撓性基板光電互聯結構的熱應力可靠性研究

聶國健,于 迪,雷 庭,李欣榮,楊 云

(工業和信息化部電子第五研究所,廣州 510610)

0 引 言

為解決電信號在高工作頻率下出現的電子傳輸瓶頸問題,現代電氣互聯技術將電互聯與光互聯的優勢相結合,構成光電互聯技術。國內外學者對光電互聯技術進行了相應的研究,Tao等人研究了光電互聯基板(Printed Circuit Board,PCB)在涂覆工藝中光波導芯層變形對耦合效率的影響[1-2]；Bamiedakis等人研究了回流焊下焊點位移與耦合效率之間的關系[3]；He等人分析了光電器件功耗對光電PCB中各器件溫度分布的影響[4]；吳松等人研究得到了耦合效率與焊點參數之間的關系模型[5]；成磊等人研究得出光電互聯結構在隨機振動和熱循環下都能夠保證光傳輸的穩定性[6-7]。

為實現電子系統高密度與高速度的互聯,撓性PCB光電互聯已引起國內外學者的高度關注,但目前的研究主要集中在撓性光波導軟膜的制作[8],而對于撓性光電互聯結構在實際工作情形下的可靠性研究尚待明確,撓性光電組裝之間的對準偏移對耦合效率的影響也不清晰。為此,本文研究建立了埋入光纖撓性PCB光電互聯結構有限元模型,分析了焊點、光纖及耦合效率在熱—結構耦合下的可靠性,研究結果可為埋入光纖撓性PCB光電互聯結構設計提供依據。

1 光電互聯結構有限元模型建立

1.1 光電互聯結構模型尺寸

埋入光纖撓性PCB光電互聯結構有限元仿真模型如圖1所示。PCB由上下兩層組成,上層為陶瓷PCB,長寬高為12 mm×8 mm×1 mm,下層為撓性PCB,長寬高為24 mm×20 mm×0.5 mm,其中,垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)通過24個材料為SAC305的焊球封裝在陶瓷PCB上,焊球的直徑為0.1 mm、高度為0.15 mm,陶瓷PCB與撓性PCB之間通過56個直徑為0.25 mm、高度為0.4 mm的SAC305焊球相連。撓性PCB內部埋入間距為0.25 mm的1×4陣列光纖,光纖的芯層與包層直徑分別為62.5與125.0μm,VCSEL發出的光束通過耦合元件傳輸至光纖,耦合元件的上表面與陶瓷PCB上表面平齊,耦合元件下表面與埋入光纖槽型的下表面平齊[9]。

圖1 埋入光纖撓性PCB光電互聯結構有限元仿真模型

1.2 材料參數

除焊點外,光電互聯結構中各部分材料可認為是各向同性的線彈性材料,彈性模量E、泊松比μ、材料密度ρ和熱膨脹系數(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)CTE如表1所示。焊點材料為SAC305,采用粘塑性ANAND方程描述其力學行為,表2所示為SAC305材料的參數[9],表中,S0為內變量初始值；Q為激活能；R為氣體常數；A為常數；ξ為應力因子；M為應變率敏感指數；h0和a為應變硬化參數；S為變形阻力飽和值系數；n為應變率敏感度。

表1 材料參數

表2 SAC305焊點材料ANAND方程系數

1.3 熱循環邊界條件設置

對建立的光電互聯結構的1/2模型中間剖切面施加對稱約束,此外,為了防止PCB運動,對撓性PCB下表面的兩個角點施加全約束。熱分析中采用solid70單元,在結構分析中將solid70單元轉換成solid185單元。

根據光器件Telcordia GR-468可靠性標準,選取熱循環試驗條件。該試驗條件參數如下:熱循環的最高和最低溫度分別為85和-45℃；升溫和降溫的速率均為10℃/min；在最高和最低溫度時都保溫10 min；一個熱循環的周期為2 700 s,共循環3個周期；初始的參考溫度為25℃。熱循環加載曲線如圖2所示。

圖2 熱循環加載曲線

2 熱—結構有限元結果分析

由于光電互聯結構中材料的熱膨脹系數不一致以及PCB的角點受到全約束限制,從而使得各個部件之間會產生周期性的熱應力和內應力。此外,熱應力使得光電互聯結構中各個部件受到周期性的拉壓變形,從而使VCSEL與上透鏡、下透鏡與光纖之間產生對準偏差,降低耦合效率。

2.1 焊點熱應力可靠性分析

在熱循環沖擊下,焊點發生周期性的熱應力,焊點應力如圖3所示。由圖可知,在熱循環溫度的沖擊下,連接VCSEL上層焊點的最大熱應力為15.892 MPa,并且靠近中心處的焊點應力大于四周的焊點應力。而連接陶瓷PCB與撓性PCB的下層焊點的最大熱應力為6.945 MPa,位于角點處,由下層焊點的熱應力分布圖可知,焊點應力由四周向內逐漸減小。

焊點材料為SAC305,其剪切強度K=35 MPa,令σ1=σs、σ2=σ3=0,σ1、σ2和σ3分別為第1、2和3主應力,根據Von Mises準則,由第4強度條件計算公式得到焊點的等效屈服應力σs為

圖3 焊點應力圖

由此可知,上、下層焊點在熱循環沖擊下產生的最大熱應力(上、下層焊點最大熱應力分別為15.892和6.945 MPa)均小于其屈服應力,因此光電互聯結構中的焊點在Telcordia GR-468可靠性標準中的熱循環負載下不會因為熱應力過大而發生屈服失效。

2.2 光纖熱應力可靠性分析

在熱循環溫度的沖擊下,提取光纖受到的最大熱應力,分析結果如圖4所示。由圖可知,在熱循環的沖擊下,光纖受到矩形槽的約束,在光纖與槽型接觸處產生的最大熱應力為141.03 MPa。而光纖的實際斷裂強度約為4.07 GPa,由此可知,在Telcordia GR-468可靠性標準中的熱循環負載下,光纖不會因熱應力過大而失效。

圖4 光纖應力圖

2.3 耦合效率可靠性分析

耦合器件之間的對準偏移是影響光電互聯模塊耦合效率的主要原因,由于光電互聯模塊在Z軸方向上的對準偏移對耦合效率的影響很小,可忽略不計,因此本文重點研究光電互聯結構在X和Y方向上的偏移對耦合效率的影響。通過對光電互聯結構施加熱循環載荷,分析得出VCSEL與上透鏡、光纖與下透鏡在X和Y方向上的對準偏移,最大對準偏移量如表3所示,研究各對準偏移對耦合效率造成的損耗,分析結果如圖5所示。

圖5 對準偏移圖

表3 最大對準偏移量

由圖可知,VCSEL與上透鏡在X和Y方向的對準偏移分別約為1和2μm,光纖與下透鏡在X和Y方向的對準偏移均約為4μm。在以上對準偏移量下,光電耦合模塊的耦合損耗約為0.7 dB,由此可知,以上對準偏移對耦合效率的影響較小[10]。

3 結束語

本文通過建立撓性光電互聯結構的有限元模型,對其進行熱—結構分析,獲得了焊點和光纖的應力分布圖、光電互聯模塊與VCSEL和光纖之間的對準偏移,通過對以上結果的分析獲得以下結論:(1)在熱—結構加載條件下,上層焊點產生的熱應力大于下層焊點,上層焊點的最大熱應力為15.892 MPa,且靠近中心處的焊點應力大于四周的焊點應力。(2)在熱沖擊載荷下,光纖與槽型接觸處產生的熱應力最大,為141.03 Mpa。(3)光纖與下透鏡在X和Y方向產生的對準偏移最大為4μm,此時造成的耦合損耗為0.7 dB。埋入光纖撓性PCB光電互聯結構在熱—結構分析中,焊點與光纖應力均處于安全范圍,光電耦合效率受到的影響不顯著,能夠保證光傳輸的穩定性。本文的設計方案及分析結果可為提高撓性光電傳輸的可靠性和撓性光電組裝提供參考。