恒定加速度试验中陶瓷密封器件所受不良应力*

罗 珏，赵鹤然，田爱民，刘庆川，李莉莹

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳110866）

1 引言

恒定加速度试验是一项重要的筛选试验项目，它是使用高应力试验来测定封装、内部金属化和引线系统、芯片或基板以及微电子器件其他部件的机械强度极限值[1]。常见的恒定加速度试验方法主要有埋砂法、磁贴法和夹具法等，每种试验方法存在各自的优势和劣势[2－3]。杜迎、朱卫良等人[4]提出，除了试验应提供的法向加速度以外，应尽量设法减小离心机开关过程引入的切向加速度。通过比较DIP40和CQFP240外壳，刘庆川[5]提出，在使用夹具法时进行较长管壳的试验时更容易引入弯曲应力，提出在装配夹具时应添加柔性材料以缓解扭力。杨轶博，丁荣峥等人[6]通过试验和有限仿真，发现夹具的制作精度较低时，容易引起器件的陶瓷主体悬空，会导致密封区漏气，预先添加塑性材料可以弥补夹具精度缺陷。张国华，杜迎等人[7]的研究显示，较大尺寸的外壳在埋砂法试验中容易发生盖板凹陷，增加表面贴片可以增加盖板的抗凹陷能力，但这样增加了弯矩导致焊料区易漏气；带有保护材料的磁贴法可以避免上述问题。

在参考借鉴上述研究成果的基础上，通过有限元仿真分析的方法，进一步研究三种恒定加速度试验过程中引入的不良应力，分别指出损伤机理；针对存在较大风险的夹具法提出夹具的优化设计，以有效降低不良应力的影响。

2 试验方法

选取CQFP240陶瓷外壳作为研究对象，按GJB548B方法2001.1条件E（30000 g）为试验条件。模型包括：芯片、管壳、金锡焊料、盖板、夹具上和夹具下等。夹具上与夹具下无间隙配合，定义绑定接触。其中芯片与管壳之间为摩擦接触，管壳与夹具之间定义为摩擦接触。其他部件接触定义为绑定接触。仿真模型示意图如图1所示。

图1恒定加速度仿真模型

网格划分以六面体主导，并在倒角处等曲率大的位置对网格进行加密，以得到更高质量的模拟网格。网格整体大小在0.2mm~0.5mm之间，加密网格部分在0.1mm之下。由于金锡尺寸较小，对金锡再网格加密处理，网格为0.01mm。网格采用实体单元solid186 20节点六面体单元，节点数量224521个，单元83462个。有限元网格划分如图2所示。

图2有限元网格划分

恒定加速度仿真系统的搭建基于有限元力学分析，分为几何模型及网格、基础模态模型、埋砂法分析模块、磁贴法分析模块和夹具法分析模块等，模拟的建立流程如图3所示。

图3恒加速仿真模块建立流程简图

实验样品所使用的各部件材料包括4J42盖板材料，氧化铝陶瓷材料，塑料夹具材料；材料数据包含密度，弹性模量，泊松比等，如表1所示。

表1材料属性表

3 恒定加速度各阶段受力分析

恒定加速度试验在不同阶段样品受力情况各异，如图4所示[8]。其中，在试验中期望使用的是离心机在等速圆周运动过程中提供的法相加速度，如图4(a)所示。但是，为了达到角速度ω，离心机需要有一个转速增加的过程，在这个过程中，器件不但受到逐渐增加的法向加速度，还受到一个变化的切向加速度，如图4(b)所示。同理，在离心机降速过程中，除了受到法向加速度之外，器件同样受到切向加速度，如图4(c)所示。

图4恒定加速度试验不同阶段受力情况

4 仿真分析结果及讨论

4.1 埋砂法危险工况仿真分析

由于埋砂法与砂材料大小、弹性、颗粒间隙等因素息息相关，因此边界条件不固定。砂材料既为边界条件，又为载荷条件，故在软件内采用不定方式替代常规因素进行模拟。

在启停阶段，金刚砂颗粒类加速冲击作用在盖板上，使盖板产生了形变。进一步，应力和形变传递到焊料环上，使金锡焊料环受到弯矩力，发生弯曲变形，应力最大值为203.67MPa，小于金锡焊料的许用应力275MPa，仿真结果如图5所示。由于金锡为薄壳结构，刚度弱，横向变形量接近0.02mm，如图6所示。

图5埋砂法模拟焊料环应力

图6埋砂法模拟焊料环变形量

这一形变量相对于金锡焊料环的厚度来说是一个相当大的数值，容易引起焊料破损导致器件漏气，隐患很大，因此CQFP240这类较大尺寸外壳的电路不宜采用埋砂法进行试验。

4.2 磁贴法危险工况仿真分析

盖板被磁贴吸附时，管壳因受较大向心力会有变形，图7为磁贴法模拟器件应力的比例夸张显示，整体应力不大，集中分布于金锡焊料环上。

图7磁贴法模拟器件应力

当器件处于恒定加速度试验的等速圆周运动时，应力达到最大值。此时焊料环上的应力最大值为112.67MPa，小于金锡焊料的许用应力275MPa。磁铁法焊料环应力模拟结果图如图8所示。

图8磁铁法模拟焊料环应力

金锡焊料环四个外边与管壳弯曲接触最近，所以应力相对较大。当盖板面积减小、管壳尺寸增大时，管壳弯曲增大；在等速圆周运动时，焊料环上的最大应力值也会增大。当焊料环上的应力接近或超过许用应力时，焊料环易损坏，多发器件漏气现象。

4.3 夹具法危险工况仿真分析

在等速圆周运动阶段，法向向心力为主应力，陶瓷外壳受到弯矩作用，上下金锡应力相对大。但整体应力值较小，应力在29MPa，远远小于许用应力，此时产生破坏为极小概率事件。

在转速增加过程中，应力云图（夸张显示）如图9所示。从图中可以看出，夹具四角及金锡和盖板应力较大，高达395MPa。考虑有限元计算偏移网格因素，实际金锡试验过程易形成接触之间的断裂。

图9埋砂法加速过程应力

器件在离心机加速过程中，与夹具产生切向相对位移的趋势。夹具内角的不同方案可简单如图10来表示。首先，在采用初始方案时，因为夹具的四角开孔，开孔处的尖角直接作用与焊料环上，使焊料环的转角处产生了较大的应力集中，超过了许用应力，如图10(a)所示。这种夹具匹配不良是很多器件在恒定加速度试验后漏气的原因。故此须采用图10(b)和图10(c)两种优化方案。

图10夹具法夹具内角方案

优化后的仿真结果如图11所示。可以看到，优化方案一中焊料环应力最大值仍高达351MPa，说明该方案未起到明显作用。在优化方案二中，应力集中明显向相邻两边均匀扩散，应力重分配，缓解了四个角的受力，应力降低显著，最大值降低到180 MPa，但该方案对夹具的加工精度依赖较高。

图11夹具法优化方案效果

5 结束语

通过仿真研究可知，对于CQFP240这类较大的外壳，在埋砂法恒定加速度试验的启停阶段，焊料环会因形变过大而损伤；采用磁铁法试验时，CQFP240外壳的焊料环受到的应力在可接受范围内，不会发生漏气现象。从仿真结果看，在夹具法试验中，器件焊料环的受力情况与夹具的设计有很大关系，设计不当会导致焊料环局部应力集中。优化设计后，焊料环受到的应力在可接受范围内。因此，在实际恒定加速度试验时，需根据外壳尺寸特征选择合适的试验方法，必要时增加柔性材料环节以消除不良应力。