攝像模組濾光片熱應(yīng)力分析和熱固膠參數(shù)優(yōu)化

　　摘要：為解決基于板上芯片(chip on board COB)封裝的手機(jī)攝像模組在85 ℃高溫可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)濾光片開裂的問題，利用有限元法對(duì)塑料支架與濾光片之間的熱固膠參數(shù)進(jìn)行數(shù)值分析，包括膠層厚度、膠層寬度、膠水熱膨脹系數(shù)、膠水彈性模量、膠瘤位置分布和膠瘤大小。結(jié)果表明：增大膠層厚度、增大膠層寬度、降低膠水彈性模量和減少膠瘤的大小可以減小濾光片在高溫下的熱應(yīng)力。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化熱固膠參數(shù)和點(diǎn)膠工藝，從而解決濾光片開裂問題。

　　關(guān)鍵詞：濾光片; 開裂; 高溫; 可靠性; 應(yīng)力; 熱固膠; 有限元

　　《計(jì)算機(jī)科學(xué)與探索》是由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司主管、華北計(jì)算技術(shù)研究所主辦的國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)期刊，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)刊。

　　0 引 言

　　基于板上芯片(chip on board COB)封裝的攝像模組制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低、生產(chǎn)良率高、性能優(yōu)異，已經(jīng)成為手機(jī)行業(yè)的主流攝像模組。[12]這類攝像模組主要由基于COB封裝的線路板、鏡座組件和鏡頭電機(jī)組件3部分組成[36]，見圖1。鏡座組件包含一個(gè)塑料支架和一片濾光片。塑料支架不僅要為鏡頭提供后焦余量，也是支撐濾光片的載體。濾光片通過膠水粘貼在塑料支架上，置于鏡頭與COB封裝的線路板之間，可過濾鏡頭接收的紅外光和紫外光，確保成像質(zhì)量。

　　在85 ℃高溫可靠性試驗(yàn)中，攝像模組的濾光片開裂問題是攝像模組失效的主要形式之一，濾光片開裂實(shí)物圖片見圖2。濾光片開裂會(huì)導(dǎo)致手機(jī)拍照成像時(shí)照片出現(xiàn)一道模糊的裂紋，嚴(yán)重影響照片的品質(zhì)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型，優(yōu)化鏡座組件在高溫下的應(yīng)力分布，是解決該問題的主要方法。[8]

　　以溫度載荷作用下基于COB封裝的攝像模組為研究對(duì)象，利用有限元法對(duì)濾光片的熱應(yīng)力進(jìn)行仿真試驗(yàn)，討論膠層厚度、膠層寬度、膠水熱膨脹系數(shù)、膠水彈性模量、膠瘤位置分布和膠瘤大小對(duì)濾光片熱應(yīng)力的影響。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化膠水材料和點(diǎn)膠工藝，改善濾光片在高溫下的熱應(yīng)力分布狀況，從而解決實(shí)際工程應(yīng)用中濾光片在高溫下開裂的問題。

　　1 濾光片應(yīng)力閾值的確定

　　采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試方法測(cè)定濾光片的應(yīng)力閾值。水平支撐

　　濾光片的兩端，在濾光片中部施加垂直玻璃表面、方向向下的載荷，直至濾光片破裂。威布爾分布的適應(yīng)性較好[9]，電子和機(jī)械領(lǐng)域的許多企業(yè)常用其進(jìn)行產(chǎn)品可靠性檢驗(yàn)，再結(jié)合企業(yè)自身情況，確定產(chǎn)品失效概率。利用威布爾分布處理三點(diǎn)彎曲測(cè)試結(jié)果，得到濾光片破壞應(yīng)力與失效概率的關(guān)系，見圖3。由此可知，濾光片的應(yīng)力越低，濾光片破裂失效的風(fēng)險(xiǎn)也越小。取濾光片失效概率為10%時(shí)對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)力157.8 MPa，作為濾光片應(yīng)力閾值。

　　2 有限元模型建立

　　2.1 幾何模型建立

　　對(duì)基于COB封裝的鏡座組件進(jìn)行三維建模，見圖4。模型由下向上分別為COB封裝的線路板、塑料支架和濾光片。三者膠接在一起，將膠水截面簡(jiǎn)化為均勻的矩形。

　　對(duì)膠水的熱膨脹系數(shù)和彈性模量分別設(shè)置6種不同的取值。仿真試驗(yàn)的材料參數(shù)見表1。

　　2.2 網(wǎng)格劃分和熱載荷

　　利用ANSYS對(duì)基于COB封裝的鏡座組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖5a)。將塑料支架劃分為四面體網(wǎng)格，COB封裝的線路板、濾光片和膠層劃分為六面體網(wǎng)格。為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，濾光片和膠層的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，見圖5b)。仿真試驗(yàn)的熱載荷為恒定溫度85 ℃。

　　3 熱應(yīng)力分析

　　3.1 膠層厚度對(duì)濾光片熱應(yīng)力的影響

　　在膠層寬度為0.15 mm、膠水熱膨脹系數(shù)為6.0×10-5℃-1、膠水彈性模量為200 MPa、沒有膠瘤的情況下，分別取膠層厚度H為0.001、0.005、0.010、0.020、0.040和0.070 mm，對(duì)鏡座組件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，結(jié)果見圖6。

　　濾光片的熱應(yīng)力隨著膠層厚度的增加而逐漸減小，這是因?yàn)楹衲z層的存在使得連接件接觸面之間的熱應(yīng)力分布更均勻，從而

　　減小濾光片應(yīng)力集中的程度。膠層的最大剪應(yīng)力隨著膠層厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，膠層保持低水平的剪應(yīng)力有利于避免膠層從零件上剝離導(dǎo)致膠接失效。所以，在使用許可范圍內(nèi)可以考慮加大膠層的厚度以減小濾光片的熱應(yīng)力。

　　3.2 膠層寬度對(duì)濾光片熱應(yīng)力的影響

　　在膠層厚度為0.01 mm、膠水熱膨脹系數(shù)為6.0×10-5 ℃-1、膠水彈性模量為200 MPa、沒有膠瘤的情況下，分別取膠層寬度W為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25和0.35 mm，對(duì)鏡座組件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，結(jié)果見圖7。濾光片的最大熱應(yīng)力隨膠層寬度的增加呈減小趨勢(shì)，膠層的最大剪應(yīng)力在膠寬大于0.10 mm后隨膠層寬度的增加基本保持不變。因此，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，

　　應(yīng)盡量增大膠層的寬度。

　　3.3 熱膨脹系數(shù)對(duì)濾光片熱應(yīng)力的影響

　　在膠層厚度為0.01 mm、膠層寬度為0.15 mm、膠水彈性模量為200 MPa、沒有膠瘤的情況下，分別取膠水的熱膨脹系數(shù)C為1.0×10-5、3.0×10-5、6.0×10-5、10.0×10-5、15.0×10-5和25.0×10-5℃-1，對(duì)鏡座組件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，結(jié)果見圖8。

　　濾光片的最大熱應(yīng)力隨膠水熱膨脹系數(shù)的增大而增大，但增速緩慢;膠層的最大剪應(yīng)力不隨膠水熱膨脹系數(shù)的增大而變化。由此可見，膠水的熱膨脹系數(shù)對(duì)濾光片熱應(yīng)力和膠層剪應(yīng)力的影響可以忽略。

　　3.4 膠水彈性模量對(duì)濾光片熱應(yīng)力的影響

　　在膠層厚度為0.01 mm、膠層寬度為0.15 mm、膠水熱膨脹系數(shù)為6.0×10-5℃-1、沒有膠瘤的情況下，分別取85 ℃下膠水的彈性模量E為50、100、200、500、1 000和5 000 MPa，對(duì)鏡座組件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，結(jié)果見圖9。

　　濾光片的最大熱應(yīng)力隨膠水彈性模量的減小呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槟z水彈性模量的降低有助于釋放鏡座與濾光片之間由于熱膨脹系數(shù)不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的應(yīng)力，使兩者的變形被膠水吸收，從而降低濾光片在高溫下的應(yīng)力。膠層的最大剪應(yīng)力隨膠水彈性模量的增大而增大，但高溫下膠層的黏結(jié)強(qiáng)度變?nèi)酰瑸楸苊饽z接失效，在滿足黏結(jié)強(qiáng)度要求的前提下，不能選用彈性模量過大的膠水。

　　3.5 膠瘤位置分布和膠瘤大小對(duì)濾光片熱應(yīng)力的影響

　　當(dāng)涂覆于塑料支架與濾光片之間的膠水較多時(shí)，膠水會(huì)溢出，從而在濾光片與塑料支架之間形成膠瘤。將膠瘤形狀簡(jiǎn)化為等腰直角三角形[10]，膠瘤有3種位置分布：內(nèi)側(cè)存在膠瘤、外側(cè)存在膠瘤和內(nèi)外側(cè)都存在膠瘤。膠瘤3種位置分布示意見圖10。

　　在膠層厚度為0.01 mm、膠層寬度為0.15 mm、膠水熱膨脹系數(shù)為6.0×10-5℃-1、膠水彈性模量為200 MPa時(shí)，考慮膠瘤位置和膠瘤大小對(duì)濾光片上的熱應(yīng)力的影響，其中膠瘤直角邊長(zhǎng)度L分別為0.015、0.020、0.025、0.030、0.035和0.040 mm，對(duì)鏡座組件進(jìn)行熱應(yīng)力分析，結(jié)果見圖11。與沒有膠瘤(L=0)時(shí)的情況相比，如果內(nèi)側(cè)存在膠瘤，濾光片上的熱應(yīng)力隨著膠瘤的增大而減小，但減小幅度較小;如果在外側(cè)或內(nèi)外側(cè)都存在膠瘤，濾光片上的熱應(yīng)力隨著膠瘤的增大而增大，且兩者對(duì)濾光片上熱應(yīng)力的影響差異較小。膠瘤的存在使得膠層的最大剪應(yīng)力不同程度地增大，從而對(duì)膠接的可靠性產(chǎn)生不良影響。盡管如此，由于設(shè)備制造能力的限制，

　　在實(shí)際生產(chǎn)中適當(dāng)控制膠瘤的大小比完全避免膠瘤的出現(xiàn)更有實(shí)際意義。

　　對(duì)不同膠層厚度、膠層寬度、膠水熱膨脹系數(shù)、膠水彈性模量、膠瘤位置分布和膠瘤大小的鏡座組件進(jìn)行數(shù)值分析，可以得到在模擬試驗(yàn)條件下這些因素對(duì)濾光片熱應(yīng)力和膠層剪應(yīng)力的影響，為膠水的選取和點(diǎn)膠工藝提供參考。

　　4 試驗(yàn)驗(yàn)證

　　在現(xiàn)有條件下，選取5款單組分環(huán)氧樹脂熱固膠，依次命名為A、B、C、D和E，通過動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析薄膜拉伸測(cè)試，得到這5款熱固膠的彈性模量隨溫度變化的曲線，見圖12。在85 ℃時(shí)這5款熱固膠的彈性模量由小到大依次為EA=13.865 MPa、EE=28.014 MPa、EB=50.085 MPa、EC=101.585 MPa和ED=167.233 MPa。

　　在85 ℃下對(duì)這5款熱固膠進(jìn)行推力試驗(yàn)，得到的箱線圖見圖13。在85 ℃時(shí)，這5款熱固膠的黏結(jié)

　　強(qiáng)度由高到低依次為

　　τD=5.684 MPa、τB=4.548 MPa、τE=4.004 MPa、τC=2.988 MPa和τA=2.238 MPa。