CN112164660B - 一种快速校核t/r组件基板与封装材料热失配应力的方法 - Google Patents

一种快速校核t/r组件基板与封装材料热失配应力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，包括：获取T/R组件基板材料热膨胀系数、基板外形尺寸；获取拟用封装壳体材料热膨胀系数、壳体外形参数；获取待用焊料材料弹性模量、焊料剪切强度、安全系数；获取温循或服役过程中最高温度与最低温度；计算校核安全因子；根据校核安全因子判断基板与封装壳体热失配应力是否合适，若不合适，调整基板或/和封装壳体材料或/和尺寸，直至热失配应力合适。本发明校核方法简单、快速，无需复杂计算。

Description

一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法
技术领域
本发明属于封装技术，具体为一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法。
背景技术
相控阵雷达T/R组件中广泛应用了陶瓷基板与金属(或金属基复合材料)大面积焊接的电子封装技术。陶瓷基板材料的膨胀系数往往较低，一般为4～8ppm/K。而用作封装壳体的普通金属或金属基复合材料的热膨胀系数一般为8～18ppm/K。壳体材料与基板材料在热膨胀系数上的较大差异，使得二者大面积焊接后常出现因热失配导致开裂的现象。
现阶段校核基板与封装材料热失配导致应力的方法多为试验试制与实物温循考核。这种方法周期长、成本高，且数量往往有限，无法充分释放风险。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，具体步骤为：
获取T/R组件基板材料热膨胀系数、基板外形尺寸；
获取拟用封装壳体材料热膨胀系数、壳体外形参数；
获取待用焊料材料弹性模量、焊料剪切强度、安全系数；
获取温循或服役过程中最高温度与最低温度；
计算校核安全因子；
根据校核安全因子判断基板与封装壳体热失配应力是否合适，若不合适，调整基板或/和封装壳体材料或/和尺寸，直至热失配应力合适。
优选地，计算校核安全因子的具体公式为：
式中，Φ为校核安全因子，α1为T/R组件基板材料热膨胀系数，H1表示基板与壳体焊接区域基板的厚度，E0为待用焊料材料弹性模量，σ0为待用焊料剪切强度，η0为待用焊料安全系数，H2为封装壳体厚度，Tmax为温循或服役过程中最高温度，Tmin为温循或服役过程中最低温度。
优选地，根据校核安全因子判断基板与封装壳体热失配应力是否合适的具体方法为：
当校核安全因子Φ≤1时，基板与封装壳体热失配应力合适；
当校核安全因子Φ＞1时，基板与封装壳体热失配应力不合适。
优选地，调整基板或/和封装壳体材料或/和尺寸的具体顺序为：
调整热膨胀系数更为接近的封装壳体材料或/和基板材料，重新进行校核；
受限于壳体材料种类时，调整基板或/和封装壳体尺寸参数或/和更换焊料参数。
优选地，调整的基板或/和封装壳体尺寸参数为厚度。
优选地，焊料安全系数大于1。
优选地，焊料安全系数为1.5～2。
优选地，基板形状为板状长方体，基板上无挖空挖槽设计或者设有对称设置的挖空挖槽设计，且挖空挖槽区域不超过焊接区域面积的10％。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明克服了现有方法中需要通过试验试制考核周期长、成本高的弊端；
2)本发明解决了试验试制样本量有限，考核结果置信度低的问题；
3)本发明校核方法简单、快速，无需复杂计算；
4)本发明当原方案设计不满足校核要求时，可通过参数调整实现快速结构优化迭代。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，具体步骤为：
获取T/R组件基板材料热膨胀系数α1、基板外形尺寸L1×W1×H1；
获取拟用封装壳体材料热膨胀系数α2、壳体外形参数L2×W2×H2；
获取待用焊料材料弹性模量E0、焊料剪切强度σ0、安全系数η0；
获取温循或服役过程中最高温度Tmax与最低温度Tmin；
计算当前材料下的校核安全因子，具体计算公式为：
在实际的设计过程中，壳体宽度W2大于基板宽度W1，则实际相互约束部分的宽度为W1，则中间层焊料变化长度按比例为：
焊料变形剪切力：
安全校核：
引入安全因子：
根据校核安全因子判断基板与封装壳体热失配应力是否合适，若不合适，调整基板或/和封装壳体材料或/和尺寸，直至热失配应力合适，判断热失配应力是否合适的具体方法为：
当Φ≤1时，基板与封装壳体热失配应力较小，结构安全；
当Φ＞1时，基板与封装壳体热失配应力较大，结构已遭到破坏，可靠性差。
当Φ＞1时，对结构进行重新设计或更换材料，具体做法为：
优先调整热膨胀系数更为接近的封装壳体材料或/和基板材料，重新进行校核；
受限于壳体材料种类时，无法在现有工程材料中选取相应材料时，固化材料性能参数，通过调整基板与封装壳体尺寸参数、更换焊料参数进行优化设计。
进一步地，焊料安全系数η0大于1，一般为1.5～2。
进一步地，基板形状为板状长方体，基板上无挖空挖槽设计或者设有对称设置的挖空挖槽设计，且挖空挖槽区域不超过焊接区域面积的10％。
本发明能够提高组件设计效率、提高设计可靠性，降低设计成本。本发明不仅能快速校核材料热失配应力，通过逆向求解，还能够改进设计参数。
本发明能够实现基板材料与封装壳体材料热匹配的快速校核，提高组件设计效率、能够提高产品可靠性，降低设计成本。通过该方法，还能在现有材料基础上推演出最佳基板与壳体的设计参数。
实施例一：
1)本实施例中，预先使用低温共烧陶瓷(LTCC)作为基板材料，低温共烧陶瓷(LTCC)热膨胀系数α1(6.5×10-6ppm/K)、基板外形尺寸L1(50mm)×W1(50mm)×H1(2mm)；拟用封装壳体材料SiCp/Al复合材料热膨胀系数α2(8×10-6ppm/K)、壳体外形参数L2(50mm)×W2(50mm)×H2(2mm)；
2)获取待用焊料材料弹性模量E0(60GPa)、焊料剪切强度σ0(50MPa)、安全系数η0(1.5)；
3)后续温循或服役过程中最高温度Tmax(125℃)与最低温度Tmin(-55℃)；
4)校核安全因子Φ：
本实施例中，校核安全因子Φ≤1基板与封装壳体热失配应力较小，结构安全。
实施例二：
1)基板材料高温共烧陶瓷(HTCC)热膨胀系数α1(4.5×10-6ppm/K)、基板外形尺寸L1(50mm)×W1(50mm)×H1(1.5mm)；拟用封装壳体材料50vol.％Si/Al复合材料热膨胀系数α2(11×10-6ppm/K)、壳体外形参数L2(50mm)×W2(50mm)×H2(2.5mm)；
2)焊料材料弹性模量E0(50GPa)、焊料剪切强度σ0(42MPa)、安全系数η0(1.5)；
3)后续温循或服役过程中最高温度Tmax(125℃)与最低温度Tmin(-55℃)；
4)校核安全因子Φ：
本实施例中，校核安全因子Φ＞1，基板与封装壳体热失配应力大，结构不安全，表明该材料组合与结构设计不合理，需调整材料体系。
对壳体材料进行调整，选用材料热膨胀系数为α2(8X10-6ppm/K)的金刚石/铜复合材料后，重新校核：
调整后，校核安全因子Φ≤1，基板与封装壳体热失配应力较小，结构安全。

Claims (7)

1.一种快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，具体步骤为：
获取T/R组件基板材料热膨胀系数、基板外形尺寸；
获取拟用封装壳体材料热膨胀系数、壳体外形参数；
获取待用焊料材料弹性模量、焊料剪切强度、安全系数；
获取温循或服役过程中最高温度与最低温度；
计算校核安全因子，具体公式为：
式中，Φ为校核安全因子，α1为T/R组件基板材料热膨胀系数，H1表示基板与壳体焊接区域基板的厚度，E0为待用焊料材料弹性模量，σ0为待用焊料剪切强度，η0为待用焊料安全系数，H2为封装壳体厚度，Tmax为温循或服役过程中最高温度，Tmin为温循或服役过程中最低温度，α2为拟用封装壳体材料热膨胀系数；
根据校核安全因子判断基板与封装壳体热失配应力是否合适，若不合适，调整基板或/和封装壳体材料或/和尺寸，直至热失配应力合适。
2.根据权利要求1所述的快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，根据校核安全因子判断基板与封装壳体热失配应力是否合适的具体方法为：
当校核安全因子Φ≤1时，基板与封装壳体热失配应力合适；
当校核安全因子Φ＞1时，基板与封装壳体热失配应力不合适。
3.根据权利要求2所述的快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，调整基板或/和封装壳体材料或/和尺寸的具体顺序为：
调整热膨胀系数更为接近的封装壳体材料或/和基板材料，重新进行校核；
受限于壳体材料种类时，调整基板或/和封装壳体尺寸参数或/和更换焊料参数。
4.根据权利要求3所述的快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，调整的基板或/和封装壳体尺寸参数为厚度。
5.根据权利要求1所述的快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，焊料安全系数大于1。
6.根据权利要求1或5所述的快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，焊料安全系数为1.5～2。
7.根据权利要求1所述的快速校核T/R组件基板与封装材料热失配应力的方法，其特征在于，基板形状为板状长方体，基板上无挖空挖槽设计或者设有对称设置的挖空挖槽设计，且挖空挖槽区域不超过焊接区域面积的10％。
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