恒定加速度試驗中陶瓷密封器件所受不良應力*

羅 玨，趙鶴然，田愛民，劉慶川，李莉瑩

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032；2.沈陽農業大學信息與電氣工程學院，沈陽110866）

1 引言

恒定加速度試驗是一項重要的篩選試驗項目，它是使用高應力試驗來測定封裝、內部金屬化和引線系統、芯片或基板以及微電子器件其他部件的機械強度極限值[1]。常見的恒定加速度試驗方法主要有埋砂法、磁貼法和夾具法等，每種試驗方法存在各自的優勢和劣勢[2－3]。杜迎、朱衛良等人[4]提出，除了試驗應提供的法向加速度以外，應盡量設法減小離心機開關過程引入的切向加速度。通過比較DIP40和CQFP240外殼，劉慶川[5]提出，在使用夾具法時進行較長管殼的試驗時更容易引入彎曲應力，提出在裝配夾具時應添加柔性材料以緩解扭力。楊軼博，丁榮崢等人[6]通過試驗和有限仿真，發現夾具的制作精度較低時，容易引起器件的陶瓷主體懸空，會導致密封區漏氣，預先添加塑性材料可以彌補夾具精度缺陷。張國華，杜迎等人[7]的研究顯示，較大尺寸的外殼在埋砂法試驗中容易發生蓋板凹陷，增加表面貼片可以增加蓋板的抗凹陷能力，但這樣增加了彎矩導致焊料區易漏氣；帶有保護材料的磁貼法可以避免上述問題。

在參考借鑒上述研究成果的基礎上，通過有限元仿真分析的方法，進一步研究三種恒定加速度試驗過程中引入的不良應力，分別指出損傷機理；針對存在較大風險的夾具法提出夾具的優化設計，以有效降低不良應力的影響。

2 試驗方法

選取CQFP240陶瓷外殼作為研究對象，按GJB548B方法2001.1條件E（30000 g）為試驗條件。模型包括：芯片、管殼、金錫焊料、蓋板、夾具上和夾具下等。夾具上與夾具下無間隙配合，定義綁定接觸。其中芯片與管殼之間為摩擦接觸，管殼與夾具之間定義為摩擦接觸。其他部件接觸定義為綁定接觸。仿真模型示意圖如圖1所示。

圖1恒定加速度仿真模型

網格劃分以六面體主導，并在倒角處等曲率大的位置對網格進行加密，以得到更高質量的模擬網格。網格整體大小在0.2mm~0.5mm之間，加密網格部分在0.1mm之下。由于金錫尺寸較小，對金錫再網格加密處理，網格為0.01mm。網格采用實體單元solid186 20節點六面體單元，節點數量224521個，單元83462個。有限元網格劃分如圖2所示。

圖2有限元網格劃分

恒定加速度仿真系統的搭建基于有限元力學分析，分為幾何模型及網格、基礎模態模型、埋砂法分析模塊、磁貼法分析模塊和夾具法分析模塊等，模擬的建立流程如圖3所示。

圖3恒加速仿真模塊建立流程簡圖

實驗樣品所使用的各部件材料包括4J42蓋板材料，氧化鋁陶瓷材料，塑料夾具材料；材料數據包含密度，彈性模量，泊松比等，如表1所示。

表1材料屬性表

3 恒定加速度各階段受力分析

恒定加速度試驗在不同階段樣品受力情況各異，如圖4所示[8]。其中，在試驗中期望使用的是離心機在等速圓周運動過程中提供的法相加速度，如圖4(a)所示。但是，為了達到角速度ω，離心機需要有一個轉速增加的過程，在這個過程中，器件不但受到逐漸增加的法向加速度，還受到一個變化的切向加速度，如圖4(b)所示。同理，在離心機降速過程中，除了受到法向加速度之外，器件同樣受到切向加速度，如圖4(c)所示。

圖4恒定加速度試驗不同階段受力情況

4 仿真分析結果及討論

4.1 埋砂法危險工況仿真分析

由于埋砂法與砂材料大小、彈性、顆粒間隙等因素息息相關，因此邊界條件不固定。砂材料既為邊界條件，又為載荷條件，故在軟件內采用不定方式替代常規因素進行模擬。

在啟停階段，金剛砂顆粒類加速沖擊作用在蓋板上，使蓋板產生了形變。進一步，應力和形變傳遞到焊料環上，使金錫焊料環受到彎矩力，發生彎曲變形，應力最大值為203.67MPa，小于金錫焊料的許用應力275MPa，仿真結果如圖5所示。由于金錫為薄殼結構，剛度弱，橫向變形量接近0.02mm，如圖6所示。

圖5埋砂法模擬焊料環應力

圖6埋砂法模擬焊料環變形量

這一形變量相對于金錫焊料環的厚度來說是一個相當大的數值，容易引起焊料破損導致器件漏氣，隱患很大，因此CQFP240這類較大尺寸外殼的電路不宜采用埋砂法進行試驗。

4.2 磁貼法危險工況仿真分析

蓋板被磁貼吸附時，管殼因受較大向心力會有變形，圖7為磁貼法模擬器件應力的比例夸張顯示，整體應力不大，集中分布于金錫焊料環上。

圖7磁貼法模擬器件應力

當器件處于恒定加速度試驗的等速圓周運動時，應力達到最大值。此時焊料環上的應力最大值為112.67MPa，小于金錫焊料的許用應力275MPa。磁鐵法焊料環應力模擬結果圖如圖8所示。

圖8磁鐵法模擬焊料環應力

金錫焊料環四個外邊與管殼彎曲接觸最近，所以應力相對較大。當蓋板面積減小、管殼尺寸增大時，管殼彎曲增大；在等速圓周運動時，焊料環上的最大應力值也會增大。當焊料環上的應力接近或超過許用應力時，焊料環易損壞，多發器件漏氣現象。

4.3 夾具法危險工況仿真分析

在等速圓周運動階段，法向向心力為主應力，陶瓷外殼受到彎矩作用，上下金錫應力相對大。但整體應力值較小，應力在29MPa，遠遠小于許用應力，此時產生破壞為極小概率事件。

在轉速增加過程中，應力云圖（夸張顯示）如圖9所示。從圖中可以看出，夾具四角及金錫和蓋板應力較大，高達395MPa?？紤]有限元計算偏移網格因素，實際金錫試驗過程易形成接觸之間的斷裂。

圖9埋砂法加速過程應力

器件在離心機加速過程中，與夾具產生切向相對位移的趨勢。夾具內角的不同方案可簡單如圖10來表示。首先，在采用初始方案時，因為夾具的四角開孔，開孔處的尖角直接作用與焊料環上，使焊料環的轉角處產生了較大的應力集中，超過了許用應力，如圖10(a)所示。這種夾具匹配不良是很多器件在恒定加速度試驗后漏氣的原因。故此須采用圖10(b)和圖10(c)兩種優化方案。

圖10夾具法夾具內角方案

優化后的仿真結果如圖11所示?？梢钥吹?，優化方案一中焊料環應力最大值仍高達351MPa，說明該方案未起到明顯作用。在優化方案二中，應力集中明顯向相鄰兩邊均勻擴散，應力重分配，緩解了四個角的受力，應力降低顯著，最大值降低到180 MPa，但該方案對夾具的加工精度依賴較高。

圖11夾具法優化方案效果

5 結束語

通過仿真研究可知，對于CQFP240這類較大的外殼，在埋砂法恒定加速度試驗的啟停階段，焊料環會因形變過大而損傷；采用磁鐵法試驗時，CQFP240外殼的焊料環受到的應力在可接受范圍內，不會發生漏氣現象。從仿真結果看，在夾具法試驗中，器件焊料環的受力情況與夾具的設計有很大關系，設計不當會導致焊料環局部應力集中。優化設計后，焊料環受到的應力在可接受范圍內。因此，在實際恒定加速度試驗時，需根據外殼尺寸特征選擇合適的試驗方法，必要時增加柔性材料環節以消除不良應力。