宇航產(chǎn)品CCGA封裝器件高可靠組裝工藝研究及進(jìn)展
摘要:陶瓷柱柵陣列封裝器件(CCGA)由于其諸多的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在高可靠性產(chǎn)品中大量被選用。本文以XQR2V3000-CG717(鉛柱為Pb80/Sn20)為例開(kāi)展了高可靠性組裝工藝研宄工作,詳細(xì)論述了組裝工藝及環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)過(guò)程并開(kāi)展了可靠性分析,從最終的試驗(yàn)結(jié)果看,CCGA器件焊接后,焊料與PCB焊盤(pán)及焊柱間潤(rùn)濕良好;焊料與焊盤(pán)間形成的合金層均勻連續(xù),厚度在0.5um-30um之間,均勻處約在lum左右,從形貌上看,基本以Cu6Sn5的典型扇貝狀形貌呈現(xiàn),均未見(jiàn)明顯的CU3Sn形成;說(shuō)明焊接工藝(溫度、時(shí)間)較為適宜,CCGA器件焊接工藝良好、穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞:柱柵陣列;CCGA;金屬間化合物;焊接;工藝
1概述
CCGA是陶瓷柱柵陣列封裝的簡(jiǎn)稱(chēng),如圖1所示,是在CBGA封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,與傳統(tǒng)的BGA封裝器件相比,CCGA封裝器件具有良好熱匹配性、抗振、抗沖擊性能、耐高溫、高可靠、易清洗等優(yōu)點(diǎn),由于使用柱柵取代了球柵,大大緩解了陶瓷載體與環(huán)氧玻璃布印制板之間由于熱膨脹不匹配而帶來(lái)的熱疲勞問(wèn)題[1];與此同時(shí),眾多的I/O數(shù)解決了多邏輯、大量數(shù)據(jù)的微處理需求[2],因此該類(lèi)封裝器件在高可靠性產(chǎn)品中被大量選用。
雖然CCGA封裝器件具有諸多的應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì),但是在實(shí)際工程應(yīng)用中也存在很多工藝性問(wèn)題,需要引起我們的足夠重視。首先是鉛柱底面的氧化問(wèn)題,由于器件從制造到工程應(yīng)用跨越的周期比較長(zhǎng),尤其近年來(lái)國(guó)外的產(chǎn)品(例如XILINX的CG717)供應(yīng)鏈的問(wèn)題,導(dǎo)致器件進(jìn)入工程應(yīng)用的周期較長(zhǎng),這也是造成器件管腳氧化的重要原因,圖2是某產(chǎn)品CCGA器件未進(jìn)行工藝處理前的焊柱端面氧化的圖片,其次,焊柱端面的共面性問(wèn)題也是影響焊接可靠性的重要因素之一,GSFC-STD-6001規(guī)定,引腳的共面度應(yīng)優(yōu)于0.15mm,若共面度不好,將造成局部鉛柱端面焊料不足,不能形成360°焊料環(huán)繞;第三,在實(shí)際組裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn),來(lái)料的CCGA鉛柱存在歪斜的物理缺陷,圖3是個(gè)別焊柱歪斜造成焊接后焊柱與焊盤(pán)對(duì)位偏差較大的X-RAY圖片,這種缺陷若不進(jìn)行相應(yīng)的工藝處理,將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。
本文針對(duì)上述問(wèn)題,以實(shí)際工程應(yīng)用較多的XILINX公司XQR2V3000-CG717為例開(kāi)展了高可靠性組裝工藝研究,并寄希望于給工藝實(shí)施提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。
2CCGA封裝器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
CCGA封裝又稱(chēng)圓柱焊料載體,是CBGA技術(shù)的擴(kuò)展,CBGA是陶瓷球柵陣列的簡(jiǎn)稱(chēng),圖4是CBGA焊端及焊接前后對(duì)比圖,其焊球?yàn)楦咩U焊料,焊接過(guò)程焊料不熔化,在封裝基體以及PCB焊端均使用焊料填充[4]。
常見(jiàn)的CCGA焊柱陣列有90Pbl0Sn和80Pb20Sn兩種,從目前市場(chǎng)應(yīng)用情況看,進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的CCGA器件,以80Pb20Sn焊料居多,兩種焊柱均為高鉛焊柱,焊接過(guò)程焊料不熔化。圖7是兩種焊柱結(jié)構(gòu)示意圖,其中90Pbl0Sn為鑄型柱結(jié)構(gòu),最早為IBM公司產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)的;80Pb20Sn帶有銅纏帶,表面有63Pb37Sn焊料層,銅纏帶的加入會(huì)使焊柱在保證一定的強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)具有一定的韌性。
CCGA焊柱還有一種叫微彈簧結(jié)構(gòu)的封裝形式,見(jiàn)圖8。這種微彈簧焊柱結(jié)構(gòu)最早是NASA開(kāi)發(fā)的。資料顯示,微彈簧焊柱能夠承受最大50000g的機(jī)械沖擊,這種帶有微彈簧焊柱的CCGA封裝器件目前在國(guó)內(nèi)很少遇到。
3組裝可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證
3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
選用XQR2V3000-CG717M器件作為試驗(yàn)樣品,樣品數(shù)量3片,試驗(yàn)項(xiàng)目包括:溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊,其中1?!常_M(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn),取1#樣品進(jìn)行金相切片/SEM分析;2?!常_M(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),?。玻悠愤M(jìn)行金相切片/SEM分析;3樹(shù)¥品進(jìn)行機(jī)械沖擊試驗(yàn),然后進(jìn)行金相切片/SEM分析。器件外觀結(jié)構(gòu)及尺寸件圖9。
3.2試驗(yàn)條件
溫度循環(huán)按照IPC-9701-TC5的有關(guān)要求,對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)條件如下:-55°C?+100°C,髙低溫各停留10min,溫變速率不小于10°C/min,試驗(yàn)周期為200個(gè)循環(huán)。隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊按照表1和表2執(zhí)行。
3.3 PCB設(shè)計(jì)
根據(jù)所選CCGA器件(CG717)所用高鉛柱的尺寸和間距fPCB焊盤(pán)直徑設(shè)計(jì)為0.8mm,板厚為2mm,阻焊開(kāi)窗0.9mm,共計(jì)10層,PCB外圍尺寸為240mm×160mm;PCB帶有菊花鏈路,每個(gè)CCGA封裝共設(shè)計(jì)6個(gè)通路,任意一個(gè)通路上的適當(dāng)位置均以線路條的方式向外與測(cè)試孔相連,以判定故障通路的具體失效位置。當(dāng)各個(gè)菊花鏈路通路的電阻值超出常態(tài)下電阻值的20%時(shí),即可判定菊花鏈路失效。如圖10所示。
3.4組裝及焊接
3.4.1鉛柱陣列整形及預(yù)氧化處理
如前文所述,Pb80/Sn20鉛柱在周轉(zhuǎn)某環(huán)節(jié)中容易發(fā)生歪斜,若歪斜角度達(dá)到一定的限度,影響鉛柱與焊盤(pán)的對(duì)位,造成鉛柱相對(duì)于焊盤(pán)的偏移,嚴(yán)重情況下,焊接后焊柱周邊焊料填充不足,進(jìn)而影響可靠性。與BGA球柵陣列不同的是,柱柵陣列焊料的自對(duì)中效應(yīng)有限,必須進(jìn)行鉛柱矯正處理來(lái)保證焊接過(guò)程中CCGA高鉛柱的準(zhǔn)直性。GSFC-STD-6001對(duì)鉛柱植柱后的質(zhì)量進(jìn)行了界定,其中就有關(guān)于鉛柱歪斜允許角度的定義,具體為:
(1)在焊柱周邊至少有75%的焊料覆蓋,并形成良好的潤(rùn)濕角;
(2)單個(gè)鉛柱相對(duì)于其他鉛柱歪斜度不應(yīng)超過(guò)5°;
(3)整排鉛柱歪斜角度不應(yīng)超過(guò)10°[3]。
高鉛柱在空氣中極易發(fā)生氧化,造成可焊性差、虛焊等可靠性隱患,因此在CCGA回流焊接前需對(duì)高鉛柱進(jìn)行去氧化處理,達(dá)到氧化層去除和共面度優(yōu)化的目的。使用精校工裝保證髙鉛柱在打磨過(guò)程中不會(huì)發(fā)生二次歪斜,將金相砂紙置于玻璃表面,將露出端部的高鉛柱在砂紙表面打磨,直至露出新鮮的表面。打磨過(guò)程中用去離子水進(jìn)行冷卻,防止高鉛柱摩擦過(guò)熱發(fā)生組織形態(tài)轉(zhuǎn)變或二次氧化,去離子水還可保證所有高鉛柱處于同一電勢(shì)。
去氧化處理后,使用無(wú)水乙醇對(duì)高鉛柱進(jìn)行清洗,去除高鉛柱表面殘留的多余物。清洗烘干處理后,使用放大鏡對(duì)高鉛柱進(jìn)行逐根檢查,檢查內(nèi)容包括:平整度、是否歪斜、氧化情況及是否存在變形等。圖12是去氧化處理前后對(duì)比圖,可以看出,經(jīng)過(guò)去氧化處理后,CCGA焊柱端面工藝性良好。
(未完待續(xù))
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