低温共烧陶瓷电路板在不同安装条件下的热仿真分析与试验研究

发布时间：2020-04-28 06:07

【摘要】：低温共烧陶瓷技术具有高集成度、高性能的特性,经过几十年的研究、发展,已经在射频、通信及医疗电子等领域广泛使用。由于低温共烧陶瓷电路板在封装时很难与封装金属的热膨胀系数相匹配,封装退火后会使电路板产生较大变形与热应力;同时,部分电路板的结构设计不合理,在热环境中也会产生较大的热应力,从而影响电路板的正常使用。因此,对低温共烧陶瓷电路板进行热故障排查、结构优化及热试验分析已成为迫在眉睫的工作。本文采用有限元软件对低温共烧陶瓷电路板在热环境下的热响应进行分析,通过与试验测量结果对比,保证热仿真分析有效性的同时,研究了不同安装条件对电路板表面变形与应力应变的影响,进而总结出电路板及相关电子产品的安装底板选取原则,为相关电子产品在恶劣环境中如何减小应力提供参考。本文所做研究工作主要有:(1)阐述了热力学的相关理论,研究了基于有限元方法的热力学仿真分析技术。通过不同材料层合板结构的热应力算例进行了理论解析解与仿真结果的对比,验证了仿真方法的正确性与结果的可靠性,为后续电路板组件表面热变形与应力应变的分析提供相关的技术基础。(2)研究了低温共烧陶瓷电路板组件的有限元建模方法,并对该模型进行有热仿真分析,得到三种安装条件下的电路板表面位移与应变仿真结果。以低温共烧陶瓷工艺为基础,结合模型简化原则,建立了符合实际工程应用情况的三种不同安装条件下的组件几何模型。研究了低温共烧陶瓷电路板组件有限元仿真前处理方法,建立出低温共烧陶瓷电路板组件的有限元模型。通过仿真计算得到了三种安装条件下电路板表面位移与应变结果,为仿真与试验测量结果对比奠定基础。(3)完成了基于数字图像测量的低温共烧陶瓷电路板组件热试验。阐述数字图像相关测量系统的组成,研究其测量原理与使用方法。说明了试验测量工况和试验步骤,最终测量得到三种安装条件在高、低温环境下的低温共烧陶瓷电路板表面热变形及应变结果。提出了一种对电路板表面位移与应变测量数据的计算处理方法,得到排除干扰因素后的电路板表面实际测量位移与应变。(4)研究了不同安装条件对低温共烧陶瓷电路板组件表面的位移、应变与应力的影响规律。通过对比同一安装条件下的仿真与试验测量结果,得出了仿真过程有效与仿真结果可靠的结论。在此基础上,对不同安装条件下的电路板仿真结果进行对比,总结出电路板表面位移与应力应变变化规律。提出了包括选择有底板安装与尽量选择与研究对象的热膨胀系数更为接近的材料作为安装底板两条安装条件的选取原则。
【图文】：

低温共烧陶瓷基板,集成电路

路基板技术应运而生。（a）集成电路（b）低温共烧陶瓷基板图1.1 集成电路与低温共烧陶瓷基板低温共烧陶瓷技术与集成电路相比较，具有以下明显特点[14]：（1）低温共烧陶瓷材料集中高频率、快速传输速度、宽通带等优点，能够在集成电路无法胜任的领域取得进展；（2）热传导性能较集成电路更好，能够实现更高的可靠性；（3）将较多的无源元件植入到多层电路板内部，进一步减小了电源电路体积[15]。1981 年秋，低温共烧陶瓷技术出现于美国。美国休斯航空器公司组织了内部的一个研发项目，提出使用基于厚膜材料的带式陶瓷介质进行共烧来开发一个新系统，而不是依赖在陶瓷基板上印刷介质来形成多层结构[16]。同年，，日立公司的生产工程实

热分析方法,试验法,图像相关,数字图像相关

5（a）应变片电测法（b）光测法中的数字图像相关方法图1.2 热分析方法中的试验法光测法包含诸多方法，数字图像相关测量方法是其中之一。数字图像相关测量方法具有非接触、高精度以及无损伤动态捕捉等特点[36][37]，故本文在测量低温共烧陶瓷电路板表面热变形及应变时，选择数字图像相关方法进行试验。已有许多学者对数字图像相关测量方法进行了研究并应用于实际测量。亢一澜、雷振坤选择数字图像相关测量技术来测试单丝纤维的力学特性[38]；丁键、罗文波等利用数字图像相关测量系统测量了不同温度梯度下航天器局部结构的变形情况[39]；徐忠营、王伟等通过数字图像相关技术分别测量了紫铜在 600~800℃、石墨在 600~1200℃范围内的热膨胀系数，并与文献值进行对比，结果显示二者吻合较好[40]。三维数字图像相关测量方法优势明显[41][42]，已被广泛应用于各学科领域[43][44]，但在高集成化小型电子元件及低温共烧陶瓷电路板领域的测量应用并不多见。本文选择数字图像相关测量系统，创新性的针对低温共烧陶瓷电路板在极端热环境中的变形与应变进行测量。同时
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ174.1;TP391.9;TN41

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