大尺寸PGA封裝器件機械試驗裝夾方法研究

朱朝軒，陳亮，但雅

（1.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060；2.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060）

引言

光電微系統是融合微電子、光電子、MEMS、架構、算法五大基礎要素，利用系統設計的思想并采用微納制造工藝（芯片堆疊、TSV技術、晶圓級封裝等），將傳感、通信、處理、執行、微驅動等多功能單元系統級封裝集成在一起的元器件[1]。其設計理念、工藝技術以及所具備的功能，必然使光電微系統在物理結構、封裝管殼及材料等方面與傳統元器件存在差異，從而導致兩者在機械試驗的具體要求不同[2]。例如，同樣為PGA封裝，傳統的PGA器件最常見的機械試驗項目及條件是要求Y1方向高加速離心試驗、Y1方向沖擊試驗以及三方向的振動試驗，而新型PGA封裝的光電微系統要求多方向離心、沖擊和振動試驗；而且，傳統PGA的頂部和底部在機械試驗時可接觸受力，但新型PGA封裝的光電微系統的頂部和底部通常會有光窗、散熱塊等突出結構，無法直接接觸受力，使得現有裝夾方法不能支撐光電微系統的Y1、Y2方向離心、沖擊及Y方向振動試驗。

因此，對新型PGA封裝的光電微系統采用傳統PGA器件機械試驗裝夾方法，無法實現多方向離心、沖擊及振動試驗，而且容易造成光窗碎裂、漏氣等問題，導致質量與可靠性問題，故而本文針對這類器件的機械試驗提出了一種新的裝夾方法，以解決所面臨的問題。

1 提出裝夾方法

由于光電微系統結構的特殊性，使得封裝管殼與傳統的PGA存在差異，其封裝管殼尺寸和內腔體積更大，外引腳更多、間距更小且更靠近基板邊沿，管殼上下表面有凸出結構。如圖1所示的某型短波紅外目標識別與跟蹤微系統，封裝管殼尺寸為40×40 mm，其頂部有一塊14×14 mm的石英光窗，底部有散熱塊、陣列微孔，器件引腳很多且間距小，上下表面沒有可裝夾受力區域。本文將以圖1所示的器件作為示例，闡述所提出的裝夾方法，并完成試驗夾具設計、應力仿真驗證。

鑒于這類器件無法采用傳統的裝夾方法，需通過擠壓器件側面的方式完成裝夾，但由于這類器件的外形尺寸較大，因此本文提出了同時對器件四個側面施加壓緊力，使器件在試驗中能保持固定，受力示意圖與裝夾示意圖分別如圖2（a）、2（b）所示。采用圖2（b）的擠壓方式并用螺釘在對角處擰緊，會同時在器件每側面產生一個正壓力，使得器件的受力方式如圖2（a）所示。而在這種裝夾條件下，由正壓力在接觸面產生的摩擦力可以使器件承受Y方向的離心、沖擊、振動試驗而保持固定不動。

2 設計試驗夾具

基于上述裝夾方法及元器件外形尺寸，便可設計出具體的機械試驗夾具。考慮到試驗夾具實施擠壓的部分為異形結構，若直接將該異形結構裝夾到大試驗臺上，必然會存在裝夾不便，且器件會額外承受來自試驗臺緊固件的外力且量值很大，從而造成器件被擠壞，因此本文采用子母夾具的組合形式，即異形結構作為子夾具，用以固定器件，封口盒式夾具作為母夾具，用以裝夾子夾具[3]。選擇封口盒式的母夾具好處在于母夾具與子夾具之間采用過渡配合，能保證子夾具固定不動同時又不會遭受額外的擠壓，而且本文所提出的裝夾方法其裝夾過程繁瑣，時間較長，采用封口盒式母夾具則可通用于離心、沖擊、振動試驗，只需對器件進行一次裝夾便能完成所有機械試驗，避免了重復裝夾所耗費的時間，從而大幅提高試驗效率。

所設計的子夾具模型如圖3所示，母夾具模型如圖4所示，夾具的裝夾效果如圖5所示。其中，子夾具外側的4個側面分別與母夾具內腔的4個側面采用過渡配合，母夾具內腔深度值剛好等于5個子夾具堆疊的高度，從而保證母夾具蓋板能壓緊子夾具。如此一來，只需調整母夾具的裝夾方向，便能實現對器件各個方向的離心、沖擊以及振動試驗。

圖1 新型PGA封裝微系統示例

圖2 受力示意圖及裝夾示意圖

圖3 子夾具模型

圖4 母夾具模型

圖5 子母夾具裝夾剖視圖

3 仿真分析及驗證

利用ANSYS Workbench，對圖5所示的夾具模型進行離心、沖擊以及振動試驗仿真，所選的短波紅外目標識別與跟蹤微系統機械試驗的具體要求如表1所示，仿真過程中施加的載荷需，則根據表中對應的機械試驗要求設置。

將模型導入ANSYS workbench，搭建起離心、沖擊和隨機振動試驗仿真系統[4]。在離心試驗仿真系統中，先根據實際受力情況設置固定支撐面（Fixed Support），基于勻速圓周運動公式將試驗量級轉換成轉動角速度值，并根據試驗方向和離心機轉子大小設置轉動角速度的轉軸位置。從而得出離心試驗仿真結果如圖6、圖7所示。可以看出：應力最大值分別出現在夾具與轉子的接觸支撐面上，而且母夾具蓋板邊沿設計了四個半沉頭連接孔，使得該區域受力面減少而應力值達到82.7 MPa，但夾具的材料為硬鋁2A12，其屈服強度約為265 MPa，因此母夾具滿足強度要求；從子夾具的應力云圖可以看出，應力隨著轉動半徑的增加而增大，靠近固定支撐面的子夾具應力最大，約為25 MPa，遠小于材料的應力極限值，因而子夾具的應變計變形量完全可忽略不計，所以在實際離心試驗中，夾具沒有過度形變的風險，器件也不會因夾具變形而受損或滑脫。

在同等量級、脈寬的各種經典沖擊波形中，方波的沖擊能量最大，而上述夾具在±X和±Z四個方向的力學性能相同。因此，本文在沖擊試驗仿真系統中，僅針對Y1、Y2、X1方向進行量級為1 500 g、脈寬0.5 ms的方波沖擊試驗試驗仿真。各項沖擊試驗仿真結果別如圖8～10所示。由應力云圖可知：夾具在受沖擊的過程中，最大應力值僅在10 MPa左右，Y1、Y2方向沖擊的最大應力位于受沖擊的約束面上，其他方向沖擊的最大應力位于母夾具腔體厚度最薄的位置。但由于最大應力值遠小于材料強度極限，說明所設計的夾具符合沖擊試驗標準和要求。

表1 某型短波紅外目標識別與跟蹤微系統機械試驗要求

圖6 Y1方向離心試驗仿真結果

圖7 Y2方向離心試驗仿真結果

圖8 Y1方向沖擊試驗仿真結果

圖9 Y2方向沖擊試驗仿真結果

同理，隨機振動試驗仿真只針對夾具X、Y兩個方向進行。隨機振動載荷根據GJB 548B的對應條件設置[5]，選擇兩個與振動載荷方向垂直的面作為固定約束面。X方向的隨機振動仿真結果如圖11所示，結合高斯分布和Miner方法，隨機振動過程中1σ、2σ、3σ區間應力發生的時間分別占振動時間的68.3 %、95.4 %和99.73 %，假定大于3σ范圍的應力不存在于振動試驗中，故而將3σ應力作為隨機振動仿真中夾具所受的最大應力，此時X方向隨機振動的最大應力約為0.3 MPa。另外，查看最大應力位置的PSD響應曲線如圖12所示，PSD響應曲線近似于驅動PSD曲線，說明夾具在振動頻率范圍內沒有共振點，不存在共振現象。改變固定約束和振動載荷方向，進行Y方向隨機振動試驗仿真，發現仿真結果與X方向結果雷同。由此說明，該夾具符合振動條件，滿足產品三方向的隨機振動試驗要求。

通過離心、沖擊及隨機振動仿真分析可以看出，離心試驗的應力值最大，沖擊試驗次之，隨機振動試驗的應力值最小，這正好與新型PGA封裝微系統的離心、沖擊和振動的難易程度對應。而各個方向的離心、沖擊、振動試驗仿真結果表明，所設計的夾具符合多方向機械試驗的要求，能解決實際問題。

圖10 X1方向沖擊試驗仿真結果

圖11 X方向隨機振動試驗仿真結果

圖12 X方向隨機振動試驗仿真響應曲線

4 總結

本文針對新型PGA封裝的電子元器件多方向離心、振動、沖擊等機械試驗要求，在現有裝夾方法無法滿足這一要求的前提下，提出了從側面以大小相等的力同時擠壓器件的裝夾方式，設計出具體工裝夾具并完成各種機械試驗仿真，證明了工裝夾具符合使用要求，所提的裝夾方法可有效解決實際問題。此外，僅需改動子夾具結構，該裝夾方法便可適用于其他有多方向離心、沖擊、振動需求的封裝類型產品。因此，本文提出的裝夾方法具備一定的指導意義。