廢舊塑封芯片分層裂紋仿真

劉學平　龐祖富,　向　東

1.清華大學深圳研究生院,深圳,518055　　2.清華大學,北京,100084

廢舊塑封芯片分層裂紋仿真

劉學平1龐祖富1,2向東2

1.清華大學深圳研究生院,深圳,5180552.清華大學,北京,100084

分析了廢舊塑封芯片的分層機理,計算得到了芯片分層界面裂紋斷裂能釋放率并建立了界面裂紋擴展判斷準則。通過仿真分析分別獲得了芯片內部應力載荷、裂紋長度與裂紋擴展所需斷裂能釋放率之間的影響規律。結果表明，塑封芯片存在的內應力及其內部結構上的缺陷，均可導致分層裂紋的產生與擴展。最后基于理論與仿真計算的結果分析了舊芯片回收重用工藝，并提出減小芯片分層損傷的工藝方法。

廢舊塑封芯片；分層損傷；裂紋擴展；斷裂失效

0　引言

近年來隨著電子電器產品數量成倍增長，產品更新換代越來越快，電子電器產品廢棄量也急劇增加，造成了巨大的環境壓力，各國相繼出臺了應對方案[1]。2003年,歐盟頒布的WEEE指令中明確規定了10類廢舊電子電器設備的回收利用率和再生利用率。2009年,中國頒布了《廢棄電子產品回收處理管理條例》,規定了廢棄電子產品回收的相關責任和義務。廢棄電路板組件作為電子電器產品的重要組成部分，研究其回收利用方法，具有普遍意義。廢棄電路板組件的回收處理研究點之一，是實現其上高價值元器件的回收重用，這也是目前許多機構和企業研究的焦點。

研究表明,大多數電子元器件的設計壽命為50萬h,而廢棄電子電器產品的平均壽命僅為2萬h[1],根據電子元器件失效的“浴盆曲線”理論,廢舊元器件大都度過了早期失效期,進入了穩定工作期,因此廢舊元器件具有較高的可重用性。郭秀盈等[2]利用實驗方法研究了廢舊塑封芯片的可重用性。嚴重影響塑封芯片可重用性的一個因素是塑封芯片的分層,而這也是廢舊塑封芯片常見的損傷形式,因此分層損傷研究一直是廢舊塑封芯片可重用性研究中的重要內容。

本文通過對廢舊塑封芯片分層機理的探究，進行芯片分層的裂紋分析，再通過有限元仿真分析得到芯片分層斷裂能釋放率與載荷及裂紋長度之間的內在聯系，最后討論并提出減少分層的舊塑封芯片回收重用工藝方法。

1　塑封芯片分層機理

從實驗室拆解所得廢舊塑封芯片中選取塑料方塊平面封裝(plastic quad flat package,PQFP)芯片進行分析，剖切后的塑封芯片內部結構如圖1所示。塑封芯片內部結合面兩側材料的熱膨脹系數不同，極容易發生分層。如圖1所示,可能發生分層的界面包括“管芯-模塑料”結合面、“引腳-模塑料”結合面、“管芯-粘結層”結合面、“粘結層-襯底”結合面、“襯底-模塑料”結合面。

圖1　PQFP塑封芯片內部結構及組成示意圖

塑封芯片本身存在的內應力(包括熱應力、濕應力和蒸汽壓應力)是導致界面分層的主要原因。在線路板的回流焊組裝流程或回收拆解流程中，都存在高溫加熱，這會使其上芯片材料發生熱膨脹，形成熱應力。芯片暴露在潮濕環境中時，模塑料的有機成分會吸入潮氣。拆解過程中受熱時，潮氣擴散導致芯片不同材料間的膨脹受力失配，形成濕應力。少部分芯片在服役過程中，由于環境惡劣,界面發生了輕微分層,形成少量細裂紋。這些細裂紋雖然沒有導致芯片失去正常工作的性能，卻埋下隱患，讓裂紋空隙中存留高濃度的蒸汽。高溫拆解過程中，存留的蒸汽受熱膨脹使裂紋承受膨脹力的作用，形成蒸汽壓應力[3-5]。這三種形式的內應力共同作用于芯片各粘結界面，容易導致芯片發生分層。

面向元器件重用的廢棄電路板回收拆解中,盡量減少芯片分層是重用的前提。對于廢舊塑封芯片，因為芯片界面材料之間的結合力隨著服役時間累積會出現減小,使得芯片內部界面出現結構缺陷，形成納米量級的局部紋理。芯片在“新品-裝焊-服役-拆解”的全歷程[6]中,其所在環境的影響均可能使局部紋理繼續擴大，形成細裂紋，造成芯片不同程度的分層損傷。因此要減少廢舊芯片的分層損傷,就要預防廢舊芯片的局部紋理發生擴展。

可見,界面局部紋理的分裂擴展往往跟界面應力、材料強度、環境溫濕度等許多因素有關，而這些因素的綜合影響，是以應力的方式作用于芯片內部。因此有必要研究在單純的應力作用下，芯片內部裂紋的擴展規律，下文將通過裂紋的開裂判斷準則進行分析。

2　界面裂紋斷裂能量的計算

廢舊塑封芯片的界面分層裂紋可通過斷裂力學理論來進行分析，裂紋擴展可分為3種基本類型：張開型(Ⅰ型)、滑移型(Ⅱ型)、撕裂型(Ⅲ型)，如圖2所示。芯片在局部受熱、局部受潮或加熱不均勻時，其受到的熱應力、濕應力、蒸汽壓應力的大小與方向均難以確定,故以上3種類型的裂紋都有可能產生。在塑封芯片服役周期的全歷程中,周圍環境因素的影響非常大,在熱應力、濕應力、蒸汽壓應力的共同作用下,裂紋一般不以單一類型存在，而是以兩種以上的類型同時存在,稱之為復合型裂紋。塑封芯片分層一般發生在芯片內部，只有發生“爆米花效應”的嚴重破裂的芯片，裂紋才會延伸到表面，人眼可直觀看到。所以絕大多數的分層裂紋為隱藏在芯片內部的面裂紋。

圖2　廢舊塑封芯片界面分層裂紋擴展類型示意圖

本文選擇線彈性斷裂力學中的斷裂能釋放率準則來進行裂紋擴展分析，圖3所示為塑封芯片的剖切面,中間橫線為內部材料的結合面,在結合面上預置一條長度為2l,法向厚度為B的裂紋，并在裂紋尖端處建立直角坐標系。假設截面裂紋四周受到均勻應力σ。對于復合型裂紋,其開裂方向不一定沿著原裂紋延長線方向[7],假設開裂方向與x軸成θ角,分支裂紋長度為dr。斷裂能釋放率為裂紋擴展單位面積時系統所釋放出的勢能:

Ge=-dΠ/dA

(1)

其中,-dΠ為裂紋擴展dr時,系統所釋放出的能量;dA為裂紋擴展面積,dA=Bdr。在裂紋擴展的過程中，塑封芯片應力σ做功dW,系統彈性應變能增量為dU,塑性功增量為dS,裂紋表面能增量為dT。根據能量守恒定律,有

dW=dU+dS+dT

(2)

令

-dΠ=dW-dU=dS+dT

(3)

將裂紋表面能增量dT替換后可表示為

-dΠ=dS+2δdA

(4)

其中,δ為裂紋面上單位表面積的表面能。

圖3　裂紋尖端直角坐標系

聯合式(1)、式(4)求解得到裂紋尖端處的斷裂能釋放率：

(5)

式(5)的物理意義為裂紋擴展單位面積時擴展力所做的功。根據斷裂能釋放率準則[7],當沿著開裂角方向的分支裂紋剛好能發生擴展時,對應的開裂角度θ0即為臨界開裂角,此時裂紋的斷裂能釋放率達到臨界值Gc,有

Gc=G(θ0)

(6)

其中,Gc為裂紋擴展單位面積時,所損耗的塑性功和增加的裂紋表面能總和。對于給定的芯片材料，由于裂紋擴展所損耗的塑性功及裂紋表面能皆為材料常數，與外載荷及裂紋幾何形狀無關,因此Gc充分反應了材料抵抗斷裂破壞作用的性能，即為材料的斷裂韌度。不同的芯片材料，其斷裂韌度數值可通過實驗測定。

由能量平衡關系,塑封芯片界面裂紋擴展的判斷準則可表示為:GθGc時,裂紋發生擴展。

對于承受不同載荷以及具有不同初始尺寸的裂紋，可利用斷裂能釋放率作為裂紋擴展的判定條件。利用裂紋尖端的能量平衡關系，可以深入研究裂紋的擴展規律。

3　斷裂能釋放率仿真分析

前文已表述,塑封芯片可發生分層的界面有多種類型，不失一般性，在此選取其中的“模塑料-襯底”界面來進行有限元分析， 創建“模塑料-襯底”的有限元仿真模型。模型參數如下:裂紋橫截面尺寸為3mm×20mm,預置裂紋位于模型中間,半長度l=1mm,實驗測得的廢舊塑封芯片平均剪切強度約為0.96MPa[8],則預設周向均勻拉應力載荷σ=1.0MPa,上層材料為模塑料,彈性模量E1=16GPa,泊松比ν1=0.3;下層材料為銅襯底,彈性模量E2=120GPa,泊松比ν2=0.34。

采用ANSYS13.0,基于虛擬裂紋閉合技術(virtualcrackclosuretechnique,VCCT)計算斷裂能釋放率，有限元模型如圖4a所示。有限元計算單元選取ANSYS軟件中的PLANE183單元,考慮到裂紋尖端應力場的奇異性會影響計算結果的準確性,故對裂紋尖端進行網格細化,裂紋尖端附近區域的節點最小間距小于0.02l,以確保計算結果更精確。仿真得到界面裂紋的等效應力云圖(圖4b),裂紋尖端最大等效應力為22.4MPa,約等于預加載拉應力的22倍,驗證了裂紋尖端的應力奇異性非常突出的特點。

3.1裂紋斷裂能釋放率與載荷的關系

(a)有限元網格模型

(b)界面裂紋等效應力云圖圖4　VCCT法有限元網格模型和界面裂紋等效應力云圖

圖5　“模塑料-襯底”界面G-σ關系曲線

只變動已創建的有限元模型的載荷情況,其余參數不變。對模型加載不同的應力載荷,觀察裂紋尖端斷裂能釋放率的變化,得到塑封芯片分層裂紋的斷裂能釋放率與載荷之間的關系，如圖5所示。可知,裂紋尖端斷裂能釋放率與載荷成二次曲線的關系。當加載應力較小時，斷裂能釋放率上升速度緩慢；隨著加載應力的增大，斷裂能釋放率上升得越來越快。

考慮斷裂模型的裂紋方式,針對復合型裂紋進行分析,封芯片界面在周向拉應力σ作用下產生長2l的裂紋,放出的斷裂能[7]為

U=πσ2l2B/E

(7)

由于裂紋表面積變化dA=2Bdl,所以斷裂能釋放率為

G=πσ2l/E

(8)

由式(8)可知,斷裂能釋放率G與載荷σ的平方成正比,由此驗證了圖5中斷裂能釋放率與載荷關系曲線的正確性。塑封芯片裂紋擴展的斷裂能釋放率與裂紋所受應力的平方成線性關系，即產生該長度的裂紋所需要的能量與內應力的平方成線性關系。因此要限制芯片界面紋理擴展，應通過合適的手段降低芯片內部的應力,以降低形成裂紋時釋放的斷裂能,使得斷裂能釋放率達不到芯片界面裂紋擴展所對應的斷裂韌度。

3.2裂紋斷裂能釋放率與預置裂紋長度的關系

載荷σ=0.5 MPa,其余參數不變時,預置不同長度的裂紋,觀察斷裂能釋放率的變化,得到斷裂能釋放率與預置裂紋長度之間的關系,如圖6所示。可以看出,斷裂能釋放率與預置裂紋的半長也成二次曲線的關系。VCCT法基于裂紋擴展所需能量等于裂紋閉合所需能量的假設。當預置裂紋較小(0～2mm)時，對應的斷裂能釋放率很小,即裂紋閉合所需能量較小,且變化緩慢；當預置裂紋半長較大(2～4mm)時,隨著裂紋長度的增加,斷裂能釋放率增長得越來越快,即裂紋閉合所需能量的增長越來越快;當預置裂紋達到一定程度(裂紋長度大于4mm)時,斷裂能釋放率達到非常大的值，該情況下，塑封芯片界面已經發生嚴重的分層損傷，甚至出現“爆米花效應”。

圖6　“模塑料-襯底”界面G-l關系曲線

4　舊芯片回收重用工藝

通過分析芯片載荷、裂紋長度與斷裂能釋放率的關系可知,芯片應力過大極易導致芯片發生分層損壞,故在舊塑封芯片高價值回收重用的工業操作中，應注意回收過程的每一個細節，盡量減少舊芯片的分層損壞。

對舊塑封芯片的高價值重用主要通過廢棄電路板無損拆解及后續處理實現，其回收工藝過程包括電路板拆解、芯片幾何修復及芯片性能測試。電路板拆解是實現舊芯片回收重用的關鍵步驟。在電路板拆解之前，可先對待拆電路板進行預烘烤，以降低芯片內部的含水量，減小拆解加熱過程中潮氣擴散產生的濕應力對芯片的分層影響；拆解過程中，焊錫熔化加熱溫度需要合理設定，盡量減小熱沖擊產生的不確定熱應力對芯片的損傷；應選取合理的力學方法使芯片與電路板基板拆卸脫離，以減小對芯片的機械力破壞。完成電路板拆解之后，下一步是對所得芯片進行幾何修復。芯片幾何修復是輔助環節，主要包括殘余焊錫清除、引腳修復等過程。在進行焊錫清除時，需先加熱芯片使引腳焊錫熔化，加熱過程產生的熱沖擊極易導致芯片內部裂紋擴展而發生分層損傷，因此在實現熔焊的前提下應盡量降低加熱溫度并縮短加熱時間，以減小熱沖擊對芯片的破壞作用。最后進行芯片性能測試，去除無用芯片，最終實現舊芯片的回收重用。

5　結論

(1)塑封芯片的分層主要受熱應力、濕應力和蒸汽壓應力共同作用，在面向廢舊塑封芯片重用的回收工藝中，需要著重處理芯片的內應力問題。

(2)從“斷裂能釋放率-載荷”關系曲線可知,為了避免塑封芯片分層，須盡量減小芯片的內應力,同時保證塑封芯片工作環境的干燥度。

(3)獲得了塑封芯片界面產生不同長度裂紋與所需能量大小的內在關系。斷裂能釋放率很大時，所對應的裂紋長度也較大，此時的芯片發生嚴重分層，甚至出現“爆米花效應”。

(4)為了增強塑封芯片界面抵抗分層的能力，可考慮提升塑封材料的力學性能，增強塑封材料的本體強度。

(5)在芯片回收重用工藝中，電路板拆解、芯片幾何修復等過程均可能導致芯片發生分層損傷，在實際操作中應引以重視。

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(編輯張洋)

Simulation of Interfacial Delamination Crack of Waste Plastic Chips

Liu Xueping1Pang Zufu1,2Xiang Dong2

1.Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen,Guangdong,518055 2.Tsinghua University,Beijing,100084

This paper briefly analyzed the delaminated mechanism of waste plastic chips,got the facture energy release rate of chip layered interface crack through calculation,and established the judging criteria of interface crack propagation.Through simulation analysis,the influence rules among the chip internal stress load,crack length and fracture energy release rate required for crack propagation were obtained respectively.The results show that,the internal stress and structure’s defects of the waste plastic chips can lead to delamination crack’s generation and expansion.Finally,based on the results of theoretical and simulation calculations,this paper analyzed the old chip recycling and reuse technology,and proposed technical method to reduce the scathing of chip delamination.

waste plastic chip;delamination;crack propagation;fracture failure

2013-10-12

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2013AA040205，2013AA040207)

TN606DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.001

劉學平,男,1965年生。清華大學深圳研究生院先進制造學部副研究員。主要研究方向為機電控制、綠色設計與綠色制造。獲省部級科技進步一等獎1項。發表論文30余篇。龐祖富,男,1988年生。清華大學機械工程系碩士研究生。向東,男,1972年生。清華大學機械工程系副研究員。