大尺寸LTCC焊接組件熱變形特性的仿真研究

鄧 超,范 民

(中國電子科技集團公司 第二十九研究所,四川 成都 610036)

0 引言

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術是一種將未燒結的流延陶瓷材料疊在一起制作而成的集成式多層電路,具有優良的高頻、高速傳輸及寬通帶的特性,是一種廣泛使用的微波組件[1-4]。其主要應用技術領域集中在高密度集成技術、大功率模塊和微波/毫米波組件方向,但在軍事上的應用研究較少,所以仍需對LTCC焊接組件做大量研究,避免在實際使用過程中產生預料不到的問題。

在使用過程中,LTCC基板需要通過焊接方式與封裝盒體進行互聯,當組件退火至室溫(22 ℃)時,由于基板與封裝盒體材料的熱膨脹系數不同, LTCC基板會產生退火殘余應力,使LTCC基板在高低溫服役時易出現翹曲和開裂,進而導致LTCC基板電路發生斷裂失效[5-8]。針對LTCC基板與封裝盒體互聯焊接時產生的殘余熱應力而導致電路失效問題,本文研究了不同封裝盒體材料對LTCC基板熱應力變形的影響,采用數值仿真方法研究了不同安裝條件、溫度變化過程中LTCC焊接組件殘余熱應力的變化趨勢,對在溫變環境下研究LTCC焊接組件的可靠性具有指導意義。

近年來,研究者們利用計算機仿真對LTCC焊接組件數值仿真進行了大量研究,其中響應面分析法結合多目標遺傳算法具有工作量小及設計效率高等優點,能夠得到考慮全局應力降低的最優解,是分析應力變化規律的有效手段。本文模擬LTCC焊接組件從焊接溫度(183 ℃)退火至常溫(22 ℃)的工況, 進行高低溫變化下熱應力位移數值仿真分析和熱變形測試,驗證LTCC基板熱應力仿真的合理性。基于以上可行性分析,研究了不同封裝條件下高低溫變化對LTCC焊接組件內部殘余熱應力的影響。為今后采用熱仿真分析預測不同封裝材料和溫變環境下LTCC基板翹曲變形情況提供可靠、穩定、經濟的技術手段。

1 LTCC基板的熱應力仿真

LTCC基板材料為7層Ferro A6M生瓷通過疊壓組成的8通道基板,LTCC基板尺寸為61.4 mm×30.75 mm×1.692 mm,在ANSYS中建立有限元仿真模型如圖1所示。LTCC基板材料參數如表1所示。

表1 LTCC焊接組件材料參數

圖1 LTCC基板仿真模型

LTCC基板作為重點關注對象,網格尺寸取0.8 mm,在厚度方向用掃掠劃分,網格劃分結果如圖2所示。

圖2 LTCC焊接組件網格劃分

仿真時,將LTCC基板的四邊完全約束。仿真分析時,采用的交變溫度載荷為分別施加高、低溫載荷。設環境參考溫度為22 ℃,高溫載荷由室溫(22 ℃)升溫至120 ℃,低溫載荷由室溫(22 ℃)降溫至-55 ℃。

2 仿真與實驗結果分析

2.1 測試方法

采用光學應變測量法進行LTCC基板熱變形應變測量,測量過程為:在LTCC基板表面制作散斑場,由CCD圖像采集系統采集LTCC基板變形前后的散斑圖,通過數字灰度場處理,實現LTCC表面位移的測量。

2.2 測試設備

采用西安交通大學的XJTUDP數字圖像測量測試系統測試LTCC基板熱變形,雙目測量系統由補光燈、計算機、兩臺攝像機、攝像機安裝架、三腳架、圖像采集卡及相關線纜組成,如圖3所示。攝像機安置于攝像機特定的安裝架上,安裝架各平面具有較高的精度,其上帶有刻度,便于調節兩攝像機間的距離。系統主體結構不包括計算機。兩臺攝像機為分辨率完全相同(1 280 pixel×960 pixel)的工業CCD攝像機,三綜合實驗箱型號為WSZ635A,三綜合實驗箱采用電熱絲+熱吹風(熱對流的形式)方式。

圖3 測量系統

2.3 測試條件

安裝完成后,開始加載溫變載荷,同時開啟攝像機進行數據采集,以 2幀/s的速度采集LTCC焊接組件在不同時刻的散斑圖。實驗箱升溫速率為3 ℃/min,溫度從22 ℃升到120 ℃后保溫40 min,提取表面應變數據;然后以降溫速率為1.5 ℃/min從120 ℃下降到-55 ℃,保溫40 min,提取表面應變數據;最后以升溫速率為3 ℃/min從-55 ℃升到22 ℃,保溫20 min。

2.4 仿真與實驗結果對比分析

隨機選取LTCC基板表面的10個點作為對比點,位置如圖4所示。對比120 ℃和-55 ℃時LTCC基板焊接組件表面位移仿真與測量云圖,如圖5、6所示。

圖4 觀測點位置標注

圖5 120 ℃時LTCC基板表面位移云圖

圖6 -55 ℃時LTCC基板表面位移云圖

圖7為不同溫度下LTCC基板的仿真與測試結果比較。表2為仿真和測量數據間的誤差。由表可知,仿真與實驗數據的誤差小于10%,說明應用ANSYS進行LTCC基板仿真可行,能給出較正確、合理的預測。本次LTCC基板的表面位移測量實驗中僅能測量基板表面的位移。基板表面的應力不能直接測量,但應力與位移成正比,仿真位移結果的合理性,使仿真應力也具有合理性。因此,LTCC基板熱應力仿真可用于研究不同封裝條件下高低溫變化對LTCC焊接組件內部殘余熱應力的影響。

表2 仿真數據和實驗數據時間的相對誤差 %

圖7 仿真與測試結果的比較

3 不同封裝條件下仿真結果分析

LTCC基板通過焊接的方式與盒體進行封裝,當組件退火至室溫(22 ℃)時,由于基板與盒體熱膨脹系數不同,導致二者產生一定的退火殘余應力,當溫度處于上限(120 ℃)、下限(-55 ℃)時,基板焊接組件中同樣存在殘余應力。基于以上可行性分析,對LTCC基板采用零膨脹合金和硅鋁合金盒體進行焊接封裝后(見圖8),仿真研究了退火至室溫(22 ℃)、高溫(120 ℃)和低溫(-55 ℃)載荷下的殘余熱應力。為統一對比標準,仍然選取之前仿真分析中的10個觀測點。LTCC焊接組件的各材料參數如表3所示。

表3 LTCC焊接組件材料參數

圖8 LTCC焊接組件

LTCC基板與封裝盒體間通過SnPb焊料(焊料熔點為183 ℃)焊接在一起,用來模擬焊料的單層導入裝配模塊下,將其放置在封裝盒體的中心腔體位置,焊層底面與封裝盒體腔體表面重合,兩個側面分別與對應的封裝盒體中心腔體的側面重合,LTCC基板的底面與焊層表面重合,LTCC基板兩個側面分別與封裝盒體中心腔體的側面重合。設焊層厚度為0.1 mm,如圖9所示。焊層的三維模型簡單規則,故對焊層豎直方向(y向)選擇掃掠劃分方式,均劃分為3層網格;焊層表面網格尺寸設為0.8 mm,最終劃分結果如圖9所示。

圖9 焊層的網格劃分結果圖

3.1 零膨脹合金封裝

初始溫度設置為焊料焊點溫度(183 ℃),模擬退火時工況,通過有限元仿真計算得到室溫(22 ℃)、高溫(120 ℃)和低溫(-55 ℃)下零膨脹合金封裝LTCC基板表面應力云圖,仿真結果如圖10所示。仿真應力值如表4所示。

表4 零膨脹合金封裝LTCC基板表面仿真應力 MPa

圖10 不同溫度下零膨脹合金封裝LTCC基板表面應力云圖

由圖10可看出,LTCC基板采用零膨脹合金焊接封裝后,溫度降至室溫時,LTCC基板產生殘余熱應力,熱應力分布不均勻,兩側邊緣應力較大,中間應力較小,LTCC基板呈翹曲狀態。高低溫條件下,熱應力發生較大變化,低溫條件下殘余熱應力明顯增大。

3.2 硅鋁合金封裝

初始溫度設置為焊料焊點溫度(183 ℃),模擬退火時工況,通過有限元仿真計算得到室溫(22 ℃)、高溫(120 ℃)和低溫(-55 ℃)下硅鋁合金封裝LTCC基板表面應力云圖,仿真結果如圖11所示。仿真應力值如表5所示。

表5 硅鋁合金封裝LTCC基板表面仿真應力 MPa

圖11 不同溫度下硅鋁合金封裝LTCC基板表面應力云圖

由圖11可以看出,LTCC基板采用硅鋁合金焊接封裝的熱應力分布與零膨脹合金相似,兩側邊緣應力集中,中間殘余應力小,呈翹曲狀態。

繪制室溫(22 ℃)、高溫(120 ℃)和低溫(-55 ℃)下LTCC基板的殘余應力折線圖。圖12為不同封裝材料在不同溫度條件下LTCC基板表面應力對比。

圖12 不同封裝材料在不同溫度條件下LTCC基板表面應力對比

由圖12可看出,通過對比相同溫度、不同封裝材料的LTCC基板表面應力點,不同溫度條件下,零膨脹合金封裝的LTCC基板殘余熱應力較大。這是由于零膨脹合金熱膨脹系數為0,受溫度變化時不產生任何變形,對基板產生很大約束,因此殘余應力最大;硅鋁合金的熱膨脹系數與LTCC基板相近,硅鋁合金受溫度變化時與基板共同變形,會抵消一部分基板的變形。因此,采用硅鋁合金封裝時,其殘余應力相對于零膨脹力合金的殘余應力較小。

綜上所述,在進行LTCC基板封裝時,為減小熱殘余應力,應盡可能選擇與基板的熱膨脹系數近似的封裝材料, 使LTCC封裝組件熱膨脹系數盡量匹配,封裝材料產生一定的約束,LTCC基板無法自由膨脹,達到減小熱應力的目的。

4 結論

本文用實驗驗證了溫變載荷條件下LTCC表面位移仿真計算結果,并在采用零膨脹合金、硅鋁合金封裝后室溫(22 ℃)、高溫(120 ℃)和低溫(-55 ℃)3種溫度載荷條件下對LTCC基板的殘余熱應力進行了研究,得出的具體結論如下:

1) 仿真與實驗結果有較好的一致性,表明用數值仿真的方法對LTCC基板封裝焊接后的殘余熱應力影響進行分析是可行的。對預測LTCC基板的翹曲變形具有指導意義。

2) LTCC基板封裝焊接后會產生殘余熱應力,仿真結果顯示,封裝焊接后LTCC基板兩側邊緣應力集中,中間殘余應力小,呈翹曲狀態。

3) 采用硅鋁合金封裝焊接的熱應力小于零膨脹合金封裝的熱應力,這是由于硅鋁合金的熱膨脹系數與LTCC基板相近,硅鋁合金受溫度變化時與基板共同變形,會抵消一部分基板的變形。因此,在進行LTCC基板封裝時,應選擇與基板的熱膨脹系數近似的封裝材料,使LTCC封裝組件熱膨脹系數盡量匹配。