Оценка напряжений в сварных соединениях

Качество и эксплуатационная надежность сварных узлов при монтаже лепестковых выводов на кристалл и на подложку ГИС будут предопределяться их конструктивным исполнением, методом монтажа и уровнем напряжений, возникающих в сварных или паянных соединениях.

Рассмотрим конструктивное исполнение присоединения кристалла с точки зрения возникающих в нем напряжений.

В случае присоединения кристалла с балочными выводами напряжения в выводах (лепестках) определяются по формуле:

s_л=Е_л/l_л*(b_кр*a_кр*DT_кр+2*l_л*a_л*DT_л-l*a_п*DT_п)

Где s_л - напряжения растяжения в лепестке; Е_л - модуль Юнга материала лепестка; a_кр, a_л, a_п - коэффициенты линейного расширения материала кристалла, лепестка и подложки при монтаже и эксплуатации. См. рис 7:

Рис.7

1 - кристалл; 2 - лепестковые выводы

Конструктивное исполнение сварных узлов

При монтаже лепестковых выводов на кристалл от конструктивного исполнения и правильного выбора размеров в большой степени будет зависеть эксплуатационная надежность изделий.

При сварке лепесткового вывода к кристаллу БИС, одним из вариантов может быть схема, представленная на рис.7. В этом случае алюминиевый вывод закреплен на полиимидных рамках (внутренней и внешней частью относительно сварного соединения).

При такой конструкции имеются ограничения минимального размера " l ", который выбирается исходя из относительного допустимого удлинения материала вывода при растяжении (Dl).

Для выработки конструктивно-технологических ограничений на проектирование с целью уменьшения напряженно-деформированного состояния в сварном узле конструктивно целесообразно концы выводов носителя, присоединяемых к контактным площадкам кристалла закреплять, тем самым уменьшая возможность деформации выводов при эксплуатации модуля. В настоящей работе изучена возможность минимизации свободной от полиимида длины вывода из соображений обеспечения достаточной прочности сварного соединения. Это в данном конструктивном варианте определяется не только режимами сварки, но и геометрическими размерами вскрытого окна в полиимиде, определяющими допустимое минимальное расстояние между контактной площадкой кристалла и защитной рамкой гибкого носителя с учетом допустимой деформации вывода.

На участке между полиимидной рамкой и КП кристалла кремния длина вывода l увеличивается до , величина относительной деформации составит . С учетом уменьшения толщины алюминиевого вывода с до и величины толщины контактной площадки уравнение деформации в нашем случае можно записать:

. (1)

С учетом уравнение (1) преобразуем к виду

.

Из последнего уравнения определим минимальное расстояние l от защитной рамки до контактной площадки кристалла (до сварочного инструмента)

. (2)

Для упрощения решения и обеспечения запаса прочности алюминиевого вывода (10…20%) величинами и 0,5 можно пренебречь. Тогда выражение (2) примет вид:

. (3)

Выявлено что, приведенная зависимость (3) при использовании алюминия в лакофольговом материале ФДИ-АП1-50 по ЫУ0.037.042 ТУ, применяемом для изготовления плоских конструкций (относительное удлинение алюминия – 20 %) достаточно хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

Проведенные расчеты показывают целесообразность уменьшения , что может достигаться рядом конструктивно-технологических приемов: как уменьшением толщины в исходном фольгированном материале, так и уменьшением за счет химического травления фрагмента полиимида над телом кристалла.

При монтаже лепестковых выводов, жестко закрепленных в полиимидной рамке, групповой импульсной пайкой на столбиковые выступы кристалла, расчетная формула выглядит так:

l_Л ³ (E_Л * b_кр /2)*(a_кр*DT_кр)/((2*t_СР*h_СМ/s_л)-E_Л*a_Л*DT_Л

где : E_{Л ,} t_{СР ,} a_Л - модуль упругости, допустимое напряжение

среза, коэффициент линейного расширения материала вывода;

h_СМ , s_л - высота столбика и толщина вывода;

DT_кр , DT_Л - температура нагрева кристалла и лепестка

b_кр - размер кристалла.

Рис.8

1 - алюминиевый вывод; 2 - внутренняя полиимидная рамка;

3 - кристалл; 4 - наружная полиимидная рамка

Рассмотрим зависимость прочности сварного соединения от Æ сварного инструмента и расстояния от КП до защитного кольца.

На рис.9 приведены зависимости P=f(l) для случаев использования сварочных инструментов с рабочим торцом Æ100, 130 мкм. Согласно рисунку 9 при l=30 мкм (Æ100) прочность стабилизируется, однако, окончательная стабилизация прочности наступает при l=40-50 мкм, т.к. при l=30 мкм имеет место отрыв по месту сварки в 50% случаев, из-за напряженного состояния узла.

При размере торца сварочного инструмента Æ130 мкм при l=30 мкм еще сказывается эффект "подреза", и превышение средней прочности сварных соединений при l=60 мкм объясняется увеличением зоны взаимодействия.