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封装外壳与陶瓷基板的热匹配优化实验

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-9-9     浏览次数:    

  国内微电路单元的组装密度越来越高,发热量越来越大,对封装外壳的要求也日益进步。比较可伐、钨铜、铝硅合金等外壳资料,铝合金资料具有比重小,导电导热性好、易加工和成本低一级优点,因而现在被广泛用作微电路模块的封装外壳。


陶瓷基板


  陶瓷基板是微电路模块中常用的基板资料。但是,陶瓷基板的热膨胀系数与铝合金外壳差异很大,由此导致的热应力有时足以造成陶瓷基板的开裂。除非是一起用陶瓷外壳封装,否则怎么进步铝合金外壳封装中陶瓷基板的可靠性,确保陶瓷基板能饱尝各种环境温度改变而不致开裂就成为一项严峻课题。斯利通小编今日就带我们来探讨一下怎么将陶瓷基板的热应力降到最低,能够最大程度的保护基板。

  在铝合金外壳中运用陶瓷基板时,一般需在盒体与陶瓷基板之间参加过渡垫板作为应力应变缓冲,资料一般采用钼铜或可伐合金,小编采用有限元办法剖析这类结构在温度循环实验进程中的应力巨细和分布。温度循环条件:-65℃~150℃,保持时间30min,转换时间1min。焊料的本构模型采用Anand模型,为了使剖析成果更具一般性,共剖析了3种巨细不同的盒体、垫板和陶瓷基板结构组合。

  陶瓷与铝合金资料的热膨胀系数差异巨大。当温度改变时,二者缩短或膨胀变形彼此限制(垫板的热膨胀系数与陶瓷接近,理论剖析时可以近似看成一体)。这种彼此限制的热变形不仅在结构平面方向(即x方向和y方向)产生热应力。更重要的是,因为几许尺度和资料力学性不同导致二者刚度差异,使整个结构每个纵向截面上的应变和应力的巨细、方向不同,由此产生了附加弯矩,这一弯矩使整体结构向盒体内部或外部曲折。在低温时间,下方的铝合金缩短量大于上方的陶瓷基板,结构向盒体内部曲折。在高温时间,变形情况正好相反。陶瓷基板应力是面内拘束导致的热应力和附加弯矩导致的曲折应力叠加后共同效果的成果。

  根据上述的应力构成和变形进程,进行如下有限元剖析:陶瓷基板厚度0.4mm,垫板厚度0.2mm,盒体底部厚度1.0mm。分为两种情况:一种情况让整个结构在温循状态下自由变形,另一种情况则固定铝合金盒体底部抑制其曲折变形。陶瓷等脆性资料最首要的开裂模式是在拉应力效果下的Ⅰ型张开型裂纹扩展开裂。

  因而,本文采用榜首主应力(即最大拉应力)作为基板可靠性的评价指标。剖析成果如下图所示,可以看到,结构自由变形时,铝合金底部向内部曲折明星,陶瓷基板最大应力达到258MPa,固定铝合金盒体底部后,陶瓷基板的应力有了大幅下降,应力峰值仅为34.9MPa。由此可以看出,陶瓷基板上的应力首要来源于附加弯矩导致的曲折应力。下降这种封装结构中陶瓷基板的应力,则首要应考虑减小这种弯矩效果。

  为抑制附加弯矩效果,首要考虑添加铝盒体底部厚度以进步封装盒体刚度。采用有限元办法剖析了添加盒底厚度对陶瓷基板应力的的影响,并对其中的部分实验组进行了实践的温循实验,逐步添加铝合金盒底厚度,其他参数固定不变其他参数固定不变。成果均标明:陶瓷基板拉应力峰值随着盒底厚度的添加而不断减小。

  从成果可以看出:相同结构方式,基相同结构方式,基板厚度越,陶瓷基板的拉应力峰值越大,可靠性也相应下降。相应的温循实验成果也验证了这一结论。实践上,已有研讨均标明,陶瓷资料的开裂强度有着显着体积效应。越大结构,内部含有大尺度微裂纹的概率越高,因而开裂强度要比小体积的陶瓷结构低。

  铝合金与陶瓷基板因为热膨胀系数差异巨大,因而温度改变时导致陶瓷基板产生过高的热应力,下降了基板可靠性。本文采用有限元剖析和温循实验相结合的办法研讨了怎么从结构设计角度下降陶瓷基板失配应力的问题。研讨成果标明,陶瓷基板应力是面内拘束导致的热和附加弯矩导致的曲折应力叠加后效果成果,且首要是后者效果的成果。为进步这种结构中陶瓷基板的可靠性,应遵循下降陶瓷基板/铝合金外壳盒底厚度比的设计原则。假如基板厚度必定,选用厚底的铝合金封装盒体可显着下降基板应力峰值。封装盒底和垫板厚度必定时,薄陶瓷基板应力水平更低,有更高的可靠性。
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