隨著微電路單元的組裝密度越來越高，發熱量越來越大，對封裝外殼的要求也日益提高。相比可伐、鎢銅、鋁硅合金等外殼材料，鋁合金材料具有比重小，導電導熱性好、易加工和成本低等優點，因此目前被廣泛用作微電路模塊的封裝外殼。陶瓷材料是微電路模塊中常用的基板材料。

然而，陶瓷材料的熱膨脹系數與鋁合金材料差異很大，由此導致的熱應力有時足以造成陶瓷基板的斷裂。因此，如何提高鋁合金外殼封裝中陶瓷基板的可靠性，保證陶瓷基板能經受各種環境溫度變化而不致開裂就成為一項嚴峻課題。本文采用有限元分析和試驗驗證相結合的方法研究了這類結構的應力大小和變化特點，提出一般的設計原則，為提高這類封裝結構的可靠性提供參考。

1 模型的建立

在鋁合金外殼中使用陶瓷基板時，通常需在盒體與陶瓷基板之間加入過渡墊板作為應力應變緩沖，材料通常采用鉬銅或可伐合金，結構形式如圖1所示。本文采用有限元方法分析這類結構在溫度循環試驗過程中的應力大小和分布。溫度循環條件：-65℃~150℃，保持時間30min，轉換時間1min。

焊料的本構模型采用Anand模型,具體參數如表1所示。其余材料參數見表2。為了使分析結果更具一般性，共分析了3種大小不同的盒體、墊板和陶瓷基板結構組合，表3是各組結構的幾何尺寸（僅包含平面內的x和y方向尺寸）。圖2為不同封裝結構的有限元模型。

圖1 結構示意圖

表1 焊料Anand 模型

表2 材料參數

表3 結構的幾何尺寸

圖2 不同鋁合金盒體結構的有限元模型

2 ?結果與討論

2.1 陶瓷基板應力的形成

陶瓷與鋁合金材料的熱膨脹系數差異巨大。當溫度變化時，二者收縮或膨脹變形相互制約（墊板的熱膨脹系數與陶瓷接近，理論分析時可以近似看成一體）。這種相互制約的熱變形不僅在結構平面方向（即x方向和y方向）產生熱應力。更重要的是，由于幾何尺寸和材料力學性不同導致二者剛度差異，使整個結構每個縱向截面上的應變和應力的大小、方向不同，由此產生了附加彎矩，如圖3所示。

這一彎矩使整體結構向盒體內部或外部彎曲。在低溫時刻，下方的鋁合金收縮量大于上方的陶瓷基板，結構向盒體內部彎曲。在高溫時刻，變形情況正好相反。陶瓷基板應力是面內拘束導致的熱應力和附加彎矩導致的彎曲應力疊加后共同作用的結果。

圖3 封裝結構的任意縱截面上的應變分布

基于上述的應力形成和變形過程，進行如下有限元分析：取表3 中的結構組合1，陶瓷基板厚度0.4mm，墊板厚度0.2mm，盒體底部厚度1.0mm。分為2 中情況：一種情況讓整個結構在溫循狀態下自由變形，另一種情況則固定鋁合金盒體底部抑制其彎曲變形。陶瓷等脆性材料最主要的斷裂模式是在拉應力作用下的Ⅰ型張開型裂紋擴展斷裂。

因此，本文采用第一主應力（即最大拉應力）作為基板可靠性的評價指標。分析結果如圖4~5 所示，可以看到，結構自由變形時，鋁合金底部向內部彎曲明星，陶瓷基板最大應力達到258MPa，固定鋁合金盒體底部后，陶瓷基板的應力有了大幅降低，應力峰值僅為34.9MPa。由此可以看出，陶瓷基板上的應力主要來源于附加彎矩導致的彎曲應力。降低這種封裝結構中陶瓷基板的應力，則主要應考慮減小這種彎矩作用。

圖4 第1組結構整體變形

圖5 第1組結構陶瓷基板應力

2.2 鋁合金盒底厚度對陶瓷基板應力的影響

為抑制附加彎矩作用，首先考慮增加鋁盒體底部厚度以提高封裝盒體剛度。采用有限元方法分析了增加盒底厚度對陶瓷基板應力的的影響，并對其中的部分試驗組進行了實際的溫循試驗。結構采用的是表3中的第1組和第2組結構，逐步增加鋁合金盒底厚度，其余參數固定不變其余參數固定不變。分析結果如表。分析結果如表4所示。結果均表明所示。結果均表明：陶瓷基板拉應力峰值隨著盒底厚度的增加而不斷減小。

圖6是第1組結構中盒底厚度為5mm時的整體變形和陶瓷基板應力云圖。對比圖4a）和圖5a）可以發現，盒底厚度為1.0mm時，結構內凹最大變形量188um；當盒底厚度增加至1.5mm時，結構內凹最大變形量降至155um。相應地，陶瓷基板的拉應力峰值從258MPa降至149MPa。實際的溫循試驗結果也間接驗證了這一點。盒底厚度為1.0mm的5個試樣的陶瓷基板在100次溫度循環后全部開裂，而盒體厚度為1.5mm時，20個試樣中未見陶瓷基板開裂。

表4 溫循過程模擬及試驗結果

圖6 第1組結構中盒底厚度1.5mm時的結構變形和陶瓷基板應力

2.3 陶瓷基板厚度對應力的影響

除增加鋁合金盒底厚度外，陶瓷基板厚度對其可靠性也有重要應用。針對這一問題，采用表3中的結構尺寸，保持封裝盒底和墊片厚度不變而改陶瓷基板厚度，分析陶瓷基板的應力大小及變化。分析結果列于表5中。

從結果可以看出：相同結構形式，基相同結構形式，基板厚度越，陶瓷基板的拉應力峰值越大，可靠性也相應降低。相應的溫循試驗結果也驗證了這一結論。實際上，已有研究均表明，陶瓷材料的斷裂強度有著明顯體積效應。越大結構，內部含有大尺寸微裂紋的概率越高，因此斷裂強度要比小體積的陶瓷結構低。

對表4和表5中的各組結構的厚度尺寸和應力結果重新整理后，結果如表6所示。可以發現，陶瓷基板（包括過渡墊板）/封裝盒底的厚度配比是顯著影響陶瓷基板的應力狀態的指標。從結果來看，厚度配比越小,陶瓷基板的應力峰值越小。實際上，在結構平面尺寸確定后，厚度比反映了陶瓷基板與鋁合金盒體的剛度比。厚度配比減小，表明陶瓷基板的剛度降低，而鋁合金盒體剛度增加。為提高這種結構中陶瓷基板的可靠性，結構設計時應遵循降低陶瓷基板/鋁合金外殼盒底厚度比的原則。

表5 溫循過程模擬及試驗結果

表6 各結構組合的厚度配比

3 結論

鋁合金與陶瓷基板由于熱膨脹系數差異巨大，因此溫度變化時導致陶瓷基板產生過高的熱應力，降低了基板可靠性。本文采用有限元分析和溫循試驗相結合的方法研究了如何從結構設計角度降低陶瓷基板失配應力的問題。研究結果表明，陶瓷基板應力是面內拘束導致的熱和附加彎矩導致的彎曲應力疊加后作用結果，且主要是后者作用的結果。

為提高這種結構中陶瓷基板的可靠性，應遵循降低陶瓷基板/鋁合金外殼盒底厚度比的設計原則。如果基板厚度一定，選用厚底的鋁合金封裝盒體可明顯降低基板應力峰值。封裝盒底和墊板厚度一定時，薄陶瓷基板應力水平更低，有更高的可靠性。

審核編輯：劉清