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，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)過程并開展了可靠性分析，從最終的試驗(yàn)結(jié)果看，ＣＣＧＡ器件焊接后，焊料與ＰＣＢ焊盤及焊柱間潤濕良好；焊料與焊盤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)，均未見明顯的ＣＵ３Ｓｎ形成；說明焊接工藝（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稱，如圖１所示，是在ＣＢＧＡ封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，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的熱疲勞問題［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，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中也存在很多工藝性問題，需要引起我們的足夠重視。首先是鉛柱底面的氧化問題，由于器件從制造到工程應(yīng)用跨越的周期比較長，尤其近年來國外的產(chǎn)品（例如ＸＩＬＩＮＸ的ＣＧ７１７）供應(yīng)鏈的問題，導(dǎo)致器件進(jìn)入工程應(yīng)用的周期較長，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)際組裝過程中發(fā)現(xiàn)，來料的ＣＣＧＡ鉛柱存在歪斜的物理缺陷，圖３是個別焊柱歪斜造成焊接后焊柱與焊盤對位偏差較大的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。

    本文針對上述問題，以實(shí)際工程應(yīng)用較多的ＸＩＬＩＮＸ公司ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７為例開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稱，圖４是ＣＢＧＡ焊端及焊接前后對比圖，其焊球?yàn)楦咩U焊料，焊接過程焊料不熔化，在封裝基體以及ＰＣＢ焊端均使用焊料填充［４］。

常見的ＣＣＧＡ焊柱陣列有９０Ｐｂｌ０Ｓｎ和８０Ｐｂ２０Ｓｎ兩種，從目前市場應(yīng)用情況看，進(jìn)入中國市場的ＣＣＧＡ器件，以８０Ｐｂ２０Ｓｎ焊料居多，兩種焊柱均為高鉛焊柱，焊接過程焊料不熔化。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)品而開發(fā)的；８０Ｐｂ２０Ｓｎ帶有銅纏帶，表面有６３Ｐｂ３７Ｓｎ焊料層，銅纏帶的加入會使焊柱在保證一定的強(qiáng)度的同時(shí)會具有一定的韌性。

ＣＣＧＡ焊柱還有一種叫微彈簧結(jié)構(gòu)的封裝形式，見圖８。這種微彈簧焊柱結(jié)構(gòu)最早是ＮＡＳＡ開發(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、機(jī)械沖擊，其中１?！常＿M(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，?。保悠愤M(jìn)行金相切片／ＳＥＭ分析；２?！常＿M(jìn)行隨機(jī)振動試驗(yàn)，取２＃樣品進(jìn)行金相切片／ＳＥＭ分析；３樹￥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個循環(huán)。隨機(jī)振動、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ｆＰＣＢ焊盤直徑設(shè)計(jì)為０．８mm，板厚為２mm，阻焊開窗０．９mm，共計(jì)１０層，PCB外圍尺寸為２４0mm×160mm；ＰＣＢ帶有菊花鏈路，每個ＣＣＧＡ封裝共設(shè)計(jì)６個通路，任意一個通路上的適當(dāng)位置均以線路條的方式向外與測試孔相連，以判定故障通路的具體失效位置。當(dāng)各個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，影響鉛柱與焊盤的對位，造成鉛柱相對于焊盤的偏移，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中效應(yīng)有限，必須進(jìn)行鉛柱矯正處理來保證焊接過程中ＣＣＧＡ高鉛柱的準(zhǔn)直性。ＧＳＦＣ－ＳＴＤ－６００１對鉛柱植柱后的質(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，并形成良好的潤濕角；

（２）單個鉛柱相對于其他鉛柱歪斜度不應(yīng)超過５°；

（３）整排鉛柱歪斜角度不應(yīng)超過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程中不會發(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。打磨過程中用去離子水進(jìn)行冷卻，防止高鉛柱摩擦過熱發(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。

去氧化處理后，使用無水乙醇對高鉛柱進(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比圖，可以看出，經(jīng)過去氧化處理后，ＣＣＧＡ焊柱端面工藝性良好。

（未完待續(xù)）

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