HTCC一體化管殼失效問題、改進(jìn)措施及驗(yàn)證

作者：邱穎霞; 胡駿; 劉建軍

針對HTCC一體化管殼在后道封裝中出現(xiàn)的瓷體裂紋、滲膠變色、多余物等失效問題,通過過程應(yīng)力仿真、材料物理性能測試、失效點(diǎn)檢測、工藝對比實(shí)驗(yàn)等方法分析原因。并進(jìn)一步開展了改進(jìn)驗(yàn)證。對HTCC一體化管殼工程化應(yīng)用具有借鑒意義。

1 引 言

高溫共燒陶瓷(HTCC)基板具有機(jī)械強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱系數(shù)較高、材料成本較低、化學(xué)性能穩(wěn)定、布線密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)[1~3]。HTCC一體化管殼作為HTCC基板的衍生產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于軍品微電路封裝[4]。在HTCC基板四周焊接可伐圍框并配套蓋板,通過平行縫焊形成氣密性封裝,滿足國軍標(biāo)的氣密性要求。與金屬管殼或普通電路板相比,HTCC一體化管殼使用過程中的可靠性影響因素較多。

HTCC基板是采用流延、印刷、疊層共燒制備[5],基板材料和制備工藝決定了基板的性能,如強(qiáng)度、孔隙率等。HTCC一體化管殼裝配在印刷電路板或微波介質(zhì)板上使用時(shí),因?yàn)樘沾膳c印刷電路板或微波介質(zhì)板的熱膨脹系數(shù)差異較大,易因應(yīng)力導(dǎo)致管殼瓷體裂紋失效。管殼平行縫焊工藝會產(chǎn)生自由粒子,自由粒子多余物會嚴(yán)重影響器件可靠性[6]。

本文分析采用HTCC一體化管殼封裝產(chǎn)品中出現(xiàn)的失效問題。定型的管殼結(jié)構(gòu)見圖1,集成度高,采用平行縫焊工藝封口。封裝后電路采用回流焊工藝裝配于多層微帶電路板。

2 管殼瓷體裂紋失效

2.1 瓷體裂紋現(xiàn)象及仿真分析

采用回流焊工藝將封裝后一體化管殼裝配于多層板微波介質(zhì)板,模塊測試合格后進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)(-55℃~85℃,25 次)。溫循后一體化封裝器件失效,管殼瓷體在長邊和短邊方向引腳附近出現(xiàn)彎月狀裂紋。

圖1 管殼結(jié)構(gòu)示意圖(填充區(qū)域?yàn)榭煞ゲ牧?空白區(qū)域?yàn)樘沾?

采用ANSYS有限元軟件對一體化封裝器件自由狀態(tài)和裝配模塊后束縛狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力形變仿真。管殼陶瓷材料為95%氧化鋁,熱膨脹系數(shù)為7×10^-6/℃,而多層微波介質(zhì)板X、Y方向熱膨脹系數(shù)分別為11×10^-6/℃和14×10^-6/℃,焊接材料Pb/Sn的熱膨脹系數(shù)為24.5×10^-6/℃,回流焊峰值溫度約為260 ℃。

如圖3 所示,封裝器件自由態(tài)下,25 ℃和260 ℃翹曲量曲線一致。裝配到模塊電路板后束縛條件下,如圖4 所示,封裝器件的翹曲由微笑翹曲變?yōu)榭奁N曲(25 ℃:-21 μm;260 ℃:28 μm,正值表示中間部分凸,負(fù)值表示中間部位凹),從而導(dǎo)致同一位置的翹曲變化量大幅增加。翹曲的變化反映了陶瓷、多層板、焊料、可伐熱失配在回流焊和溫度循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)弱。應(yīng)力在引腳、陶瓷、焊接面的薄弱處釋放。當(dāng)特定區(qū)域的應(yīng)力分布超過了該處陶瓷強(qiáng)度,導(dǎo)致瓷體脆性斷裂,形成電路失效。

圖3 自由狀態(tài)25 ℃和260 ℃的變形(25 ℃:-18 μm;260 ℃:-11 μm)

圖4 束縛狀態(tài)25 ℃和260 ℃的變形(25 ℃:-21 μm;260 ℃:28 μm)

2.2 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

器件本身應(yīng)滿足常規(guī)SMT工藝,因此改進(jìn)措施從兩方面著手,一是通過優(yōu)化管殼結(jié)構(gòu),特別是引腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高管殼在工藝過程、環(huán)境試驗(yàn)中對應(yīng)力沖擊的耐受力;二是優(yōu)化瓷體材料,提高瓷體本身的強(qiáng)度。

在引腳處設(shè)計(jì)應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)來緩沖瓷體所受到的應(yīng)力。建立焊接結(jié)構(gòu)仿真模型見圖5,對引腳“Ω”彎設(shè)計(jì)做對比仿真,仿真結(jié)果見圖6。

圖5 焊接應(yīng)力分布仿真模型

圖6 引腳平直和“Ω”彎設(shè)計(jì)應(yīng)力情況對比

“Ω”彎設(shè)計(jì)能有效減低焊盤基板之間的應(yīng)力約10 MPa?！唉浮睆澬Ч黠@,因此定型產(chǎn)品(圖1)中已加入“Ω”彎,在工程應(yīng)用中,需要注意“Ω”彎在工藝實(shí)現(xiàn)過程中的落實(shí)。

提高瓷體本身的強(qiáng)度也可以進(jìn)一步提高一體化封裝管殼對回流工藝的適應(yīng)性。HTCC一體化管殼常用瓷體材料有95%白色氧化鋁和90%黑色氧化鋁。對兩種材料按GB/T5993-1996 進(jìn)行三點(diǎn)彎測試,見圖7,黑瓷平均斷裂強(qiáng)度為468 MPa,白瓷平均斷裂強(qiáng)度為439 MPa,黑瓷中雖然氧化鋁含量較少,但氧化鋁之外的其他功能相起到促進(jìn)燒結(jié)的作用,使瓷體燒結(jié)更致密。因此,黑瓷性能更好,作為優(yōu)選材料。

圖7 三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過管殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和瓷體材料換型,HTCC一體化管殼裂紋失效率得到控制,能夠滿足工程化應(yīng)用。但由于瓷體材料存在難以完全檢測和避免的缺陷,仍存在隨機(jī)性的裂紋失效。

3 滲膠變色失效

高溫共燒陶瓷的內(nèi)部以W、Mo和Mn為基的共燒金屬漿料燒結(jié)互聯(lián),表層電路考慮電性能及釬料或線、帶鍵合不潤濕,需要Ni為底電鍍或化學(xué)鍍Au。在一體化管殼的組裝過程中,出現(xiàn)瓷體焊盤和導(dǎo)電膠變色現(xiàn)象,見圖8 和圖9。變色焊盤鍵合絲強(qiáng)度明顯下降。

圖8 片式器件焊后變色

圖9 導(dǎo)電膠固化后變色

通過對焊盤表面形貌的分析,見圖10,金屬化部分孔隙較多,瓷體表面浸潤性非常好,導(dǎo)電膠、貼片膠、焊膏等在瓷體表面擴(kuò)散并滲入瓷體引起變色。

圖10 陶瓷基板表面形貌

對管殼基板用特制處理液進(jìn)行表面處理,能明顯降低瓷體表面的浸潤性,防止導(dǎo)電膠、貼片膠、焊膏等的擴(kuò)散與滲透。

4 多余物失效

新拆封空管殼平行縫焊后,進(jìn)行顆粒碰撞噪聲檢測(PIND)試驗(yàn),管殼內(nèi)存在多余物。選取PIND失效管殼一只,用銑床輕輕將管殼蓋板邊緣刨薄,再用刀片將蓋板邊緣劃開,輕輕取下蓋板。將開蓋樣品用膠帶封好,防止有外來雜質(zhì)進(jìn)入管殼,同時(shí)手動搖晃管殼,使管殼內(nèi)多余物脫落到膠帶上粘住,采用SEM-EDS能譜分析膠帶上顆粒的成分。

圖11 管殼內(nèi)的陶瓷顆粒多余物

如圖11 所示,EDS結(jié)果表明部分顆粒還含有Al、Ti、Si等,這類顆粒可能是底部的陶瓷基板在生產(chǎn)過程中由于材料脆性產(chǎn)生的陶瓷顆粒多余物。

圖12 的EDS結(jié)果表明還有一部分顆粒呈橢球形,光滑圓潤,且成份只含有Ni、Au,Ni:Au原子比約為41:59,鎳金合金在含鎳原子分?jǐn)?shù)42%時(shí)熔點(diǎn)最低,為950 ℃。由于平行縫焊瞬間溫度遠(yuǎn)高于950 ℃,可能造成可伐材料表面Ni、Au鍍層的飛濺。顆粒應(yīng)該是平行縫焊時(shí)可伐材料表面Ni、Au鍍層的部分熔融顆粒。

圖12 可伐鍍層飛濺的多余物

因此高溫共燒陶瓷基板和可伐框架在焊接前進(jìn)行徹底的清洗,優(yōu)化平行縫焊工藝,對多余物控制很重要。

5 結(jié) 束 語

HTCC一體化管殼具有高集成、高可靠性,在軍用電子微波組件中有廣泛的應(yīng)用前景。其工程化應(yīng)用過程中針對瓷體裂紋、焊盤滲膠、導(dǎo)電膠變色、多余物等涉及管殼和后道封裝工藝的典型失效問題進(jìn)行分析、改進(jìn)、驗(yàn)證,對HTCC一體化管殼的應(yīng)用有借鑒意義。

審核編輯：郭婷