大尺寸LTCC器件在鋁合金封裝模塊中的可靠性設計

王合利　徐達　王志會　常青松

摘 要： 在軍用鋁合金微波模塊中焊接尺寸較大的LTCC器件時，由于熱失配的存在，易出現應力過大甚至開裂。當采用陶瓷基板時問題更為突出。在此采用有限元分析方法研究了這類結構在溫度循環過程中應力變化和分布的特點。研究結果表明，當采用陶瓷基板時，封裝盒底厚度與其上各層結構（包括過渡層墊板，陶瓷基板和陶瓷元件）厚度的不合理匹配會導致陶瓷器件產生過高應力，可靠性降低。合理的設計應是減小過渡層墊板和陶瓷基板厚度，同時增加封裝盒底厚度。

關鍵詞： LTCC； 鋁合金； 應力分析； 可靠性設計

中圖分類號： TN604?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0152?03

Reliability design for soldering large?size LTCC component

in microwave module with aluminum alloy package

WANG He?li， XU Da， WANG Zhi?hui， CHANG Qing?song

（The 13th Research Institute， China Electronics Technology Group Corp.， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract： High stress and even failure problem， induced by thermal expansion mismatch， are usually observed in the soldered LTCC component in microwave module with aluminum alloy package， especially when ceramic substrate is used. The stress evolution and distribution of such structure were analyzed with finite element method. The results show that for ceramic substrate， too high stress primarily results from the mismatch of the thickness of package bottom and each architecture adhering to the bottom （such as stress transition layer， ceramic substrate and ceramic component）. Proper design strategy is to decrease in the thickness of stress transition layer and ceramic substrate， and increase in the thickness of package bottom.

Keywords： LTCC aluminum alloy； stress analysis； reliability design

0 引 言

低溫共燒陶瓷（LTCC）無源器件，如耦合器和濾波器等，具有體積小，集成度高和優異的高頻特性等特點，已開始在軍用微波組件模塊產品中廣泛應用[1?2]。由于低溫共燒陶瓷屬脆性材料，而且這類器件尺寸相對常用片式阻容元件一般都比較大，因此與基板材料熱匹配一直是影響其可靠性的重要問題[3]。特別是對于鋁合金封裝的微波模塊，如果結構或工藝不當，過高的熱應力會造成電極剝離、焊點開裂甚至器件斷裂等可靠性問題。對于一些軍用或航天產品，要求通過高壓大功率或嚴格控制產品內部水汽含量時，PCB基板難以滿足應用要求而必須采用陶瓷基板，此時由熱膨脹系數失配造成的熱應力問題更為復雜，可靠性問題更加突出。本文采用有限元方法研究了鋁合金封裝中采用陶瓷基板時LTCC器件的熱應力變化和分布特點，提出優化的結構設計原則，為實際的產品生產提供指導。

1 有限元模型

氧化鋁陶瓷是微波領域最為常用的陶瓷基板。當在鋁合金微波組件中采用這種陶瓷基板時，由于熱失配嚴重，必須在基板與鋁合金外殼之間加入高彈性模量，熱膨脹系數接近陶瓷的應力緩沖材料，如鉬銅合金。盡管LTCC材料的熱膨脹系數（一般4～6 ppm/K）與氧化鋁陶瓷基板（6.8～7.2 ppm/K）較為接近，但實際發現，不合理的結構設計完全可能在LTCC器件上產生高的熱應力并造成瓷體斷裂。本文以一種LTCC耦合器為例，采用有限元分析方法研究這類結構應力的分布和變化特點。結構的示意圖如圖1所示。為簡化分析，將LTCC元件簡化為規則的長方體，圖2為所建立的三維有限元模型，根據國軍標GJB548?96中的溫度循環試驗標準模擬溫循過程中應力大小和分布。溫度范圍：-65～150 ℃，保持時間30 min，轉換時間1 min。

在模型中均采用蠕變和塑性統一的Anand模型來描述釬料的力學本構關系，其具體形式為[4]：

[εp=Asinhξσs1mexp-QRT] （1）

[s=h0BaBBεp] （2）

[B=1-ss*] （3）

[s*=sεpAexpQkTn] （4）

式中：[So]為初始形變阻抗；[Q]為激活能；[R]為氣體常數；[A]為循環強度系數；[ξ]為應力乘子；[h0]為硬化/軟化系數；[m]為應變率敏感指數；[s]為形變阻抗飽和值；[n]為指數；[α]為循環應變硬化指數。具體參數[5?6]見表1。模型中其余材料參數[7?8]見表2。

2 計算結果與討論

在以往的結構設計中由于認為較厚的陶瓷基板和墊板具有較高的可靠性，因此習慣陶瓷基板和鉬銅墊板均采用1 mm厚度，而鋁合金外殼底部厚度則在2～4 mm之間。這種結構設計是否合理先需驗證。假設氧化鋁陶瓷基板尺寸為22 mm×18 mm×1 mm，鉬銅過渡墊板與陶瓷基板等尺寸，厚度也為1 mm，鋁合金外殼尺寸47 mm×40 mm，厚度為2.5 mm，計算該結構在溫循過程中的熱應力。陶瓷等脆性材料最主要的斷裂模式是在拉應力作用下的Ⅰ型張開型裂紋擴展斷裂[9]。因此，分析時主要以結構的最大拉應力（即最一主應力）作為可靠性評價指標。由于LTCC器件、陶瓷基板和墊板的熱膨脹系數均比鋁合金材料小，非平衡的熱應力導致附加彎矩作用。在溫循低溫時刻，結構整體向結構內部凹陷，LTCC器件和基板承受彎曲變形，上表面產生拉應力，如圖3所示。圖4和圖5分別為LTCC器件和陶瓷基板的最大拉應力云圖，二者在上表面均出現了較大的拉應力。

進一步改變了外殼底部厚度、陶瓷基板厚度和鉬銅墊板厚度，形成不同的配比組合，計算相同條件下的熱應力，應力分析結果列于表3中。

對比第1組和第2組結構發現，采用薄的外殼底厚（1 mm）相比采用較厚的外殼底厚（2.5 mm），LTCC器件最大拉應力有所降低，但仍然較高，同時其下的陶瓷基板最大拉應力增加，即陶瓷基板開裂的傾向增大，而且過薄的盒體在焊接后或溫循過程中容易變形，不利于其他基板、元件的組裝和可靠性。第3組結構去掉了鉬銅墊板，LTCC器件的應力峰值變化不大，而陶瓷基板的拉伸應力有了較明顯的降低。但由于陶瓷基板與鋁合金熱膨脹系數相差很大，陶瓷基板與鋁合金外殼之間的界面焊料層剪切應力明顯增大，即結構在服役過程中承受溫度多次交變載荷后，焊料層開裂或者界面分層可能性大大增加。

注：厚度比例=盒底厚度[∶]（LTCC厚度+基板厚度+墊板厚度）

第4組結構采用了厚度為0.4 mm的陶瓷基板和厚度為0.2 mm的墊板，陶瓷基板應力明顯減小，但LTCC元件應力不降反升。第5組結構相比第4組外殼底部厚度由2.5 mm增加至5 mm，此時LTCC元件應力才明顯減低。綜合上述分析：減小基板和墊板厚度，同時增加封裝盒底厚度，即增加盒體厚度與基板、元件的厚度比，可以同時明顯降低LTCC元件和陶瓷基板的應力，提高這類結構的可靠性。從結果來看，外殼底部厚度與LTCC器件、基板和墊板厚度之和的比例要達到2[∶]1以上。

3 實驗及結果

為驗證有限元分析，進行了鋁合金外殼封裝LTCC耦合器全焊接結構的溫度循環試驗。耦合器的尺寸為14 mm×12 mm×1.9 mm，耦合器下方基板為96%氧化鋁陶瓷基板，尺寸為20 mm×16 mm×1 mm，鉬銅墊板與之等尺寸，厚度為0.5 mm。鋁合金盒體底厚為4 mm。試驗數量為40只，溫度循環試驗按《GJB548B?微電子器件試驗方法和程序》中1010方法相關規定進行。溫度循環條件：-55～125 ℃，高低溫保持時間均為30 min，轉換時間小于1 min，試驗設備為富奇VT7006S2高低溫試驗箱，試驗共進行100次循環，試驗完成后用顯微鏡目檢LTCC耦合器和陶瓷基板是否出現裂紋。試驗后發現，LTCC耦合器出現斷裂，開裂的比例為17.5%，陶瓷基板無斷裂現象。仍采用等尺寸的96%氧化鋁陶瓷基板，但厚度改為0.4 mm，鉬銅墊板厚度改為0.2 mm，其余結構參數不變，進行了相同條件的溫度循環試驗，40個樣品中均未出現LTCC耦合器或陶瓷基板斷裂。試驗結果表明，降低陶瓷基板與墊板厚度，即改變各層厚度比確實可以降低LTCC器件應力，提高結構可靠性。

4 結 論

本文通過有限元方法研究了在鋁合金封裝外殼中焊接大尺寸陶瓷類元件（如LTCC元件，介質濾波器等）的應力優化問題。研究發現，盒底厚度與其上各層結構（包括墊板，陶瓷基板和LTCC元件）厚度的不合理匹配會導致陶瓷元件在溫循過程中產生過大拉應力，進而開裂。合理的設計原則應是減小墊板和陶瓷基板厚度，而把空間用于增加盒底厚度，盒底厚度至少是陶瓷元件、基板和墊板厚度之和的2倍以上。

參考文獻

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