大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性数值模拟

李祝安，朱思雄，周立彦，王剑峰，张振越

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214035）

0 引言

气密性陶瓷封装是集成电路封装行业中常用的一种封装形式，它具有绝缘性好、气密性强、机械强度高和散热性能良好等优点，被广泛地应用于电子工业及航空航天等领域。随着社会的发展和时代的进步，集成电路器件的封装数量也由单个组件发展为多个组件，多个组件被集成后，在电子工业中变成了一种主流产品——系统级封装（SIP：System in Package）。SIP是将不同的芯片（例如：处理器、存储器等）根据不同的应用场景和封装外壳优先集成到一个封装体内，实现一定的基本功能的单个封装器件。由于市场对系统集成化功能需求越来越大，器件的封装尺寸也变得越来越大，因此，大尺寸气密性陶瓷封装具有广阔的应用前景。

然而不可忽视的是，大尺寸气密性陶瓷封装在结构可靠性方面却具有一定的缺陷，在生产、运输和服役过程中可能会受到一定的作用力更容易导致产品失效。目前业界研究较多的是可靠性试验下焊点和瓷体的失效分析，对于盖板的研究并不多见，然而盖板在受到一定的作用力后也会发生凹陷，严重的甚至导致盖板开裂，造成漏气，致使电路受到盐雾、灰尘和水汽等物质的侵蚀，从而影响电路的使用和寿命。

因此，本文针对大尺寸气密性陶瓷封装，建立三维有限元仿真模型，模拟可靠性试验进行仿真；分析了盖板在各种试验情况下的受力和变形情况；对比了不同厚度的盖板和环框对盖板受力及变形的影响。

1 大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性仿真设计

1.1 仿真模型设计

建模时采用大尺寸气密性陶瓷封装结构，主要由外壳、环框和盖板3个组件构成。环框采用一般的可伐环框，盖板采用带凸台结构的合金盖板。本文主要研究盖板在可靠性试验仿真过程中的受力和变形情况，因此，对芯片及各个组件间的焊料部分进行了相应的简化，得到大尺寸气密性陶瓷封装结构如图1所示。仿真使用Ansys软件，在结构分析模块中进行材料设置、网格划分、条件设置、求解计算和结果后处理[1-4]。其中，载荷条件根据GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中随机振动、机械冲击和恒定加速度的可靠性试验情况进行设置[5]。

图1 大尺寸气密性陶瓷封装仿真模型图

1.2 模型尺寸及材料参数

三维封装仿真模型的各个组件尺寸参数如表1所示，三维封装仿真模型的各个组件材料参数如表2所示。

表1 大尺寸气密性陶瓷封装模型的各个组件尺寸参数

表2 大尺寸气密性陶瓷封装模型的各个组件材料参数

2 大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性仿真分析

2.1 可靠性试验仿真条件

参照《微电子器件试验方法和程序》，仿真过程中只考虑Z方向即垂直外壳底面向上的载荷，不考虑X和Y方向；同时，对外壳底面设置固定约束条件[6]。

随机振动试验仿真参照标准中的“试验条件1-J”，振动频率范围为50～2 000 Hz，功率谱密度为100（m·s-2）2/Hz，Z方向上进行15 min由试验条件规定的随机振动试验[5]，机械冲击试验仿真参照“试验条件A”，峰值加速度为4 900 m/s2，脉冲宽度为1 ms，Z方向上进行5次脉冲冲击试验[5]。

恒定加速度试验仿真参照“试验条件A”，加速度为49 000 m/s2，Z方向上进行1 min规定数值的恒定加速度试验[5]。

2.2 可靠性试验仿真分析

通过对3种可靠性试验的仿真，可以得到共性的结果。仿真所得的盖板应力和形变量分布云图如图2所示，由图2中可以看到，盖板中间呈向上凸起的趋势，同时盖板与环框接触部分的应力较大，最大应力出现在盖板与环框接触部分的中间位置，与实际情况相符。并且盖板形变量较小，最大应力小于盖板材料的屈服强度，因此发生失效的可能性较低。

图2 盖板应力和形变量仿真云图

3 大尺寸气密性陶瓷封装盖板可靠性仿真研究

3.1 环框厚度对盖板应力和形变量的影响

在其他条件相同的情况下，分别仿真3种可靠性试验中环框厚度对盖板应力和形变量的影响。仿真结果如图3所示，从图3中可以看出，随着环框厚度的增加，盖板应力和形变量虽然呈现上升的趋势，但是幅度非常小。由此可见，改变环框厚度，对盖板应力和形变量无明显的影响。

图3 环框厚度对盖板应力和形变量的影响

3.2 环框上侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

在其他条件相同的情况下，分别仿真3种可靠性试验中环框上侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响，仿真结果如图4所示。从图4中可以看出，随着环框上侧盖板厚度的增加，盖板应力和形变量呈现明显下降的趋势。以随机振动试验仿真为例，环框上侧盖板的厚度由0.06 mm变为0.12 mm，厚度增加了1倍，盖板应力降低0.3倍、形变量减小0.48倍；环框上侧盖板的厚度由0.12 mm变为0.18 mm，厚度增加了0.5倍，盖板应力降低0.41倍、形变量减小0.46倍。由此可见，改变环框上侧盖板的厚度，对盖板应力和形变量有显著的影响。

图4 环框上侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

3.3 环框下侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

在其他条件相同的情况下，分别仿真3种可靠性试验中环框下侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响，仿真结果如图5所示。从图5中可以看出，随着环框下侧盖板厚度的增加，盖板应力和形变量呈现下降的趋势。以随机振动试验仿真为例，环框下侧盖板的厚度由0.2 mm变为0.25 mm，厚度增加了0.25倍，盖板应力降低0.17倍、形变量减小0.19倍；环框下侧盖板的厚度由0.25 mm变为0.3 mm，厚度增加了0.2倍，盖板应力降低0.22倍、形变量减小0.25倍。由此可见，改变环框下侧盖板的厚度，对盖板应力和形变量有影响。

图5 环框下侧盖板的厚度对盖板应力和形变量的影响

4 结束语

本文通过参数化仿真，模拟了包括随机振动、机械冲击和恒定加速度在内的结构可靠性试验过程，研究了盖板及焊框厚度对盖板可靠性的影响，得到如下结论：

1）改变焊框厚度对大尺寸气密性陶瓷封装盖板的应力和形变量的影响较小；

2）增加环框上侧盖板的厚度，可以显著地减小大尺寸气密性陶瓷封装盖板的应力和形变量，提升盖板可靠性；

3）在条件允许的情况下，也可通过增加环框下侧盖板的厚度来减小大尺寸气密性陶瓷封装盖板的应力和形变量，提升盖板可靠性。