撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)隨機振動模態(tài)分析

李鵬，趙魯燕

（桂林電子科技大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣西北海 536000）

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的需求促使組裝技術(shù)向三維立體組裝方向發(fā)展，三維堆疊互聯(lián)已成為新型電子產(chǎn)品組裝技術(shù)[1]。三維立體組裝在大幅提升產(chǎn)品組裝密度、功能集成度的同時也引起了諸如抗振能力差等可靠性問題，特別是軍事及空間類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，組裝模塊適應(yīng)惡劣環(huán)境能力的好壞將直接影響電子產(chǎn)品系統(tǒng)運行的可靠性[2]。研究提高電子設(shè)備機械動態(tài)環(huán)境下工作可靠性及抵御惡劣環(huán)境的能力大有裨益。

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)隨機振動分析的先決條件，文中針對撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)進行了隨機振動模態(tài)分析，探討了互聯(lián)結(jié)構(gòu)的各階固有頻率和振型，研究了疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)中灌封材料和芯片布局等因素對結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的影響。

1 疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

1.1 模態(tài)分析簡介

有限元分析和模態(tài)分析技術(shù)在機械、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自由振動時結(jié)構(gòu)具有的振動特性稱為模態(tài)，由結(jié)構(gòu)自身特性和材料特性決定。模態(tài)分析是以振動理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法。模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、模態(tài)向量（振型）和模態(tài)阻尼等[3]。較之物理參數(shù)，模態(tài)參數(shù)能更好從整體上反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。模態(tài)分析是進一步進行動力學(xué)分析如瞬態(tài)動力分析、諧響應(yīng)分析及譜分析的起點[4]。模態(tài)分析可為后續(xù)振動分析、振動故障診斷與預(yù)測、結(jié)構(gòu)動力特性優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1.2 仿真分析模型建立

1.2.1 疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)物理模型

撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)以多層撓性印制電路為基板，組裝了大量有源和無源器件，撓性基板卷曲折疊后用灌封膠灌封。撓性基板及內(nèi)部芯片互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部元件尺寸參數(shù)如表1 所示。

圖1 互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 元件尺寸參數(shù)

1.2.2 有限元建模

為便于后續(xù)參數(shù)選擇及優(yōu)化，采用自帶APDL參數(shù)化設(shè)計建模技術(shù)的ANSYS 軟件，建立撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元模型[5]。參數(shù)化設(shè)計建模便于修改模型幾何特征參數(shù)及結(jié)構(gòu)布局等，提高了建模的靈活性和適用性[4]。建模過程中，應(yīng)用ANSYS 前處理功能，結(jié)合自下向上和體素生成方法[5]，建立的整體三維有限元實體模型如圖2 所示。

圖2 有限元實體模型

模型網(wǎng)格劃分采用八結(jié)點四面體力學(xué)分析單元SOLID45，綜合考慮運算速度和精度，先進行粗略網(wǎng)格劃分后根據(jù)實際需要提高核心區(qū)域網(wǎng)格劃分精度[6-9]。劃分過程中，需對比多次網(wǎng)格劃分模型的分析結(jié)果，進一步調(diào)整網(wǎng)格劃分精度。針對模塊內(nèi)部元件進行提高網(wǎng)格密度的二次劃分，基板、灌封膠則采用較為稀疏的網(wǎng)格劃分，建立的互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 整體有限元分析模型

1.2.3 約束施加

模態(tài)分析時需要對分析對象進行約束，以便計算結(jié)構(gòu)受約束時的固有頻率并進行相應(yīng)處理[6]。疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)通過右側(cè)面的接插件與外界相連并固定，模型中對接插件處施加全約束[7]。同時，對接插件周邊區(qū)域施加單向約束，互聯(lián)結(jié)構(gòu)上下面6 個定位螺釘采用節(jié)點全約束。

1.2.4 材料屬性定義

疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)共有4 種材料：內(nèi)部芯片、撓性基板、灌封材料和接插件。整體互聯(lián)結(jié)構(gòu)中灌封材料占絕大部分，灌封材料選擇對結(jié)構(gòu)整體性能有較大影響[10-11]。灌封材料通常選擇粘度低、韌性好、浸漬性好、內(nèi)應(yīng)力小的材料，且需具備優(yōu)異的電性能，120 ℃下介電特性變化小，阻燃性達ULV-0 級[12]。

常用灌封材料主要有聚氨酯、硅橡膠、硅凝膠和環(huán)氧樹脂等，綜合考慮機械強度、固化收縮率及成本等因素，民用產(chǎn)品主要采用硅橡膠和聚氨酯，軍工產(chǎn)品則多使用硅凝膠和環(huán)氧樹脂，常用灌封材料主要性能如 表2 所 示[10]。

表2 灌封材料性能參數(shù)

綜上，選擇環(huán)氧樹脂和硅橡膠作為研究對象，同時加入性能指標(biāo)較均衡的酚醛樹脂和聚酯樹脂進行對比選擇。4 種灌封材料、基板、芯片及接插件材料性能參 數(shù)如表3 所示[8、13-16]。

表3 材料性能參數(shù)

2 疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

2.1 不同灌封材料互聯(lián)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

確定材料參數(shù)后，針對前述模型施加約束后進行運算，得到互聯(lián)結(jié)構(gòu)整體及內(nèi)部芯片前十階固有頻率及振型[14]。分別對采用環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、酚醛樹脂和硅橡膠材料灌封時的互聯(lián)結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析。以環(huán)氧樹脂為例，互聯(lián)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析前五階固有頻率如表4 所示，取前五階振型如圖4 所示。

表4 前五階固有頻率

圖4 模態(tài)分析前五階振型圖

分析可知，互聯(lián)結(jié)構(gòu)一階振型以彎曲振型為主，遠離接插件端Y向有較大彎曲形變，中間位置振幅較大；二階模態(tài)是沿Z向的拉伸變形振型，上下底面全約束點出現(xiàn)較大形變位移；三階模態(tài)是整體沿Y向彎曲的正彎曲振型，結(jié)構(gòu)中部振幅最大，遠離接插件側(cè)振幅較明顯；四階模態(tài)是沿X方向的整體拉伸振型，中部位置出現(xiàn)了最大形變；五階模態(tài)為整體扭曲振型，模塊兩側(cè)以X向中心線向Y軸正負方向扭曲變形，上下底面約束點出現(xiàn)較大變形。

六階模態(tài)為沿Z向擺動彎曲的彎扭復(fù)合振型；中部出現(xiàn)扭曲，上下底面全約束點出現(xiàn)較大變形；七階模態(tài)是整體扭曲，模塊繞對角線反方向扭轉(zhuǎn)彎曲后產(chǎn)生扭曲變形；八階模態(tài)是沿Y向彎曲的整體彎曲振型，振幅最大處位于模塊中部，呈波浪狀位移；九階模態(tài)是沿X向中心線彎曲變形的整體彎曲振型，最大變形出現(xiàn)在模塊灌封體兩側(cè)；十階模態(tài)為整體扭曲壓縮振型，模塊沿對角線兩角端向內(nèi)部擠壓產(chǎn)生扭曲變形。

采用4 種灌封材料條件下的前五階固有頻率、整體形變量及內(nèi)部芯片形變量如表5～7 所示，對比可知硅橡膠灌封對應(yīng)固有頻率處于一般振動頻率范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生多階共振而引起振動疲勞破壞。其余3 種灌封材料對應(yīng)前五階固有頻率均高于一般振動頻率，抗振性能較好。

表5 4種灌封材料前五階固有頻率(Hz)

表6 4種灌封材料下前五階整體形變量(mm)

表7 4種灌封材料下前五階內(nèi)部芯片形變量(mm)

環(huán)氧樹脂對應(yīng)前五階整體形變量最小，聚酯樹脂、酚醛樹脂灌封時整體形變量在可接受范圍內(nèi)，硅橡膠對應(yīng)結(jié)構(gòu)形變量最大。硅橡膠灌封時內(nèi)部芯片形變量最小，其他3 種材料灌封時內(nèi)部芯片形變量略大，但尚處于允許范圍內(nèi)。

對比分析互聯(lián)結(jié)構(gòu)各階振型的綜合性能可知，灌封材料對隨機振動模態(tài)分析影響較顯著，環(huán)氧樹脂是撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)的最佳灌封材料。

2.2 不同芯片布局互聯(lián)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

內(nèi)部芯片布局對疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能也有影響，主要體現(xiàn)在芯片分布的均勻性方面[15]。對疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)中N7、N8、N9 和N11 芯片位置進行調(diào)整后所得4 種芯片布局如圖5 所示。

圖5 4種芯片布局圖

以環(huán)氧樹脂為灌封材料，采用前述模型、材料參數(shù)及加載條件進行4 種芯片布局條件下的模態(tài)分析，對比分析4 種芯片布局條件下的固有頻率、形變量。得到的前五階固有頻率、整體形變量及內(nèi)部芯片形變量如表8～10 所示，其中布局1（初始布局）為前述分析所采用的芯片布局結(jié)構(gòu)。

表8 不同芯片布局前五階固有頻率(Hz)

表9 不同芯片布局前五階整體形變量(mm)

表10 不同芯片布局前五階內(nèi)部芯片形變量(mm)

對比分析可知，改變芯片布局對整體互聯(lián)結(jié)構(gòu)前五階固有頻率、整體形變量及內(nèi)部芯片形變量無太大影響。4 種芯片布局條件下固有頻率均遠高于一般振動頻率范圍。芯片布局1 條件下前五階固有頻率、整體形變量及內(nèi)部芯片形變量最優(yōu)。

3 結(jié)論

文中運用ANSYS 軟件建立了撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)有限元模型并進行了模態(tài)分析，模塊模態(tài)分析結(jié)果表明，采用硅橡膠灌封時模塊結(jié)構(gòu)固有頻率最低，在工作環(huán)境中易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。從動力學(xué)性能角度來看，環(huán)氧樹脂是撓性基板疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)的最佳灌封材料；不同芯片布局對疊裝模塊模態(tài)分析結(jié)果影響不大，芯片布局1 條件下前五階固有頻率、整體形變量及內(nèi)部芯片形變量都是最優(yōu)的。在不破壞內(nèi)部撓性基板和芯片的前提下，可對灌封結(jié)構(gòu)尺寸進行再設(shè)計。模態(tài)分析結(jié)果為后續(xù)撓性基板疊裝模塊互聯(lián)結(jié)構(gòu)進行隨機振動提供了重要的理論基礎(chǔ)，直接影響隨機振動載荷條件下疊裝互聯(lián)結(jié)構(gòu)的振動受力狀態(tài)及疲勞特性。