摄像模组滤光片热应力分析和热固胶参数优化

　　摘要：为解决基于板上芯片(chip on board COB)封装的手机摄像模组在85 ℃高温可靠性试验中出现滤光片开裂的问题，利用有限元法对塑料支架与滤光片之间的热固胶参数进行数值分析，包括胶层厚度、胶层宽度、胶水热膨胀系数、胶水弹性模量、胶瘤位置分布和胶瘤大小。结果表明：增大胶层厚度、增大胶层宽度、降低胶水弹性模量和减少胶瘤的大小可以减小滤光片在高温下的热应力。根据仿真试验结果优化热固胶参数和点胶工艺，从而解决滤光片开裂问题。

　　关键词：滤光片; 开裂; 高温; 可靠性; 应力; 热固胶; 有限元

　　《计算机科学与探索》是由中国电子科技集团公司主管、华北计算技术研究所主办的国内外公开发行的计算机学报级高级学术期刊，中国计算机学会会刊。

　　0 引 言

　　基于板上芯片(chip on board COB)封裝的摄像模组制造工艺简单、成本较低、生产良率高、性能优异，已经成为手机行业的主流摄像模组。[12]这类摄像模组主要由基于COB封装的线路板、镜座组件和镜头电机组件3部分组成[36]，见图1。镜座组件包含一个塑料支架和一片滤光片。塑料支架不仅要为镜头提供后焦余量，也是支撑滤光片的载体。滤光片通过胶水粘贴在塑料支架上，置于镜头与COB封装的线路板之间，可过滤镜头接收的红外光和紫外光，确保成像质量。

　　在85 ℃高温可靠性试验中，摄像模组的滤光片开裂问题是摄像模组失效的主要形式之一，滤光片开裂实物图片见图2。滤光片开裂会导致手机拍照成像时照片出现一道模糊的裂纹，严重影响照片的品质。通过结构设计和材料选型，优化镜座组件在高温下的应力分布，是解决该问题的主要方法。[8]

　　以温度载荷作用下基于COB封装的摄像模组为研究对象，利用有限元法对滤光片的热应力进行仿真试验，讨论胶层厚度、胶层宽度、胶水热膨胀系数、胶水弹性模量、胶瘤位置分布和胶瘤大小对滤光片热应力的影响。根据仿真试验结果优化胶水材料和点胶工艺，改善滤光片在高温下的热应力分布状况，从而解决实际工程应用中滤光片在高温下开裂的问题。

　　1 滤光片应力阈值的确定

　　采用三点弯曲测试方法测定滤光片的应力阈值。水平支撑

　　滤光片的两端，在滤光片中部施加垂直玻璃表面、方向向下的载荷，直至滤光片破裂。威布尔分布的适应性较好[9]，电子和机械领域的许多企业常用其进行产品可靠性检验，再结合企业自身情况，确定产品失效概率。利用威布尔分布处理三点弯曲测试结果，得到滤光片破坏应力与失效概率的关系，见图3。由此可知，滤光片的应力越低，滤光片破裂失效的风险也越小。取滤光片失效概率为10%时对应的破坏应力157.8 MPa，作为滤光片应力阈值。

　　2 有限元模型建立

　　2.1 几何模型建立

　　对基于COB封装的镜座组件进行三维建模，见图4。模型由下向上分别为COB封装的线路板、塑料支架和滤光片。三者胶接在一起，将胶水截面简化为均匀的矩形。

　　对胶水的热膨胀系数和弹性模量分别设置6种不同的取值。仿真试验的材料参数见表1。

　　2.2 网格划分和热载荷

　　利用ANSYS对基于COB封装的镜座组件进行网格划分，见图5a)。将塑料支架划分为四面体网格，COB封装的线路板、滤光片和胶层划分为六面体网格。为提高结果的准确性，滤光片和胶层的网格进行加密处理，见图5b)。仿真试验的热载荷为恒定温度85 ℃。

　　3 热应力分析

　　3.1 胶层厚度对滤光片热应力的影响

　　在胶层宽度为0.15 mm、胶水热膨胀系数为6.0×10-5℃-1、胶水弹性模量为200 MPa、没有胶瘤的情况下，分别取胶层厚度H为0.001、0.005、0.010、0.020、0.040和0.070 mm，对镜座组件进行热应力分析，结果见图6。

　　滤光片的热应力随着胶层厚度的增加而逐渐减小，这是因为厚胶层的存在使得连接件接触面之间的热应力分布更均匀，从而

　　减小滤光片应力集中的程度。胶层的最大剪应力随着胶层厚度的增加呈现先减小后增大的趋势，胶层保持低水平的剪应力有利于避免胶层从零件上剥离导致胶接失效。所以，在使用许可范围内可以考虑加大胶层的厚度以减小滤光片的热应力。

　　3.2 胶层宽度对滤光片热应力的影响

　　在胶层厚度为0.01 mm、胶水热膨胀系数为6.0×10-5 ℃-1、胶水弹性模量为200 MPa、没有胶瘤的情况下，分别取胶层宽度W为0.05、0.10、0.15、0.20、0.25和0.35 mm，对镜座组件进行热应力分析，结果见图7。滤光片的最大热应力随胶层宽度的增加呈减小趋势，胶层的最大剪应力在胶宽大于0.10 mm后随胶层宽度的增加基本保持不变。因此，在结构允许的条件下，

　　应尽量增大胶层的宽度。

　　3.3 热膨胀系数对滤光片热应力的影响

　　在胶层厚度为0.01 mm、胶层宽度为0.15 mm、胶水弹性模量为200 MPa、没有胶瘤的情况下，分别取胶水的热膨胀系数C为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，对镜座组件进行热应力分析，结果见图8。

　　滤光片的最大热应力随胶水热膨胀系数的增大而增大，但增速缓慢;胶层的最大剪应力不随胶水热膨胀系数的增大而变化。由此可见，胶水的热膨胀系数对滤光片热应力和胶层剪应力的影响可以忽略。

　　3.4 胶水弹性模量对滤光片热应力的影响

　　在胶层厚度为0.01 mm、胶层宽度为0.15 mm、胶水热膨胀系数为6.0×10-5℃-1、没有胶瘤的情况下，分别取85 ℃下胶水的弹性模量E为50、100、200、500、1 000和5 000 MPa，對镜座组件进行热应力分析，结果见图9。

　　滤光片的最大热应力随胶水弹性模量的减小呈下降趋势。这是因为胶水弹性模量的降低有助于释放镜座与滤光片之间由于热膨胀系数不协调产生的应力，使两者的变形被胶水吸收，从而降低滤光片在高温下的应力。胶层的最大剪应力随胶水弹性模量的增大而增大，但高温下胶层的黏结强度变弱，为避免胶接失效，在满足黏结强度要求的前提下，不能选用弹性模量过大的胶水。

　　3.5 胶瘤位置分布和胶瘤大小对滤光片热应力的影响

　　当涂覆于塑料支架与滤光片之间的胶水较多时，胶水会溢出，从而在滤光片与塑料支架之间形成胶瘤。将胶瘤形状简化为等腰直角三角形[10]，胶瘤有3种位置分布：内侧存在胶瘤、外侧存在胶瘤和内外侧都存在胶瘤。胶瘤3种位置分布示意见图10。

　　在胶层厚度为0.01 mm、胶层宽度为0.15 mm、胶水热膨胀系数为6.0×10-5℃-1、胶水弹性模量为200 MPa时，考虑胶瘤位置和胶瘤大小对滤光片上的热应力的影响，其中胶瘤直角边长度L分别为0.015、0.020、0.025、0.030、0.035和0.040 mm，对镜座组件进行热应力分析，结果见图11。与没有胶瘤(L=0)时的情况相比，如果内侧存在胶瘤，滤光片上的热应力随着胶瘤的增大而减小，但减小幅度较小;如果在外侧或内外侧都存在胶瘤，滤光片上的热应力随着胶瘤的增大而增大，且两者对滤光片上热应力的影响差异较小。胶瘤的存在使得胶层的最大剪应力不同程度地增大，从而对胶接的可靠性产生不良影响。尽管如此，由于设备制造能力的限制，

　　在实际生产中适当控制胶瘤的大小比完全避免胶瘤的出现更有实际意义。

　　对不同胶层厚度、胶层宽度、胶水热膨胀系数、胶水弹性模量、胶瘤位置分布和胶瘤大小的镜座组件进行数值分析，可以得到在模拟试验条件下这些因素对滤光片热应力和胶层剪应力的影响，为胶水的选取和点胶工艺提供参考。

　　4 试验验证

　　在现有条件下，选取5款单组分环氧树脂热固胶，依次命名为A、B、C、D和E，通过动态热机械分析薄膜拉伸测试，得到这5款热固胶的弹性模量随温度变化的曲线，见图12。在85 ℃时这5款热固胶的弹性模量由小到大依次为EA=13.865 MPa、EE=28.014 MPa、EB=50.085 MPa、EC=101.585 MPa和ED=167.233 MPa。

　　在85 ℃下对这5款热固胶进行推力试验，得到的箱线图见图13。在85 ℃时，这5款热固胶的黏结

　　强度由高到低依次为

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