李 政,孔令磊,姬 峰,張鵬哲,胡 科

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院二十五所,北京 100854;2.空裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室,北京 100854）

引言

混合微電子模塊是航天電子封裝產(chǎn)品的重要部分之一,通常會(huì)遇到嚴(yán)苛的工作環(huán)境,如輻射、水氧,鹽霧,因此需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)工序以保證產(chǎn)品長(zhǎng)期服役的可靠性[1-2]。目前,電子封裝產(chǎn)品常用的材料有導(dǎo)電膠、錫鉛焊料兩種。其中,導(dǎo)電膠作為一種固化后具備粘接強(qiáng)度和導(dǎo)電性能的綠色環(huán)保材料,與錫鉛焊料具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 粘接設(shè)備成本低且操作簡(jiǎn)單；（2） 無(wú)鉛具有很好的環(huán)保性能；（3） 可與不同材質(zhì)的基板進(jìn)行連接；（4） 粘接溫度較低（150 ℃～180℃）；（5） 具有高密度、低間距的連接性能；（6） 不需要再流過(guò)程,對(duì)芯片和基板影響較??；（7） 電路連接的同時(shí)也起到填充材料的保護(hù)、防腐等作用,廣泛地運(yùn)用在微電子封裝批量生產(chǎn)中[3-4]。

導(dǎo)電膠的優(yōu)點(diǎn)固然較多,但也存在一些不足。如：由于導(dǎo)電粒子電阻率比較高,工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的焦耳熱,導(dǎo)電性能比較差,在溫度和濕度循環(huán)下容易出現(xiàn)分層失效的現(xiàn)象；連接后的接觸電阻在濕熱情況下穩(wěn)定性不高；凸點(diǎn)和焊區(qū)上導(dǎo)電粒子數(shù)不均勻分布會(huì)產(chǎn)生每條電路不相同電阻數(shù)值的現(xiàn)象；粘接時(shí)膠體一定的固化時(shí)間影響了產(chǎn)品型號(hào)大規(guī)模生產(chǎn)的速度,所以隨著導(dǎo)電膠的多種場(chǎng)景中應(yīng)用,在惡劣環(huán)境、大批量下的可靠性問(wèn)題隨之變得愈發(fā)突出[5-6],所以深入研究導(dǎo)電膠粘接可靠性更為至關(guān)重要。

1 三維模型的建立

本研究為研究交變載荷加載條件下,導(dǎo)電膠與不同尺寸載板粘接面處產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布,在LD31 鋁合金腔體內(nèi)建立了H20E 型導(dǎo)電膠粘接可伐載板的三維模型,并通過(guò)仿真軟件Workbench 建立數(shù)值模擬模型,見(jiàn)圖1。

圖1 三維仿真模型示意圖

模型從上到下依次為可伐載體、導(dǎo)電膠、鋁合金底塊。其中可伐載體的橫截面分別為四種不同長(zhǎng)度的正方形,導(dǎo)電膠粘接膠層厚度設(shè)定為50 μm,鋁合金為邊長(zhǎng)20 mm 的正方形。

由于三維模型本身具有對(duì)稱性,考慮到有限元運(yùn)算的簡(jiǎn)易性,故取整體結(jié)構(gòu)的1/4 簡(jiǎn)化處理進(jìn)行研究。建立結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型后,其中可伐載板和鋁板通過(guò)導(dǎo)電膠粘接,具體尺寸見(jiàn)表1。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型,各部分均看作彈性模量隨溫度不相關(guān)的線性材料,熱力學(xué)性能參數(shù),見(jiàn)表2。

表1 模型幾何尺寸參數(shù)

表2 熱力學(xué)性能參數(shù)

為了消除有限元仿真過(guò)程中采用自由網(wǎng)格劃分形式帶來(lái)的奇異性,現(xiàn)采用Body Sizing 的命令設(shè)置對(duì)可伐載體粘接模型各個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中可伐載體、H20E 導(dǎo)電膠、鋁合金底塊的單元尺寸分別設(shè)置為0.2 mm,0.1 mm,0.2 mm,并且將Behavior 設(shè)置為soft,此時(shí)可伐載體、導(dǎo)電膠、鋁合金底塊被劃分為若干層高度從而消除了奇異性。有限元整體結(jié)構(gòu)劃分結(jié)束后其中一種可伐載體粘接模型的整體網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2,結(jié)果顯示共劃分有62 301 個(gè)節(jié)點(diǎn),10 235 個(gè)單元。模型整體網(wǎng)格類型為六面體,較模型其它網(wǎng)格更為密集。

圖2 可伐載體粘接模型整體網(wǎng)格劃分示意圖

為了保證計(jì)算結(jié)果的精確性和運(yùn)算結(jié)果的合理性,現(xiàn)對(duì)三維模型的結(jié)構(gòu)材料和工況做如下假定：忽略材料對(duì)溫度傳導(dǎo)的影響,默認(rèn)溫度分布均勻；忽略空洞等粘接缺陷,默認(rèn)完美、均勻粘接；忽略熱輻射、熱交換的影響。

具體熱循環(huán)周期示意圖見(jiàn)圖3。其交變溫度范圍為-55 ℃～125 ℃,循環(huán)周期為4 860 s,五個(gè)周期內(nèi)溫度循環(huán)完全一致,其中一個(gè)周期內(nèi)的溫度載荷隨時(shí)間變化的具體表現(xiàn)為：空氣溫度從參考溫度25 ℃以升溫速率6.67 ℃/min 和升溫時(shí)間900 s 上升到最高溫度125 ℃,在最高溫度保持900 s；然后以降溫速率7.5 ℃/min 和降溫時(shí)間1 400 s 下降到最低溫度-55 ℃,在最低溫度保持900 s；最后以升溫速率6.67℃升溫至溫度25 ℃。為了保證仿真結(jié)果的可靠性,將每個(gè)循環(huán)周期劃分為五個(gè)載荷步,并且每個(gè)載荷步設(shè)置為五個(gè)載荷子步,用以提高有限元計(jì)算的精度。同時(shí),將鋁合金底塊固定,整體模型相互垂直的兩側(cè)面分別施加法向?yàn)?的位移約束。

圖3 熱循環(huán)周期示意圖

圖4 為經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)后某一粘接模型的位移分布云圖。由圖可知,粘接面的位移邊緣位置明顯比中間位置變形量更大,最大值達(dá)到3.444e-7。圖5 為此模型經(jīng)歷溫度循環(huán)后變形量和溫度隨時(shí)間的變化情況,從圖中可以看出隨著溫度變化,環(huán)境載荷也發(fā)生變化,且呈現(xiàn)處線性相關(guān)的現(xiàn)象,而當(dāng)進(jìn)入保溫階段后模型各處溫度數(shù)值趨于穩(wěn)定狀態(tài),因此變形量維持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。并且相對(duì)于高保溫階段時(shí),模型在低保溫階段中位移更低,大約減少1/3 的變形量。

圖4 溫度循環(huán)后某一粘接模型的位移分布云圖

圖5 溫度循環(huán)后某一粘接模型變形量和溫度隨時(shí)間的變化情況

圖6 為4 種不同尺寸粘接模型剪應(yīng)力分布云圖。由圖可知,應(yīng)力分布大體一致,從中間位置到邊緣逐步變大。另外,在加載交變溫度載荷的作用下,可伐載板和導(dǎo)電膠熱膨脹系數(shù)差異較大,熱量通過(guò)對(duì)流換熱達(dá)到結(jié)構(gòu)表面并逐漸向內(nèi)部傳遞,結(jié)構(gòu)內(nèi)不同地方的溫度差異顯著升高,最終導(dǎo)致邊緣位置處剪應(yīng)力的數(shù)值較大,易在粘接邊緣處形成開膠、分層等缺陷。

圖6 四種不同尺寸粘接模型剪應(yīng)力分布云圖

圖7 為經(jīng)過(guò)-55 ℃～125 ℃或-60 ℃～145 ℃溫度變化后不同尺寸可伐載體最大應(yīng)力的變化曲線。由圖可知,兩種溫度范圍下最大剪應(yīng)力的數(shù)值均隨著可伐載體尺寸的增加而變大。與-55 ℃～125 ℃溫度范圍相比較,可伐載體經(jīng)過(guò)-60 ℃～145 ℃溫度變化后具有更大的最大應(yīng)力數(shù)值,由此可見(jiàn)在更大的溫度范圍內(nèi)可伐載體更容易出現(xiàn)粘接失效的現(xiàn)象,且相對(duì)于其他變化階段,可伐載體尺寸由5 mm 到8 mm 變化時(shí),最大剪應(yīng)力的變化最為明顯,最大應(yīng)力數(shù)值增加了三倍左右。

圖7 兩種溫度幅度下不同尺寸可伐載體最大應(yīng)力變化曲線示意圖

2 結(jié)論

本研究通過(guò)有限元仿真的方式,對(duì)不同載板尺寸以及不同溫度幅度下可伐載體粘接模型進(jìn)行模擬研究。得出結(jié)論如下：采用H20E 導(dǎo)電膠粘接可伐載體和鋁板時(shí),在溫度變化范圍一定時(shí),可伐載體尺寸越大,粘接面邊緣處應(yīng)力越大,越容易出現(xiàn)開裂分層的現(xiàn)象；在載板尺寸一定時(shí),溫度變化范圍越大,粘接面處應(yīng)力越大,越容易出現(xiàn)粘接失效的現(xiàn)象。此外,溫度載荷發(fā)生變化時(shí),應(yīng)力變形出現(xiàn)較大變化,溫度載荷恒定時(shí),應(yīng)力變形達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。