導電膠粘接可伐載體的仿真模擬分析

李 政,孔令磊,姬 峰,張鵬哲,胡 科

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

引言

混合微電子模塊是航天電子封裝產品的重要部分之一,通常會遇到嚴苛的工作環境,如輻射、水氧,鹽霧,因此需要對其進行相關工序以保證產品長期服役的可靠性[1-2]。目前,電子封裝產品常用的材料有導電膠、錫鉛焊料兩種。其中,導電膠作為一種固化后具備粘接強度和導電性能的綠色環保材料,與錫鉛焊料具有以下優點：（1） 粘接設備成本低且操作簡單；（2） 無鉛具有很好的環保性能；（3） 可與不同材質的基板進行連接；（4） 粘接溫度較低（150 ℃～180℃）；（5） 具有高密度、低間距的連接性能；（6） 不需要再流過程,對芯片和基板影響較小；（7） 電路連接的同時也起到填充材料的保護、防腐等作用,廣泛地運用在微電子封裝批量生產中[3-4]。

導電膠的優點固然較多,但也存在一些不足。如：由于導電粒子電阻率比較高,工作過程中會產生很高的焦耳熱,導電性能比較差,在溫度和濕度循環下容易出現分層失效的現象；連接后的接觸電阻在濕熱情況下穩定性不高；凸點和焊區上導電粒子數不均勻分布會產生每條電路不相同電阻數值的現象；粘接時膠體一定的固化時間影響了產品型號大規模生產的速度,所以隨著導電膠的多種場景中應用,在惡劣環境、大批量下的可靠性問題隨之變得愈發突出[5-6],所以深入研究導電膠粘接可靠性更為至關重要。

1 三維模型的建立

本研究為研究交變載荷加載條件下,導電膠與不同尺寸載板粘接面處產生的熱應力分布,在LD31 鋁合金腔體內建立了H20E 型導電膠粘接可伐載板的三維模型,并通過仿真軟件Workbench 建立數值模擬模型,見圖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度的正方形,導電膠粘接膠層厚度設定為50 μm,鋁合金為邊長20 mm 的正方形。

由于三維模型本身具有對稱性,考慮到有限元運算的簡易性,故取整體結構的1/4 簡化處理進行研究。建立結構簡化模型后,其中可伐載板和鋁板通過導電膠粘接,具體尺寸見表1。為簡化計算模型,各部分均看作彈性模量隨溫度不相關的線性材料,熱力學性能參數,見表2。

表1 模型幾何尺寸參數

表2 熱力學性能參數

為了消除有限元仿真過程中采用自由網格劃分形式帶來的奇異性,現采用Body Sizing 的命令設置對可伐載體粘接模型各個部分進行網格劃分。其中可伐載體、H20E 導電膠、鋁合金底塊的單元尺寸分別設置為0.2 mm,0.1 mm,0.2 mm,并且將Behavior 設置為soft,此時可伐載體、導電膠、鋁合金底塊被劃分為若干層高度從而消除了奇異性。有限元整體結構劃分結束后其中一種可伐載體粘接模型的整體網格劃分情況見圖2,結果顯示共劃分有62 301 個節點,10 235 個單元。模型整體網格類型為六面體,較模型其它網格更為密集。

圖2 可伐載體粘接模型整體網格劃分示意圖

為了保證計算結果的精確性和運算結果的合理性,現對三維模型的結構材料和工況做如下假定：忽略材料對溫度傳導的影響,默認溫度分布均勻；忽略空洞等粘接缺陷,默認完美、均勻粘接；忽略熱輻射、熱交換的影響。

具體熱循環周期示意圖見圖3。其交變溫度范圍為-55 ℃～125 ℃,循環周期為4 860 s,五個周期內溫度循環完全一致,其中一個周期內的溫度載荷隨時間變化的具體表現為：空氣溫度從參考溫度25 ℃以升溫速率6.67 ℃/min 和升溫時間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 ℃。為了保證仿真結果的可靠性,將每個循環周期劃分為五個載荷步,并且每個載荷步設置為五個載荷子步,用以提高有限元計算的精度。同時,將鋁合金底塊固定,整體模型相互垂直的兩側面分別施加法向為0的位移約束。

圖3 熱循環周期示意圖

圖4 為經過溫度循環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,最大值達到3.444e-7。圖5 為此模型經歷溫度循環后變形量和溫度隨時間的變化情況,從圖中可以看出隨著溫度變化,環境載荷也發生變化,且呈現處線性相關的現象,而當進入保溫階段后模型各處溫度數值趨于穩定狀態,因此變形量維持相對穩定的狀態。并且相對于高保溫階段時,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 溫度循環后某一粘接模型的位移分布云圖

圖5 溫度循環后某一粘接模型變形量和溫度隨時間的變化情況

圖6 為4 種不同尺寸粘接模型剪應力分布云圖。由圖可知,應力分布大體一致,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,可伐載板和導電膠熱膨脹系數差異較大,熱量通過對流換熱達到結構表面并逐漸向內部傳遞,結構內不同地方的溫度差異顯著升高,最終導致邊緣位置處剪應力的數值較大,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力分布云圖

圖7 為經過-55 ℃～125 ℃或-60 ℃～145 ℃溫度變化后不同尺寸可伐載體最大應力的變化曲線。由圖可知,兩種溫度范圍下最大剪應力的數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,可伐載體經過-60 ℃～145 ℃溫度變化后具有更大的最大應力數值,由此可見在更大的溫度范圍內可伐載體更容易出現粘接失效的現象,且相對于其他變化階段,可伐載體尺寸由5 mm 到8 mm 變化時,最大剪應力的變化最為明顯,最大應力數值增加了三倍左右。

圖7 兩種溫度幅度下不同尺寸可伐載體最大應力變化曲線示意圖

2 結論

本研究通過有限元仿真的方式,對不同載板尺寸以及不同溫度幅度下可伐載體粘接模型進行模擬研究。得出結論如下：采用H20E 導電膠粘接可伐載體和鋁板時,在溫度變化范圍一定時,可伐載體尺寸越大,粘接面邊緣處應力越大,越容易出現開裂分層的現象；在載板尺寸一定時,溫度變化范圍越大,粘接面處應力越大,越容易出現粘接失效的現象。此外,溫度載荷發生變化時,應力變形出現較大變化,溫度載荷恒定時,應力變形達到穩定的狀態。