Al2O3陶瓷封装热切缺陷及其对断裂强度影响的统计研究

摘要

陶瓷材料具有高强度、高热导率、良好的尺寸稳定性及气密性等优良性能，成为航空航天、军用电子、汽车电子等环境恶劣及高可靠性需求的器件或模块封装材料的优先选择。但陶瓷材料的本征脆性，使其内部或表面的缺陷对应力极其敏感，缺陷的分布和形态直接决定了封装制造的成品率、封装体的质量以及服役条件下的可靠性。至今为止，无论是形状简单还是结构复杂的封装载体，其轮廓形状都在生瓷阶段的热切工艺中完成，但生瓷阶段的机械加工在胚体表面形成的缺陷或损伤并未受到关注，而实际上，这些在生瓷阶段形成的缺陷在烧结工艺的固化过程中继承下来并最终存留于封装结构的外表面，直接面对复杂且恶劣的环境载荷的冲击，进而引发可靠性灾难。因此，对生瓷在热切工艺中产生并传递到熟瓷材料的缺陷的特性进行研究和评估对陶瓷封装制造的质量控制和可靠性评估都具有重要的意义。
　　缺陷对脆性断裂的响应取决于其形态和尺寸。通过光学和扫描电子显微镜对生瓷状态下的热切缺陷和烧结固化之后的热切缺陷进行观察，并与陶瓷内部的本征缺陷（气孔、夹杂等）进行对比，发现热切缺陷主要表现为侧面的沟壑状缺陷和底棱边的撕裂状缺陷。根据脆性中断裂强度与缺陷尺寸之间的关系，通过三点弯曲强度可以对缺陷尺寸进行间接评估。在考虑不同表面、切断和拉断、切刀磨损因素进行的全因子试验中，方差分析和多重比较的结果都表明，与陶瓷本征缺陷比较，热切缺陷的存在会引起50-60MPa的强度下降，下降幅度达到14-15％。结合断裂路径的分析，可以确定热切缺陷是一种尺寸更大，分布更密集的缺陷。切断和局部拉断的强度统计在统计上并无差别，揭示了热切缺陷的产生机制。切刀磨损引起的强度下降可能是钝化的刀刃使截面发生变形所致。
　　由缺陷主导的脆性断裂是统计离散的。在多数由本征缺陷主导的断裂中，强度统计服从 Weibull统计分布，但在新型陶瓷材料以及微纳米量级的强度统计中，理论和试验的证据都显示半经验性的Weibull统计模型存在偏差，因此，在新的缺陷类型下，通过大量的统计试验对强度统计所服从的统计分布进行验证和推断是很有必要的。在热切缺陷主导的断裂统计中，通过极大似然估计得到的Weibull参数与强度统计之间存在明显的偏差，卡方拟合优度检验显示热切缺陷主导的断裂统计拒绝服从 Weibull分布。在分布总体未知的情况下，利用核密度方法对概率密度曲线进行估计，曲线呈现单峰右偏态的分布特征。在通过对正态分布、伽马分布和对数正态分布的特征偏态和峰态进行分析，并结合卡方拟合优度检验，推断出热切缺陷主导的断裂统计来自于对数正态分布的总体。在强度统计模型已知的情况下，基于脆性固体断裂力学裂纹稳定扩展的关系，并结合假定的缺陷模型，可以推导出缺陷尺寸的概率密度曲线。Weibull统计分布所代表的破坏性本征缺陷特征尺寸在18-19um，而对数正态分布所代表的破坏性热切缺陷特征尺寸在70-80um，在将棱边的热切缺陷假定为1/4椭圆饼状裂纹的情况下，热切侧面的撕裂缺口长轴尺寸在150-160um。
　　随着电子系统的日益集成化和小型化，封装可靠性的评估也面临新的挑战，在常规或者标准测试下得到的可靠性数据能否用来评估不方便进行全尺寸范围测量的的结构。强度尺寸效应及推断关系的研究为这类问题的解决提供切实的理论基础和解决途径。在对不同尺寸结构的热切缺陷的光学观察中发现，在小的结构尺寸中，热切工艺会产生更大的缺陷。在对不同尺寸结构的强度统计观察和拟合优度的检验中发现，热切缺陷主导的断裂缺陷都来自于对数正态分布的总体，但随结构尺寸的减小，Weibull统计对陶瓷本征缺陷主导的断裂统计的描述变差。在不同的结构尺寸下，本征缺陷主导的断裂强度随尺寸减小而明显增大，表现出明显的尺寸效应，而热切缺陷主导的断裂强度并不表现出明显的尺寸效应，表现为尺寸效应的缺失。在对断裂路径的观察中可以发现，与本征缺陷的稀疏分布不同，热切缺陷表现出密集分布的特征。在缺陷稀疏分布的情况下，破坏性本征缺陷的数量与结构尺寸是成比例的，这是 Weibull分布描述的强度统计表现出明显的尺寸效应的根本原因。而在热切缺陷密集分布的情况下，不同结构尺寸下的断裂不受缺陷数量的影响，而只与主缺陷及其与邻近缺陷之间相互作用有关。通过有限元模型建立单缺陷裂纹模型和多缺陷裂纹模型，对相应模型下裂纹裂纹的J积分进行计算，分析缺陷之间的相互作用对断裂的影响。研究发现，邻近缺陷的相互作用屏蔽和缺陷本身的形状屏蔽在断裂过程中可以等效成两段弯曲上升的T曲线，使热切缺陷主导的断裂表现出“准脆性”断裂的趋势。以准脆性断裂机制的为基础的尺寸效应以及小的结构尺寸下更大的缺陷尺寸是热切缺陷主导的断裂统计中不表现出明显的尺寸效应的根本原因。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文研究内容

第2章 热切缺陷描述及评估

2.1 热切缺陷

2.2 缺陷评估

2.3 方差分析

2.4本章小结

第3章 热切缺陷与断裂强度统计

3.1 Weibull统计分布

3.2 Weibull参数提取

3.3 概率密度估计

3.4 缺陷尺寸分布

3.5本章小结

第4章 断裂强度尺寸效应

4.1 尺寸效应的试验

4.2 缺陷相互作用

4.3断裂强度的尺寸缩放

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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