0 引 言
航天领域出现过多起微电子器件及封装结构的失效事故。如某飞控计算机在温度循环实验过程中低温阶段出现开路失效，通过 X 射线观察故障电路内部键合丝未发现异常，外观目检发现开路裂纹，管壳边角处引脚与陶瓷焊接处出现陶瓷部位开裂现象。另一电子器件在温度循环筛选试验中出现电子器件及封装结构故障，显微镜检查发现存储器模块封装结构的引线与焊盘之间存在微裂纹。这两起故障属于典型的电子封装结构在热载荷下的失效模式，前者是引脚与陶瓷之间焊接处的陶瓷开裂，后者是引脚与 PCB 板之间的焊盘开裂，揭示两种故障模式的失效机理对提高管壳封装结构变形及损伤机理的认知能力十分重要。
随着集成电路的飞速发展，电子封装件的体积越来越小，工作环境也更加苛刻。其在工作过程或试验过程中受热载荷作用导致封装件失效的问题愈来愈引起人们的关注。Valerie Eveloy等采用有限元和试验方法，研究了在不同条件下封装组件的温度失配情况;Wakil 等采用有限元数值模拟方法, 分析时采用均匀温度载荷且考虑了功率耗散，分析结果给出了芯片与基板之间粘接层各部位的位移和温度失配分布曲线;耿照新等采用有限元方法对某一航天 PCB 板进行了有限元模拟分析，对 PCB 板的散热方式进行了研究;葛增杰等采用试验和计算方法针对典型塑料方形扁平封装体 PQFP 在工作过程中的受热分析问题，研究了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载作用时其材料的热膨胀和导热性质。
1 有限元模型
图 1 给出两种故障模型示意图，图 1a 为陶瓷开裂结构，图 1b 为焊盘开裂结构，分别取名为故障结构Ⅰ和故障结构Ⅱ。由图 1 可以看出，两种结构的构成基本相同，自上而下共包含 7 层结构，但是两种结构在结构尺寸(如引脚高度、陶瓷尺寸)和银铜焊料结构形式等方面存在不同。进行有限元建模时，为了能够更为精确地定位管壳引线破坏机理，做到尽量模拟引脚处的局部细节(见图 1)，分别建立管壳-引脚-PCB板局部区域的精细化有限元模型，从上至下共建立了 6层结构：陶瓷、银铜焊料、引脚、锡铅焊料、铜箔、PCB 板。由于钨铜与陶瓷材料通过高温共烧工艺连接，界面强度较大，且二者之间形成了相互镶嵌的微观组织，因此可将钨铜金属化层等效为陶瓷建模，其它结构部件均进行了精细化建模。
2 材料本构及参数
为了尽量真实地模拟结构各部件之间的传力路径和刚度演化，除陶瓷和 PCB 板脆性材料外，其它材料均考虑弹塑性本构，模拟应力应变之间的非线性关系。特别是在模拟锡铅焊料的非弹性应力应变关系时，由于锡铅材料为常温即可发生蠕变行为，为了更加精确地模拟这一率相关的力学行为，在有限元分析时采用了粘塑性 Anand 本构模型。
3 边界及载荷
由结构的对称性，在有限元模型中施加两个对称边界条件。施加温循载荷为-40~75℃，与试验时相同。
4 计算结果分析
4.1 故障结构Ⅰ
锡铅焊料的熔点是 183 ℃，在回流焊结束后结构温度恢复至室温，势必会在结构中产生焊接残余应力，而残余应力对结构的性能及强度影响较大，因此，在有限元仿真分析中不能忽略残余应力的影响。但是，由于残余应力与焊接工艺、焊接材料及残余应力释放水平等多个因素有关，要准确给出结构的焊接残余应力十分困难，本文进行了两种极限工况处理，一个工况是完全不考虑残余应力的影响，直接对结构施加温循载荷;另一工况是理想状态残余应力的影响，即将锡铅的熔点温度 183 ℃作为结构的零应力点来模拟结构的残余应力，在此基础上再对结构施加温循载荷。
4.2 故障结构Ⅱ
由于各部件线膨胀能力不同产生了不协调变形，导致结构Ⅱ的锡铅焊料在温循载荷作用下会产生较大的非弹性应变，在考虑材料的蠕变效应时，锡铅焊料在温循载荷下会产生 30%的非弹性应变，有学者研究指出，锡铅材料当其蠕变超过 10%时会产生结构软化而大大降低其承载能力，直至破坏。另一方面，锡铅焊料随着温循次数的增加。
5 结 论
a)结构Ⅰ和结构Ⅱ两种管壳失效最根本的原因是由于结构各部件线膨胀能力不同产生了不协调变形，导致了结构局部的高应力应变响应，但二者破坏机理却不尽相同：结构Ⅰ的断裂失效模式属于陶瓷材料由于应力集中效应导致的脆性断裂;而结构Ⅱ主要由于锡铅焊料在温循载荷下产生较大的累积蠕变而产生的断裂失效;本文仿真结果与试验现象吻合较好。
b)残余应力对塑性材料的强度影响较小，而对脆性材料的强度影响较大。由于回流焊在结构中会产生残余应力，在对微电子器件及封装结构进行温循筛选试验时，建议对结构残余应力的影响进行评估，尤其是当结构中含有陶瓷等脆性材料时。
c)与一般的弹塑性本构不同，由于锡铅焊料的蠕变效应，随着温循载荷次数的增加，会使结构各部分的应力及应变响应逐渐增大，尤其是锡铅焊料本身的非弹性应变明显累积增加，直至最后破坏，这种蠕变与温循(疲劳载荷)的交互作用是微电子器件及封装结构中一种常见的失效模式。