CCGA焊柱加固工藝技術(shù)研究

毛沖沖，吉勇，李守委，明雪飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

CCGA焊柱加固工藝技術(shù)研究

毛沖沖，吉勇，李守委，明雪飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

針對(duì)陶瓷柱柵陣列 （CCGA）封裝的焊接界面在熱沖擊試驗(yàn)中出現(xiàn)的斷裂失效問(wèn)題，探討了如何通過(guò)加固CCGA焊接界面來(lái)提高器件可靠性的工藝技術(shù)。該工藝通過(guò)在焊接區(qū)域涂覆適量的環(huán)氧膠來(lái)對(duì)焊接界面進(jìn)行加固保護(hù)，對(duì)于提高焊柱的抗熱沖擊能力具有明顯的作用，并且能夠有效地提高焊柱的可靠性。此外，為了進(jìn)一步地提高CCGA器件的組裝可靠性，對(duì)新型結(jié)構(gòu)焊柱進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

陶瓷柱柵陣列；加固工藝；熱沖擊；可靠性

0 引言

隨著IC封裝技術(shù)向高密度、薄型化、高性能和低成本的方向發(fā)展，陶瓷球柵陣列 （CBGA：Ceramic Ball Grid Array）封裝因其具有的高可靠性、優(yōu)良的電氣和熱性能而被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍事、航空和航天等領(lǐng)域的電子產(chǎn)品中[1]。陶瓷柱柵陣列 （CCGA：Ceramic Column Grid Array）封裝是由CBGA封裝發(fā)展和改進(jìn)而來(lái)的，其用柱柵取代了球柵，緩解了二次組裝時(shí)由于熱膨脹系數(shù)（CTE：Coefficient of Thermal Expansion）不匹配而產(chǎn)生的熱疲勞應(yīng)力問(wèn)題，提高了組裝的可靠性[2-4]。CCGA的封裝形式比CBGA的封裝形式更適合用于較大外形尺寸和更多外引出端的情況，因此其在軍事、航空和航天電子制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[5]。

CCGA封裝采用了柱形外引出腳結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的CDIP、CQFP和CLCC等封裝形式相比，具有相同封裝體尺寸內(nèi)引線數(shù)更多、更薄和封裝密度更高等特點(diǎn)；與CPGA封裝形式相比，CCGA的焊柱與基板的接觸面更大且互聯(lián)更短，有利于散熱、降低引線的電感和電容，能夠改善封裝的電性能，提高二次封裝的密度，并且能夠與現(xiàn)有的SMT工藝設(shè)備兼容。CCGA的封裝結(jié)構(gòu)是在多層陶瓷基板的頂部或腔體內(nèi)部放置集成電路芯片，硅芯片與多層陶瓷基板的連接多采用倒裝焊工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。陶瓷基板引出端使用共晶焊料完成高鉛焊柱與陶瓷基板的連接。CCGA的典型封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 倒裝焊形式的CCGA產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，CCGA產(chǎn)品的植柱 （焊柱成分Sn10Pb90）完成后，在經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)、高溫貯存等可靠性試驗(yàn)后，其焊柱的抗拉、抗剪強(qiáng)度約下降20%～30%，但均在控制范圍內(nèi)；焊柱的直徑、高度和共面性等沒(méi)有發(fā)生變化。雖然與CBGA焊球連接方式相比，CCGA焊柱的長(zhǎng)期可靠性壽命有了顯著的提高，但在熱沖擊考核試驗(yàn)中，在焊柱與基板焊接界面、焊料包裹焊柱的端部仍會(huì)出現(xiàn)失效斷裂現(xiàn)象，如圖2所示。這與焊柱本身的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。

倒裝芯片經(jīng)過(guò)底部填充后，可以大幅度地提高凸點(diǎn)焊接位置的可靠性。植柱、二級(jí)組裝與倒裝芯片具有相似的工藝和結(jié)構(gòu)，從彈性力學(xué)和塑性力學(xué)的基本原理可推知，具有與焊柱材料彈性模量相近且與PCB板和陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)均相近的Underfill膠可以為焊柱材料提供有效的保護(hù)?？梢酝茰y(cè)，在FR-4 PCB板和陶瓷基板間填充Underfill膠在理論上可以提高焊柱的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性壽命。因此，本文采用加固焊柱根部的方法來(lái)提高焊柱和二次組裝后的可靠性壽命，并在此基礎(chǔ)上展開(kāi)了針對(duì)CCGA焊柱加固工藝技術(shù)的研究。

圖2 熱沖擊試驗(yàn)焊柱失效位置

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)流程

填充試驗(yàn)流程主要包括：CCGA器件植柱、CCGA二次組裝和焊柱加固。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要包括：回流焊爐、劃片機(jī)、植柱設(shè)備和底部填充設(shè)備。

1.3 試驗(yàn)材料

外殼選用CCGA系列陶瓷外殼，植柱焊盤(pán)節(jié)距為1.00 mm，焊盤(pán)的直徑為0.76 mm。焊柱安裝和PCB板裝配均采用免清洗型Sn63Pb37低鉛錫膏。焊柱采用直徑為0.52 mm、高為2.54 mm的Sn10Pb90高鉛焊柱。此外，填充材料采用環(huán)氧膠（CTE：33×10-6/℃；彎曲模量：8 500 N/mm2）?；宀捎脤?zhuān)為試驗(yàn)設(shè)計(jì)定制的FR-4型PCB板。FR-4基板的厚度為2.25 mm，焊盤(pán)的直徑為0.86 mm，焊盤(pán)的節(jié)距為1.00 mm。植柱工裝夾具采用網(wǎng)孔節(jié)距為1.00 mm、開(kāi)孔直徑為0.70 mm的印刷網(wǎng)板和基座，以及網(wǎng)孔節(jié)距為1.00 mm、開(kāi)孔直徑為0.60 mm的植柱網(wǎng)板和定位夾具。

印刷/植柱網(wǎng)板設(shè)計(jì)的尺寸考慮如下：印刷/植柱網(wǎng)板開(kāi)孔直徑均小于焊盤(pán)直徑，為了保證印刷焊膏的精度和植柱的形位公差尺寸盡可能地小，使CCGA基板焊盤(pán)直徑 （0.76 mm）＞印刷網(wǎng)板開(kāi)孔直徑＞植柱網(wǎng)板開(kāi)孔直徑＞焊柱直徑 （0.52 mm），將印刷網(wǎng)板開(kāi)孔直徑和植柱網(wǎng)板開(kāi)孔直徑分別定為0.70 mm和0.60 mm；同時(shí)，為了控制焊膏的印刷厚度 （為了保證植柱回流后的可靠性），并兼顧刻蝕板的加工工藝能力，將印刷/植柱網(wǎng)板的厚度確定為0.18 mm。為了保證印刷和植柱工藝的易操作性和網(wǎng)板的平整度，將印刷網(wǎng)板和植柱網(wǎng)板設(shè)計(jì)為用夾具定位固定的形式，如圖3所示。

圖3 印刷/植柱網(wǎng)板的定位夾具

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

焊柱增強(qiáng)采用3組對(duì)比試驗(yàn)：第一組，植柱和二次組裝后不進(jìn)行底部填充；第二組，僅在靠近PCB端柱子的根部填充；第三組，在靠近PCB端和陶瓷基板端柱子的兩端根部均進(jìn)行填充。每組均對(duì)2個(gè)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。完成3組試驗(yàn)后，對(duì)3×2樣品進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，通過(guò)考察植柱和二次組裝的可靠性壽命來(lái)確定3種填充方案的優(yōu)劣。

2.1 工藝過(guò)程

焊柱組裝過(guò)程如圖4所示。首先，將焊柱擺放至定位夾具中，并在外殼焊盤(pán)印刷錫膏，使用對(duì)位設(shè)備完成焊柱與焊盤(pán)的對(duì)位；然后，進(jìn)行回流，回流曲線如圖5所示；最后，待回流完成后取下焊柱定位夾具，完成焊柱的組裝。

完成組裝的焊接后，使用顯微鏡觀察外圍焊柱的焊接界面，確認(rèn)其焊接情況。

圖4 焊柱組裝工序

圖5 植柱回流曲線

CCGA二次組裝的過(guò)程如下：首先，將植柱完成的電路切割成3個(gè)部分；然后，將切割后的陶瓷基板利用對(duì)位設(shè)備與刷好焊膏的PCB板對(duì)位放置；最后，進(jìn)行二次組裝回流焊接。二次組裝后的電路如圖6所示。

圖6 二次組裝后的電路

二次組裝后，將樣品電路分為3組，分別進(jìn)行填充。第一組不進(jìn)行焊柱加固，第二組對(duì)靠近PCB端焊柱的焊接位置進(jìn)行填充包封，第三組在靠近PCB端和陶瓷基板端焊柱的兩端根部均進(jìn)行環(huán)氧膠填充包封。3組樣品電路焊柱加固情況及外觀照片如表1所示。

2.2 熱沖擊試驗(yàn)

由于陶瓷基板與PCB板的CTE的差異，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，在板間的焊柱將會(huì)產(chǎn)生附加的熱應(yīng)力變化，而釬料內(nèi)應(yīng)力的周期性變化會(huì)導(dǎo)致疲勞失效； 同時(shí)，相對(duì)于服役環(huán)境的溫度，SnPb釬料的熔點(diǎn)較低，隨著時(shí)間的延續(xù)，焊點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生蠕變損傷。因此，熱沖擊試驗(yàn)是評(píng)估焊點(diǎn)可靠性的一種重要手段，可以用來(lái)確定器件在遭到溫度劇變時(shí)的抵抗能力和溫度劇變對(duì)器件產(chǎn)生的影響。

表1 3組樣品電路焊柱的加固情況

將3組完成的電路按照 GJB 548B-2005中方法 1011.1（熱沖擊）試驗(yàn)條件C進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，高低溫循環(huán)15次。一個(gè)循環(huán)包括從環(huán)境室溫開(kāi)始，升溫至150℃，再降溫至-65℃，再回到環(huán)境室溫，中間不間斷。

熱沖擊試驗(yàn)后，檢測(cè)焊點(diǎn)位置的外觀，觀察是否有斷裂、變形。選取部分失效焊接位置，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接界面的結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行觀察，再與焊接前的情況進(jìn)行比對(duì)。熱沖擊試驗(yàn)后3組樣品的情況如表2所示。

從以上3組樣品的典型照片可以看出，經(jīng)歷熱沖擊試驗(yàn)后，不論是在陶瓷基板端還是在PCB板端，未加固的焊柱焊接位置均出現(xiàn)裂紋甚至斷裂失效，而通過(guò)環(huán)氧膠加固的焊柱根部則未觀察到明顯的裂紋。這說(shuō)明這種焊柱加固的方法對(duì)于提高焊柱熱-機(jī)械可靠性 （例如：抵抗熱沖擊的能力）具有明顯的作用。

表2 熱沖擊試驗(yàn)后3組樣品的情況

3 存在的問(wèn)題及展望

有研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂膠的CTE較大，在長(zhǎng)周期的溫度循環(huán)條件下，由于熱失配可能對(duì)器件和印制板帶來(lái)較大的拉伸應(yīng)力，反而影響其組裝可靠性[6]；另有研究發(fā)現(xiàn)，使用環(huán)氧膠加固焊柱時(shí)，聚合材料會(huì)隨著溫度的降低而變硬，造成CTE不匹配，使應(yīng)力增加，同樣會(huì)影響其組裝可靠性[7]。

為了改善CCGA器件焊柱的耐熱沖擊性能，Raychem等公司發(fā)明了在SnPb焊柱外螺旋包裹一層銅箔的焊柱結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)Pb90Sn10焊柱進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該種包裹銅箔結(jié)構(gòu)的焊柱焊接界面的耐熱沖擊性能更優(yōu)，具有更高的組裝可靠性[5]，筆者也做了相關(guān)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

對(duì)未加固的該結(jié)構(gòu)焊柱電路進(jìn)行不同次數(shù)的熱沖擊試驗(yàn) （GJB 548B-2005中方法1011.1熱沖擊試驗(yàn)條件C循環(huán)15次），所用的材料、工藝和試驗(yàn)方法均與上述內(nèi)容相同。銅箔包裹焊柱的3組樣品分別進(jìn)行15、30和45次熱沖擊試驗(yàn)后焊點(diǎn)的外觀對(duì)比情況如表3所示。

表3 銅箔包裹焊柱不同熱沖擊次數(shù)的焊點(diǎn)外觀對(duì)比

從以上3組樣品的典型照片可以看出，經(jīng)歷不同次數(shù)的熱沖擊試驗(yàn)后，焊柱的焊接界面均未觀察到明顯的裂紋。對(duì)不同循環(huán)次數(shù)熱沖擊試驗(yàn)后的3組電路同時(shí)進(jìn)行了焊柱抗剪切和抗拉脫強(qiáng)度測(cè)定，測(cè)試結(jié)果表明：試驗(yàn)前后焊柱的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度處于同一水平，均滿足工藝要求。這說(shuō)明包裹銅箔結(jié)構(gòu)的焊柱相比傳統(tǒng)的焊柱具有更優(yōu)異的抗熱沖擊性能和更高的熱可靠性。

有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)長(zhǎng)和柔軟的焊柱能更好地適應(yīng)陶瓷基板和PCB之間的熱應(yīng)力，焊點(diǎn)上的應(yīng)力將通過(guò)焊柱的彎曲來(lái)進(jìn)行釋放，從而提高器件的熱疲勞性能，但這些特性卻更容易導(dǎo)致機(jī)械損害[3，8]。對(duì)CCGA和CBGA焊點(diǎn)的承載能力進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)沖擊、振動(dòng)和熱循環(huán)試驗(yàn)后，同等規(guī)格的CCGA焊點(diǎn)出現(xiàn)失效時(shí)所承載的載荷比CBGA焊點(diǎn)出現(xiàn)失效時(shí)的要小。這就需要對(duì)CCGA器件在機(jī)械設(shè)計(jì)和工藝實(shí)施方面采取必要的力學(xué)加固措施。為了改善CCGA焊柱的耐力學(xué)振動(dòng)能力，設(shè)計(jì)并制備了中心和邊角處使用高強(qiáng)銅核焊柱進(jìn)行力學(xué)加固的CCGA焊柱結(jié)構(gòu)，如圖7所示。銅核焊柱內(nèi)部為銅柱，表面鍍錫能夠增強(qiáng)其焊接性能和抗氧化性能。這種銅核焊柱比普通高鉛焊柱的機(jī)械強(qiáng)度大，銅柱的抗拉強(qiáng)度比高鉛焊柱高一個(gè)數(shù)量級(jí)，抗振動(dòng)和沖擊抗性更強(qiáng)。在中心和邊角處植與高鉛焊柱相同規(guī)格的銅核焊柱來(lái)承載電路工作時(shí)的主要應(yīng)力，提高CCGA組裝可靠性。

圖7 銅核焊柱力學(xué)加固CCGA焊柱結(jié)構(gòu)示意圖（顏色較深部位為銅核焊柱，其他為高鉛焊柱）

有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每個(gè)焊柱承受的應(yīng)力大于0.03 N時(shí)，其熱疲勞壽命將顯著地降低；當(dāng)焊柱承受的應(yīng)力小于或等于0.01 N時(shí)，其熱疲勞壽命將則沒(méi)有明顯的變化[9]。為了探究CCGA電路承載條件下的耐熱沖擊性能，首先，通過(guò)夾具對(duì)其施加一定的作用力，使每根焊柱承載0.03 N的力；然后，對(duì)銅核焊柱力學(xué)加固的CCGA焊柱電路進(jìn)行不同次數(shù)的熱沖擊試驗(yàn) （GJB 548B-2005中方法1011.1熱沖擊試驗(yàn)條件C），所用的材料、工藝和試驗(yàn)方法均與上述內(nèi)容相同。進(jìn)行15、30、45次共3組不同次數(shù)的熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后焊柱焊接界面均未觀察到明顯的裂紋。對(duì)試驗(yàn)后的3組電路同時(shí)進(jìn)行了焊柱抗剪切和抗拉脫強(qiáng)度測(cè)定，測(cè)試結(jié)果表明：試驗(yàn)前后焊柱的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度處于同一水平，均滿足工藝要求。這說(shuō)明在中心和邊角處使用銅核焊柱進(jìn)行合理的力學(xué)加固有助于提高CCGA組裝可靠性，能夠較好地滿足航天產(chǎn)品對(duì)耐力學(xué)振動(dòng)和耐溫度沖擊性能的要求。

然而，采用高鉛焊柱的CCGA器件二次組裝的可靠性遠(yuǎn)未達(dá)到理想的水平，特別是當(dāng)其在需要反復(fù)經(jīng)受力學(xué)振動(dòng)、沖擊和加速度等試驗(yàn)的航天產(chǎn)品中應(yīng)用時(shí)，器件失效案例時(shí)有發(fā)生。繼續(xù)提高組裝的成功率和焊接品質(zhì)，不斷地尋找提高可靠性的力學(xué)加固手段，并開(kāi)發(fā)使用新型結(jié)構(gòu)焊柱將是一個(gè)長(zhǎng)期的研究方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)CCGA器件二次組裝加固工藝技術(shù)，即通過(guò)在陶瓷基板和柱柵陣列間及PCB板和柱柵陣列間填充環(huán)氧膠來(lái)加固焊柱根部，進(jìn)行了探討，獲得了CCGA的柱列增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)這種焊柱加固的方法對(duì)于提高焊柱抵抗熱沖擊的能力具有明顯的作用，該結(jié)構(gòu)有效地提高了CCGA焊柱的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性壽命。同時(shí)，對(duì)銅箔包裹焊柱和銅核焊柱等新型焊柱的組裝可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明銅箔包裹焊柱的耐熱沖擊性能更優(yōu)；在中心和邊角處使用銅核焊柱的封裝結(jié)構(gòu)有助于提高CCGA組裝后的抗力學(xué)振動(dòng)性能。為了進(jìn)一步地提高CCGA器件的組裝可靠性，應(yīng)結(jié)合器件的使用環(huán)境對(duì)封裝和組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的優(yōu)化，并開(kāi)發(fā)使用新型結(jié)構(gòu)的焊柱。

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Research on the Reinforcement Technology of CCGA Welding Column

MAO Chongchong，JI Yong，LI Shouwei，MING Xuefei
（No.58 Research Institute of CETC，Wuxi 214035，China）

In view of the fracture failure problem of the welding interface of CCGA during the thermal shock test，the process technology of how to improve the reliability of CCGA device by strengthening its welding interface is discussed.In the process， the welding interface is consolidated and protected by depositing moderate epoxy glue in the welding area，which has a significant effect on improving the thermal shock resistance of the welding column， and can effectively improve the reliability life of the welding column.Besides，in order to further improve the assembly reliability of CCGA devices，the related tests are conducted for the welding column with new structure.

CCGA；reinforcement technology；thermal shock；reliability

TN 305.94

：A

：1672-5468（2017）01-0012-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.003

2016-06-15

毛沖沖 （1990-），女，山東濟(jì)寧人，中國(guó)電子科技集團(tuán)第五十八研究所助理工程師，碩士，從事集成電路陶瓷封裝工藝研究及可靠性分析工作。