán)境對(duì)腔內(nèi)芯片的影響，同時(shí)對(duì)器件也起到承載外部載荷及機(jī)械支撐的作用。因而蓋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)直接影響器件的氣密性及抗外部環(huán)境載荷能力。在器件進(jìn)行氣密性篩選過(guò)程中，在受到規(guī)定的外部氣體壓力作用下，往往出現(xiàn)蓋板變形、瓷件微裂紋甚至開(kāi)裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致器件漏氣、性能失效，這是大腔體比外殼器件在密封檢驗(yàn)及后續(xù)應(yīng)用過(guò)程中急需解決的重要問(wèn)題之一。然而，該密封試驗(yàn)過(guò)程中封裝件受力分布形態(tài)的測(cè)試分析極為困難，僅依據(jù)密封檢測(cè)結(jié)果去理論評(píng)估，尚未有統(tǒng)一的分析標(biāo)準(zhǔn)。因而，利用數(shù)值方法對(duì)密封試驗(yàn)過(guò)程中封裝件的受力形態(tài)進(jìn)行理論分析就成為一種潛在的有效方法，目前尚未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道。

本文針對(duì)封裝件在密封檢測(cè)過(guò)程中的失效現(xiàn)象，首次采用有限元方法建立密封試驗(yàn)三維仿真模型，模擬封裝件失效結(jié)構(gòu)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的密封檢測(cè)試驗(yàn)，計(jì)算和分析封裝件在密封檢測(cè)條件下整體結(jié)構(gòu)的受力形式和分布狀態(tài)，評(píng)估不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)蓋板及瓷件的受力分布和形式的影響，從理論上解釋上述失效產(chǎn)生的原因，并通過(guò)改進(jìn)前后外殼受力結(jié)果的比較，證明不同結(jié)構(gòu)的蓋板對(duì)器件可靠性的影響。合理的蓋板結(jié)構(gòu)對(duì)解決密封檢測(cè)中的失效問(wèn)題及提高器件的可靠性有重要的作用。

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型

本文為了分析密封試驗(yàn)過(guò)程中封裝件受力分布和受力形式，從理論上解釋和確認(rèn)密封測(cè)試失效的原因，采用實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)密封檢測(cè)失效的微波器件用外殼，其外殼下組件結(jié)構(gòu)和蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，蓋板在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮平行縫焊工藝的要求，蓋板封接區(qū)（即蓋板和外殼框架的焊接面）厚度設(shè)計(jì)為0.1 mm，考慮蓋板平行封裝的定位及對(duì)環(huán)境承載的可靠性，將蓋板的非封接區(qū)厚度設(shè)計(jì)為下凸起結(jié)構(gòu)，厚度為0.4 mm。其中整體的外殼材料設(shè)計(jì)為底座和框架材料均采用鐵鈷鎳合金（4J29），瓷件材料采用95%氧化鋁陶瓷，蓋板材料采用鐵鎳合金（4J42）。

如圖1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的封裝件在實(shí)際密封試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，70%的器件出現(xiàn)因蓋板變形、外殼瓷件微裂紋及開(kāi)裂等現(xiàn)象導(dǎo)致的失效，經(jīng)過(guò)分析其原因是由于外殼蓋板承載外界作用力導(dǎo)致變形，對(duì)側(cè)壁形成某一方向的擠壓或拉伸應(yīng)力，瓷件作為脆性材料，在整個(gè)外殼結(jié)構(gòu)中屬于抗應(yīng)力薄弱區(qū)域，因而當(dāng)因蓋板受力引起的側(cè)壁受拉或受壓的應(yīng)力大于其承載能力時(shí)，瓷件就產(chǎn)生微裂紋和開(kāi)裂。

圖1 大腔體比外殼的結(jié)構(gòu)示意圖

這種失效的產(chǎn)生與器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是蓋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)息息相關(guān)，通過(guò)進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)蓋板的封裝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)完全可以避免該失效現(xiàn)象的產(chǎn)生。為解決失效問(wèn)題，在平行縫焊蓋板的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，采用凸起面朝上（如圖2）的蓋板結(jié)構(gòu)，為了增加模擬的可對(duì)比性，其蓋板的物理尺寸和圖1設(shè)計(jì)完全一致。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，圖2的封接結(jié)構(gòu)可有效解決圖1結(jié)構(gòu)的失效問(wèn)題。為了解釋其原因，清晰認(rèn)識(shí)在密封過(guò)程中外殼的應(yīng)力分布和形態(tài)，本文針對(duì)圖1和圖2兩種結(jié)構(gòu)的外殼進(jìn)行了密封試驗(yàn)的三維有限元建模分析。

圖2 改進(jìn)后的外殼結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 計(jì)算模型

在運(yùn)用有限元法分析微電子外殼密封試驗(yàn)過(guò)程時(shí)，仿真計(jì)算的可行性以及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于創(chuàng)建計(jì)算模型的合理性，因而本文依據(jù)密封試驗(yàn)的條件對(duì)封裝件結(jié)構(gòu)和檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行了合理的理論化假設(shè)。本文利用ABAQUS有限元軟件，采用靜水壓模式的計(jì)算模型，該計(jì)算模式可以有效仿真密封試驗(yàn)過(guò)程中的大氣壓載荷[4～6]。首先假設(shè)電子器件在密封檢驗(yàn)過(guò)程中，試樣所受到的特定的環(huán)境壓力為蓋板表面的靜水壓，蓋板的垂直法線方向?yàn)閆軸，蓋板上表面為靜水壓力的作用面，其壓力就定為器件加壓檢驗(yàn)時(shí)國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的3個(gè)大氣壓，外殼底座的底面為靜水壓零應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)；其次假設(shè)在整個(gè)密封試驗(yàn)過(guò)程中鐵鈷鎳合金、鐵鎳合金及氧化鋁陶瓷等外殼材料均為理想的線彈性[4～8]，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中不發(fā)生塑性變形，計(jì)算用的物理參數(shù)如表1所示；最后假設(shè)底座、框架、瓷件和蓋板的界面接觸為理想封接[7～10]。計(jì)算過(guò)程將整個(gè)外殼幾何模型作為求解區(qū)域，加壓時(shí)間為2 h，環(huán)境溫度為常溫條件，由于該外殼為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了更直觀地分析其內(nèi)部應(yīng)力分布形式，其應(yīng)力分布結(jié)果采取二分之一視圖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果為120 s時(shí)的受力狀態(tài)。

表 1 材料物理性能

3 結(jié)果與分析

在對(duì)瓷件微裂紋和開(kāi)裂的失效現(xiàn)象進(jìn)行分析時(shí)，如果采用等效的應(yīng)力模式（總應(yīng)力），由于陶瓷材料的抗拉和抗壓能力相差很大，無(wú)法直觀體現(xiàn)其拉、壓應(yīng)力分量，難以作為失效的判斷依據(jù)，因此模擬結(jié)果采用S11、S22和S33的主應(yīng)力模式來(lái)進(jìn)行分析。首先對(duì)整體外殼的受力分布及形式進(jìn)行模擬，分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后外殼的抗承載能力。其次對(duì)蓋板的受力情況詳細(xì)分析，其直接影響外殼的承載能力及應(yīng)力薄弱區(qū)（瓷件）的受力情況；最后對(duì)瓷件進(jìn)行模擬分析，從理論上解釋失效的原因。

通過(guò)對(duì)圖1和圖2兩種結(jié)構(gòu)的封裝形式模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不同蓋板結(jié)構(gòu)封裝形式，外殼整體受力分布大體類似，主要集中于蓋板中心和瓷件區(qū)域，但所受的應(yīng)力形式則有很大不同。如圖3所示，顯示當(dāng)蓋板凸面向下時(shí)最大拉應(yīng)力（圖中應(yīng)力值為正）高達(dá)783.9 MPa，出現(xiàn)在瓷件上，最大壓應(yīng)力（圖中應(yīng)力值為負(fù)）為527.4 MPa，出現(xiàn)在蓋板上；當(dāng)蓋板凸面向上時(shí)最大拉應(yīng)力同樣出現(xiàn)在瓷件上，但僅為482.9 MPa，比蓋板凸面向下結(jié)構(gòu)下降了38.4%，如圖4所示；同時(shí)當(dāng)變形量（deformation scale factor）值設(shè)為1時(shí)，發(fā)現(xiàn)圖4的蓋板變形要比圖3結(jié)構(gòu)的蓋板變形量小很多，說(shuō)明圖2結(jié)構(gòu)的封接形式承受外載荷的能力更強(qiáng)。

為了更為透徹地解釋外殼抗承載能力，對(duì)蓋板進(jìn)行了應(yīng)力分析，結(jié)果如圖5和圖6。發(fā)現(xiàn)當(dāng)蓋板凸面向下結(jié)構(gòu)時(shí)，蓋板上表面為壓應(yīng)力，中心區(qū)域最大壓應(yīng)力為527.4 MPa，下表面為拉應(yīng)力，封接區(qū)域也為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為571.3 MPa，結(jié)果如圖5所示；當(dāng)蓋板凸面向上結(jié)構(gòu)時(shí)，蓋板上表面為壓應(yīng)力，封接區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，中心區(qū)域最大壓應(yīng)力為535.4 MPa，下表面為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為482.9 MPa，結(jié)果如圖6所示。計(jì)算結(jié)果顯示，蓋板凸面向上時(shí)，所受的拉應(yīng)力小，蓋板形變量也小，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)承受外界載荷的能力更高，可靠性更好。

圖3 失效結(jié)構(gòu)外殼應(yīng)力分布及形式

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后外殼應(yīng)力分布及形式

圖5 蓋板應(yīng)力分布及形式

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后蓋板應(yīng)力分布及形式

這種封接區(qū)域的應(yīng)力分布及形式直接影響到外殼薄弱區(qū)——瓷件的受力形式。通過(guò)進(jìn)一步分析瓷件的受力分布狀態(tài)，可以清楚地看到應(yīng)力形式及量的變化，鑒于6個(gè)瓷件的受力形式及大小幾乎完全一致，選取其中一個(gè)瓷件作為整體分析，其計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

當(dāng)蓋板凸面向下結(jié)構(gòu)時(shí)，瓷件的腔外表面受拉應(yīng)力，最大為760.8 MPa，腔內(nèi)表面受壓應(yīng)力，最大為507.3 MPa，如圖7所示。這是由于這種結(jié)構(gòu)的封裝，蓋板的封接區(qū)受到拉應(yīng)力，從而使得側(cè)墻受到向腔內(nèi)方向的拉力，導(dǎo)致瓷件外表面為拉應(yīng)力，內(nèi)表面為壓應(yīng)力。

當(dāng)蓋板凸面向上結(jié)構(gòu)時(shí)，瓷件的腔外表面是壓應(yīng)力，最大為677.2 MPa，腔內(nèi)表面受拉應(yīng)力，最大為481.3 MPa，如圖8所示。這是由于這種結(jié)構(gòu)的封裝，蓋板的封接區(qū)受到壓應(yīng)力，從而使得側(cè)墻受到向腔外方向的拉力，導(dǎo)致瓷件外表面為壓應(yīng)力，內(nèi)表面為拉應(yīng)力。

圖7 陶瓷絕緣子應(yīng)力分布及形式

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后陶瓷絕緣子應(yīng)力分布及形式

封裝的薄弱環(huán)節(jié)為外殼的瓷件區(qū)域，陶瓷材料的抗壓性一般是抗拉性的5～10倍，因而，降低薄弱環(huán)節(jié)的拉應(yīng)力成為提高封裝可靠性的重要方向。通過(guò)對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析、對(duì)比發(fā)現(xiàn)，蓋板凸面向上結(jié)構(gòu)的封裝，瓷件的最大拉應(yīng)力相比于蓋板凸面向下結(jié)構(gòu)封裝的最大拉應(yīng)力降低了36.7%，因而很好地解釋了采用蓋板凸面向下結(jié)構(gòu)的封裝產(chǎn)品在密封試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)大批量的因外殼瓷件微裂紋或開(kāi)裂引起的失效現(xiàn)象。

4 結(jié)論

瓷件的受力形式完全相反，受到的最大拉應(yīng)力下降了36.7%，外殼抗承載能力顯著增強(qiáng)。計(jì)算結(jié)果從理論上解釋了蓋板凸面向下結(jié)構(gòu)的封裝產(chǎn)品在密封試驗(yàn)時(shí)易出現(xiàn)嚴(yán)重的因瓷件微裂紋或開(kāi)裂引起的失效現(xiàn)象，同時(shí)為外殼的相似密封試驗(yàn)仿真提供了借鑒，為優(yōu)化蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高外殼可靠性提供理論依據(jù)。

[1] MABar-Cohen. On-chip thermal management of nanoelectronic hot sports[C]. Portland, OR, ASME interpack conference , 2011.

[2] Chris Hobbs, Wei-Yip Loh, KeremAkarvardar. CMOS scaling beyond FinFETs： Nanowires and TFETs[C]. Tokyo, SEMATECH symposium. 2011.

[3] KN Tu. Reliability challenges in 3D IC packaging technology[J]. Microelectronics Reliability, 2011, (51)：517-523.

[4] 栗明，許金泉. 殘余應(yīng)力對(duì)壓力容器破壞模式的影響分析[J]. 力學(xué)季刊，2007，1(28)： 92-97.

[5] 尤佳，魯濱. 基于ABAQUS的碟形封頭的應(yīng)力分析與安全評(píng)定[J]. 化工安全與環(huán)境，2004，4： 21-22.

[6] 徐兵. 基于Abaqus的催化器總成熱循環(huán)應(yīng)力分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程，2013，22(2)： 95-97.

[7] Yap Boon Kar, Noor AzrinaTalik. Finite element analysis of thermal distributions of solder ball in flip chip ball grid array using ABAQUS[J]. Microelectronics International, 2013, 1(30)： 14-18.

[8] J W Park, P F Mendez, T W Eagar. Strain energy distribution in ceramic to metal joints[J]. Acta Materialia, 2002, 50：883-899.

[9] 李新宇，高隴橋，魯燕萍，劉征. 氮化鋁與柯伐封接件有限元應(yīng)力分析[J]. 真空電子技術(shù)，2009： 75-77.

[10] 陳玉博，李志安，戴玉龍. 內(nèi)壓圓筒上矩形大開(kāi)孔接管三維有限元分析與強(qiáng)度評(píng)定[J]. 沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21(4)：296-299.

本文創(chuàng)造性地利用ABAQUS有限元軟件建立了密封試驗(yàn)三維仿真模型, 分別針對(duì)改進(jìn)前后不同蓋板結(jié)構(gòu)的封裝，計(jì)算和分析外殼在密封檢測(cè)條件下整體結(jié)構(gòu)的受力形式和應(yīng)力分布狀態(tài)，評(píng)估不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)蓋板及瓷件的受力分布和形式的影響。通過(guò)外殼整體受力分析，結(jié)果顯示，改進(jìn)蓋板后，外殼

Finite Element Analysis of Effects of Cover Plate Structure on Residual Stress of Device in Sealing Test Process

ZHAO Bo, GUO Huaixin, CHENG Kai, WANG Ziliang
（Nanjing Electronic Device Research Institute, Nanjing 210016, China）

For failure situations of devices in sealing test process, a 3D calculating model of failure situation of devices in sealing test was established using ABAQUS finite element simulation software in the paper, and the stresses of failure structure and improved structure in sealing test were calculated and analyzed, respectively. The calculation results explained failure reason caused by micro cracks or cracking of ceramic in sealing test process, cover plate directly influenced the stress form of whole package.The tensile stress of weakness part (ceramic area) of improved structure was only about 63.3% of the original structure, and show that the failure situation could be effectively avoided through structural optimization of cover plate, while those results would provide more or less guiding for high reliability design of package.

package; stress concentration; finite element method; reliability

TN305.94, TG115

A

1681-1070（2015）08-0009-04

趙 博（1982—），男，重慶人，2005年獲南京理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2010年獲東南大學(xué)工程碩士學(xué)位，就職于南京電子器件研究所，主要研究方向?yàn)镚aAs器件與封裝。

2015-6-2