1试验方法
试验中，陶瓷基板采用的是Cermtek公司的质量分数96%的氧化铝陶瓷。首先，将钼铜垫板用熔点较高的SnAg3.5焊料焊接至铝合金盒体，然后再用熔点较低的62Sn36Pb2Ag焊料将陶瓷基板焊接至垫板，焊接过程均在SST-VT1200真空烧结炉中进行。温度循环试验按《GJB548B-微电子器件试验方法和程序》中1010方法相关规定进行。温度循环条件：–65~+150℃，高低温保持时间均为30min，转换时间小于1min，试验设备为富奇VT7006S2高低温试验箱，每组试验共进行100次循环，试验完成后用显微镜目检陶瓷基板是否出现裂纹。
2结果与分析
2.1陶瓷基板应力的形成
陶瓷与铝合金材料的热膨胀系数差异巨大。当温度变化时，二者的热变形相互制约（垫板的热膨胀系数与陶瓷接近，理论分析时可以近似看成一体）。这种相互制约的热变形不仅在结构平面方向产生拉伸或收缩的热应力，更重要的是，由于几何尺寸和材料力学性不同导致的刚度差异使结构底部纵向截面上的应变和应力的大小、方向不同，并由此产生了附加弯矩，如图3所示。弯矩作用使结构向盒体内部或外部弯曲变形。在低温时刻，下方的铝合金收缩量大于上方的陶瓷基板，结构向盒体内部弯曲。在高温时刻，则正好相反。因此，陶瓷基板应力实质是水平方向拘束导致的平面热应力和附加弯矩导致的弯曲应力叠加后共同作用的结果。为验证上述分析，进行如下有限元计算：取表3中的第1组结构，设定陶瓷基板厚度0.4mm，垫板厚度0.2mm，盒体底部厚度1.0mm；分为2种情况：第1情况让整个结构自由变形，第2种情况则固定铝合金盒体底部抑制其弯曲变形。分析结果如图4~5所示。陶瓷等脆性材料最主要的断裂模式是在拉应力作用下的Ⅰ型张开型裂纹扩展断裂。因此，本文采用第一主应力（即最大拉应力）作为基板可靠性的评价指标。从计算结果可以看出，结构自由变形时，铝合金盒底向内部弯曲明显，最大位移峰值188μm，陶瓷基板最大应力达到258MPa；而固定铝合金盒体底部后，陶瓷基板的应力峰值仅为34.9MPa。所以，陶瓷基板上的应力主要来源于附加弯矩导致的弯曲应力。降低这类结构中陶瓷基板的应力，则主要应考虑如何减小这种弯矩作用。
2.2盒底厚度对陶瓷基板应力的影响
为抑制附加弯矩作用，首先考虑增加铝盒体底部厚度以提高封装盒体刚度。采用有限元方法分析了增加盒底厚度对陶瓷基板应力的的影响，并对其中的部分试验组进行了实际的温循试验。结构采用的是表3中的第1组和第2组结构，逐步增加铝合金盒底厚度，其余参数保持不变。分析及试验结果列于表4。结果均表明：陶瓷基板拉应力峰值随着盒底厚度的增加而不断减小。图6是第1组结构中盒底厚度为1.5mm时结构变形和陶瓷基板应力云图。由前分析结果可知，盒底厚度为1.0mm时，结构内凹最大变形量188.0μm；当盒底厚度增加至1.5mm时，结构内凹最大变形量降至155.0μm。相应地，陶瓷基板应力峰值从258.0MPa降至149.0MPa。实际的温循试验结果也间接验证了这一结果。盒底厚度为1.0mm的5个试样的陶瓷基板在100次温度循环后全部断裂，而盒体厚度为1.5mm时，20个试样中未见陶瓷基板断裂。
2.3陶瓷基板厚度对应力的影响金盒体的刚度比。
厚度配比减小，表明陶瓷基板的变化，结果列于表5中。可以看出：陶瓷基板厚度对应力有显著影响，相同结构形式，基板厚度越厚，陶瓷基板的应力峰值越大，可靠性也相应越低。相应的温循试验结果也验证了这一结论。实际上，已有研究均表明，陶瓷材料的断裂强度有着明显的体积效应。体积越大的陶瓷结构，内部含有大尺寸微裂纹的概率越高，因此断裂强度要比小体积的陶瓷结构偏低。对表4和表5中的各组结构的分析结果重新整理，结果如表6所示。可以发现，陶瓷基板（包括过渡垫板）/铝合金盒底的厚度配比是显著影响陶瓷基板的应力状态的设计指标。从结果来看，厚度配比越小，陶瓷基板的应力峰值越小。实际上，在结构平面尺寸确定后，厚度比反映了陶瓷基板与铝合金盒体的刚度比。厚度配比减小，表明陶瓷基板的刚度降低，而铝合金盒体刚度增加。为提高这种结构中陶瓷基板的可靠性，结构设计时应遵循降低陶瓷基板/铝合金外壳盒底厚度比的原则。
3结论
陶瓷材料的热膨胀系数与铝合金材料差异巨大，由此导致的热应力足以造成陶瓷基板的断裂。本文采用有限元分析和温循试验相结合的方法研究了如何从结构设计角度降低陶瓷基板与铝合金封装盒体失配应力的问题。研究结果表明，陶瓷基板应力是水平方向拘束导致的平面热应力和附加弯矩导致的弯曲应力叠加作用的结果，且主要是后者的作用。为提高陶瓷基板的可靠性，应遵循降低陶瓷基板/铝合金外壳盒底厚度比的设计原则。当基板厚度一定时，应选用厚底的铝合金封装盒体。当铝合金盒底厚度一定时，降低陶瓷基板厚度则应力水平更低，可靠性更高。
作者：王合利 徐达 常青松 王志会 单位：中国电子科技集团公司第十三研究所
