国产WCu热沉与氧化铝陶瓷匹配封接研究

1 研究背景

目前,随着大规模集成电路和大功率电子器件的发展,集成电路的单位面积功率和发热量大大增加，致使其工作环境日趋复杂和恶劣，对集成电路封装材料的要求也越来越苛刻。传统的电子封装材料如Invar、Kovar、W、Mo等由于其单一的性能已经不能满足封装行业日益发展的需要。

WCu复合材料可以通过适当的调整W、Cu之间的成分比例，获得适宜的热膨胀系数，进而与微电子器件中硅、砷化嫁等半导体材料及管用陶瓷材料很好匹配连接，避免热应力所引起的热疲劳破坏；同时获得较高的导电导热性能、优异的微波屏蔽功能以及高的强度等。正是由于这些特点，WCu复合材料作为升级换代的产品开始大规模被用作电子封装和热沉积材料,并且已经应用于微处理器、微波组件、无线电通讯装置和RF动力装置等高新技术产品上。

然而作为电子封装用的重要材料之一，WCu复合材料与其它材料间的热失配效应在封装过程中引起的应力集中问题已经成为制约其可靠性提升的一个重要因素。例如在与陶瓷的钎焊过程中，WCu和陶瓷钎焊区域易产生较大的残余应力和应力集中问题，成为制约陶瓷和WCu材料封装器件可靠性的关键因素之一[1-2]。WCu材料与陶瓷封装的残余应力主要是由热膨胀系数不匹配引起,其应力的分布和大小严重影响封装件的使用性能及长期可靠性，甚至导致封装开裂或器件失效。因此研究WCu材料与陶瓷的匹配性能具有重要意义。

2 研究现状

国内外许多学者对于WCu材料与陶瓷的匹配性进行了研究。

高陇桥等人[3]分析了陶瓷-金属封接件可靠性的影响因素。认为陶瓷-金属的封接强度取决于陶瓷强度和封接界面应力值之差,在结构、陶瓷材料一定的情况下，金属的热膨胀系数与陶瓷的匹配性直接决定了界面应力，从而对封接强度起了决定性作用。

由于金属和陶瓷钎焊过程的残余应力的检测及失效试验分析仍存在一定困难，测试的结果误差较大，因而，利用数值方法对封装残余应力及其分布进行理论分析是现阶段一种相对有效的方法。郭怀新[4]和司建文[5]等采用BAQUS有限元模拟软件，建立氧化铝陶瓷-钨铜金属功率集成电路外壳以及TO类陶瓷外壳的三维计算模型，对其钎焊封装的残余应力进行模拟计算，并系统地分析了外壳设计因素和钎焊因素对封装的残余应力分布及大小的影响。

“云石？挖掘云石，那可是我的使命呢。”丁达插话道，“不过，我好像要先处理眼前这堆麻烦。”他皱了皱眉头，冲壶天晓大喊道，“壶天晓，把我的腿还给我！”

参考文献：

基于此，采用理论仿真与实验验证相结合的方法，系统研究国产WCu材料与Al2O3陶瓷的热膨胀匹配性能，对于器件国产化和可靠性的提升具有十分重要的现实意义。

3 有限元模型

为了从理论上分析WCu与Al2O3封装外壳的受力分布和受力形式以及Cu含量对外壳受力分布的影响，本文采用的封装结构如图1所示，自下至上分别为1-WCu热沉、2-Al2O3陶瓷和3-铁镍合金(4J42)引线。采用有限元仿真软件，有限元建模采用与实物等比例模型。对Cu含量为10%、15%、20%的WCu热沉与Al2O3陶瓷的钎焊残余应力与残余变形进行仿真分析。假设钎焊过程中焊料冷却凝固之前处于“零应力状态”，将这一温度与室温的温差作为温度载荷，整个外壳几何模型作为求解区域，假设钎焊界面是理想连接的。有限元结构如图2所示(Z轴正向朝下)，各材料参数如表1所示。

  

图1 典型微波外壳结构图

  

图2 WCu-Al2O3外壳封装结构有限元模型

 

表1 材料物理性能

  

材料名称温度℃热膨胀系数10-6K-1弹性模量GPa热导率W/(m·K)泊松比4J428.21471460.2895%Al2O325200300500600800 6.127.047.55 8.07304250.27WCu106.31691750.27WCu156.951691950.28WCu208.51692100.28

4 实验方法

[3] 高陇桥,刘敏玉,刘征.陶瓷-金属封接技术的可靠性增长.真空电子技术,2009(4):1-4

1.2.1 表现不典型：疾病表现不典型时诊断就有困难了。疾病可以发生在并不常见的部位、并不常见的人群、并不常见的地区，尤其是出现并不常见的临床表现。例如典型的急性心肌梗死应当表现为在左前胸压榨样持续性疼痛，但不典型者可以表现为咽喉痛、左肩痛甚至腹痛。有1例急腹症患者，外科收住院准备做剖腹探查手术。在术前准备插胃管时突然心跳停止。尸检证实广泛前壁心肌梗死。又如1例呼吸衰竭患者，两肺闻及广泛哮鸣音。开始诊断为哮喘，经过治疗毫无改善。摄胸片发现左侧气胸，胸腔抽气后，哮鸣音消失。原来该患者有慢阻肺史，肺功能较差，一旦发生气胸就可以出现哮喘样表现。

[8]阿兰·罗伯-格里耶：《理论有什么用》，《快照集/为了一种新小说》，余中先译，长沙：湖南美术出版社，2001年，第74页。

  

a)正向弯曲 b)负向弯曲图3 热沉弯曲方向定义

在高温链式钎焊炉中进行封接，封接后采用平面度测量仪对外壳背面热沉变形大小和方向进行测试分析，如图3所示，对热沉弯曲方向进行定义：定义热沉封接后两头凸，中间凹为正向弯曲，两头凹、中间凸为负向弯曲。

5 结果与分析

上述试验计算结果为该结构类型外壳封装可靠性设计提供了理论依据。

综合以上Cu含量对热沉变形量和变形方向的分析表明,对于实际应用过程中，采用该厂家生产的WCu热沉，与Al2O3陶瓷匹配的最佳热沉材质位于WCu10和WCu15之间。

5.1 WCu热沉和Al2O3陶瓷有限元仿真结果分析

通过计算发现,WCu热沉与Al2O3陶瓷的封接结构在焊接界面处存在应力集中区,随着WCu热沉Cu含量的变化,不仅陶瓷上应力集中位置发生变化，WCu热沉变形方向也发生了反转。采用WCu10材质热沉，钎焊后热沉发生正向弯曲，应力集中位置位于钎焊界面陶瓷件内侧R角位置；采用WCu15材质热沉，钎焊后热沉发生正向弯曲，应力集中位置位于陶瓷件内侧R角位置，但变形量和应力值均发生降低；而当采用WCu20材质的热沉时，钎焊后热沉发生负向弯曲，应力集中位置位于陶瓷件外侧棱角处。各材质的峰值应力和热沉变形量如表2所示。

仿真分析结果表明，此产品中，平面度的大小和方向与应力集中大小、应力集中范围有明确的对应关系。通过钎焊后瓷件平面度的衡量，可以反映出应力集中大小和范围，可以对可靠性进行预估。

 

表2 不同热沉材质的钎焊仿真结果

  

热沉材质应力集中位置峰值应力变形量及方向WCu10内R角427.64+0.052WCu15内R角271.5+0.045WCu20外棱角316.3-0.026

 

  

图4 不同Cu焊料WCu热沉钎焊仿真后的应力与变形结果

5.2 Cu含量对热沉变形量和变形方向的影响的试验结果分析

采用试验对上述仿真结果进行验证，不同Cu含量的WCu热沉钎焊后变形量的影响如图5所示。从图5可以看出，随着Cu含量的增加，WCu热沉的变形量先减小后增大，变形方向由正向弯曲变为负向弯曲的的趋势与仿真结果一致，但转折点位于WCu10和WCu15之间。

  

图5 WCu热沉Cu含量对焊后热沉平面度的影响

分析试验结果与仿真结果差距的原因，对WC10和WCu15的热沉材质进行热膨胀系数测试，发现，如图6，在0～800℃范围内，WCu10和WCu15的热膨胀系数都是先增加，然后降低，WCu10在较低的温度条件下开始下降；与标准数据相比，WCu10和WCu15都存在较大的正向偏差，热膨胀系数与理论值相比偏大，导致与陶瓷的最佳匹配点转移至WCu10和WCu15之间，该测试结果与实验结果相吻合。产生这一偏差的主要原因为实际使用的WCu热沉由于加工方式，加工工艺的影响，其性能与行业标准还存在一定差距。

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许灵均自幼父亲去了美国，母亲早亡，成了孤儿。好不容易大学毕业，又被打成“右派”，流放到大西北敕勒川劳动改造，成了牧马人。“文革”中，老乡们因为许灵均的勤劳、善良而加意保护他，使他躲过了更加残酷的迫害。四川是重灾区，很多人吃不上饭。少女秀芝为了寻一条活路，逃到了敕勒川。她声言：“只要谁肯收留我，给我一口饭吃，我就嫁给谁。”老牧民郭蹁子，觉得秀芝人品、长相都不错，许灵均也老大不小了还没成亲，他想不如就让秀芝跟了许灵均吧。

5.3 可靠性验证

S3：将S1中选出的杰出个体与S2中生成的新子代组合成新的种群，将所得新的父代进行模拟退火选择，从中选出N个个体组成新的父代进行下一轮遗传操作。

  

图6 WCu10和WCu15热膨胀系数实测结果

  

图7 同类型外壳瓷裂失效示意图

6 结论

(1)采用有限元仿真软件建立了陶瓷-金属功率集成电路外壳的三维计算模型，并对不同Cu含量WCu热沉的封装结构残余应力进行了计算，从理论上分析了WCu热沉Cu含量对封装结构变形与残余应力分布的影响，结果表明，采用WCu10和WCu15的Cu含量，热沉发生正向弯曲，应力集中位置位于瓷件内侧R角处；采用WCu20热沉，应力集中位置位于瓷件外棱角处，其中前者更容易成为裂纹起始源，诱发瓷裂失效。

钎焊后的成品外壳，在客户后续板级安装使用过程中，发生正向弯曲的外壳更容易发生瓷裂导致器件失效，如图7所示。而发生负向弯曲的外壳，可靠性较高。

(2)对于某国产厂家采用熔渗法生产的WCu热沉，与Al2O3陶瓷最为匹配的Cu含量位于10～15%之间，热沉材质为WCu10时，钎焊后发生正向弯曲，而热沉材质为WCu15和WCu20时，钎焊后，热沉发生负向弯曲。与仿真结果存在偏差为加工工艺导致的热膨胀系数与理论值存在正向偏差。

Al2O3陶瓷与WCu热沉钎焊后，由于二者之间的热膨胀系数差异，会导致WCu热沉产生残余变形，残余变形的大小和方向可表征二者之间的匹配性差异。

钨铜产业在新中国成立后得到了迅速发展，并能够基本满足国民经济和国防的需求，但在WCu材料的性能方面仍和国外有着一定的差距[6-8]。由于WCu材料制作工艺的复杂性，任何引起材料内部位能变化的因素，都会影响其热膨胀系数。因此，不同制备方法得到的材料性能参数也会存在一定的差异。

[1] 唐群,楚建新,张晓勇.陶瓷-金属连接中的残余应力.电子工艺技术,2001,22(4):166-170.

[2] Hobbs Chris,Loh Wei-Yip,Akarvardar Kerem.CMOS scaling beyond FinFETs:Nanowires and TFETs[C].Sematech Symposium,Tokyo,2011:145-151.

本研究试验采用的WCu热沉是由某国产厂家采用熔渗法制备，试验所需的不同Cu含量WCu热沉成分分别为WCu10、WCu15、WCu20。将不同Cu含量的WCu热沉和Al2O3陶瓷按照图1要求进行装配。

[4] 郭怀新,胡进,曹坤.Al2O3/WCu封装的残余应力有限元分析.材料与工艺,2014,34(5):492-497.

本文用Eviews 8软件对面板数据进行处理，首先对各序列进行单位根检验，单位根检验结果为各序列均在95%的置信水平上拒绝原假设，各序列平稳。对样本进行F检验，拒绝了样本系数相同并截距相同、系数相同并截距不同的两个原假设，最终采用变系数、变截距的模型进行回归，根据回归结果得到产能利用率如表2所示。鉴于中国尚没有对产能过剩标准的评判标准，本文借鉴国际上对产能利用率的标准，即79%～83%为正常产能范围，低于79%为产能过剩，高于90%为产能不足［15］作为参考，根据2001～2016年炼化产业产能利用率的测算结果进行初步分析：

[5] 司建文,郭怀新,王子良.TO型陶瓷外壳封接失效模式有限元分析,2016,16(2):9-13.

[6] 石乃良,陈文革.电子封装用W/Cu复合材料的特性、制备及研究进展.材料导报,2007,21(4):301-303.

就业信息寻求的最主要资源为社会其他网站信息，护理与非护理专业毕业生分别占22.68%和25.48%；参加校园招聘会成为求职的主要方式，护理专业毕业生比例（51.27%）高于非护理专业（40.90%）；经济收入是所有毕业生择业时考虑的首要因素；苏南成为所有毕业生择业的首选地区；最困扰毕业生的求职因素中，护理专业认为是不公平竞争（28.83%），而非护理专业毕业生则认为是得不到有效信息（29.76%）（见表3）。

[7] 何平,王志法,姜国圣.钨铜合金的致密化技术.矿冶工程,2007,27(5):81-83.

[8] 何平,王志法,姜国圣,崔大田.熔渗温度及退火温度对W-Cu电子封装材料导热性能的影响[].矿冶工程,2004,24(3):76-77.