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陶瓷基板和封装的外壳进行热匹配有什么样的实验?

2021-10-15 11:34:34

  陶瓷基板在国内微电路单元的组装密度越来越高,热量越来越大,对包装外壳的要求也越来越高。铝合金材料具有比例小、导电导热性好、易加工、成本低等优点。因此,它现在被广泛用作微电路模块的包装外壳。

  陶瓷基板是微电路模块中常用的基板材料。然而,陶瓷基板的热缩短系数与铝合金外壳有很大不同,导致的热应力有时足以构成陶瓷基板的开裂。除非用陶瓷外壳包装,否则如何提高铝合金外壳包装中陶瓷基板的可靠性,确保陶瓷基板能够承受各种环境温度的变化而不开裂已成为一个严重的问题。

陶瓷基板

  在铝合金外壳中使用陶瓷基板时,一般需要参与盒与陶瓷基板之间的过渡垫作为应力应变缓冲,材料一般选择钼铜或可切割合金,小边选择有限元方法分析这种结构在温度循环实验过程中的应力和分布。温度循环条件:-65℃~150℃,坚持30min,转化1min。焊接材料的结构模型采用Anand模型。为了使分析结果更加普遍,分析了三种不同尺寸的盒子、垫板和陶瓷基板的结构组合。

  陶瓷和铝合金材料的热缩短系数不同。当温度发生变化时,两者之间的缩短或缩短变形是相互约束的(垫板的热缩短系数接近陶瓷,理论分析可以近似地集成)。这种相互约束的热变形不仅在结构平面方向(即x方向和y方向)产生热应力。更重要的是,由于几个尺度和材料的力学性质不同,两者的刚度不同,整个结构的每个纵向截面的应变和应力的大小和方向也不同,导致额外的弯矩,使整个结构向盒子内部或外部弯曲。低温时,下铝合金缩短大于上陶瓷基板,结构向盒体内部曲折。在高温下,变形正好相反。陶瓷基板应力是由于表面僵硬和附加弯矩引起的热应力和曲折应力叠加后的共同效果。

  基于上述应力构成和变形过程,停止以下有限元分析:陶瓷基板厚度0.4mm,垫板厚度0.2mm,盒体底部厚度1.0mm。分为两种情况:一种是使整个结构在温循状态下自由变形,另一种是固定铝合金盒底部,防止其曲折变形。陶瓷等脆性材料的主要开裂方法是在拉应力作用下扩展开裂。

  因此,陶瓷基板选择第 一主应力(即最 大拉应力)作为基板可靠性的评价目标。结构自由变形时,铝合金底部向内弯曲,陶瓷基板最 大应力达到258MPa。固定铝合金盒底部后,陶瓷基板应力大幅下降,应力峰值仅为34.9MPa。由此可见,陶瓷基板上的应力主要来自附加弯矩引起的曲折应力。降低这种封装结构中陶瓷基板的应力,主要应考虑降低这种弯矩效果。

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