第35卷第11期 2014年11月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.35No.11 November2014
热切缺陷对陶瓷封装钰煌组装工艺可靠性的影响
一II.接头结构设计
曾超，王春青，田艳红，张威
（哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001）
摘要：陶瓷封装钎焊组装工艺可靠性由工艺过程中的应力与此前在陶瓷中形成的缺陷之间的交互作用决定．针对在陶瓷元件不同位置分布的缺陷类型不同及危险程度不同这一特性，通过ANSYS有限元软件对钎焊组装应力在陶瓷元件中的分布特性进行分析，基于将高的工艺应力和危险性缺陷在空间中错位的设计思想进行接头结构设计，以提高钎焊组装工艺的可靠性。结果表明这种有别于传统的应力设计中进行整体应力降低优化的观点，是针对陶瓷封装制造缺陷空间分布特性的一种更为灵活的接头结构设计方法，对提高陶瓷封装制造可靠性具有实效性意义，
关键词：热失配；接头结构；工艺可靠性
中图分类号：TG407 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253360X(2014)11010504
1钎焊组装应力分布
在陶瓷封装中，陶瓷元件和金属底座或墙体通
过针焊进行组装但这两种材料之间线膨胀系数及力学性能的巨大差异使得钎焊组装工艺的可靠性受到巨大挑战"：金属材料由于存在较多的变形机制，对载荷具有更大的容限，因而失效一般都发生在界面附近的陶瓷材料上．由于陶瓷材料的本征脆性，在热失配应力的作用下，其内部或表面的缺陷会直接诱发裂纹并扩展，导致结构失效或气密性失效的发生2].在陶瓷的内部或表面，能够诱发断裂的缺陷也是多种多样的，常见的如内部的气孔、夹杂和异常生长的晶粒等本征缺陷．对于陶瓷封装制造，-种产生于生瓷阶段并最终在烧结之后的陶瓷中继承下来的存在于陶瓷元件的侧面的缺陷被证明是一种比本征缺陷更危险的工艺缺陷，在受载条件下，更容易诱发断裂的发生
在封装结构的陶瓷元件中，热切缺陷只存在于元件的侧面或者棱边位置，其独特的位置特性使得应力与这种缺陷之间的于涉所导致的断裂可以通过结构设计的方式加以避免.因此采取合理的陶瓷与金属封装接头结构["]，并通过有限元方法对缺陷位置应力进行优化，对降低热切缺陷引发的失效概率
以及提高钎焊组装工艺可靠性具有重要意义收稿日期：2014-07-04
典型的陶瓷金属封装结构1/4模型如图1所
示：氧化铝绝缘子通过银铜焊料与无氧铜热沉和墙体在800℃进行钎焊组装为了确定钎焊组装工艺中陶瓷绝缘子表面的应力分布特征，通过ANSYS有限元软件包对钎焊组装工艺过程进行模拟14}，过程中假定氧化铝为理想线弹性材料，无氧铜为弹塑性材料，材料属性如表1所示，网格单元采用8节点六面体热力耦合单元Solid5.由于结构的对称性，采用图1所示的1/4模型对钎焊的降温过程进行稳态分析
表1封装各部件材料参数
Material properties for paksa ge components
Table1
材料 Al,0 AgCu(85/15) Cu
线膨胀系数(,- 3, - o1)/o
6.6 19.6 17.0
弹性模量 E/GPa 372 E8 129
泊松比 0.25 0.36 0.34
届服强度 Rl/MPa
260 100
有限元计算得到的钎焊工艺之后，氧化铝陶瓷绝缘子表面的残余第一主应力如图2所示.观察可以发现，最大的第一主应力出现在绝缘子侧面靠近底棱边的区域，与无氧铜底盘连接界面附近，如图2 中所示的B区域；而次大的第一主应力出现在绝缘子侧面靠近上棱边的区域，与无氧铜墙体连接界面