航天電子產(chǎn)品CCGA 加固工藝可靠性分析

王海超，彭小偉，郭帆，丁穎潔，陳強(qiáng)

(1.上海航天控制技術(shù)研究所,上海,201100；2.天津大學(xué),天津,300072)

0 序言

近年來(lái)隨航天電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命增加，其可靠性要求也逐步提高.陶瓷柱柵陣列(ceramic column gird array，CCGA)芯片作為少數(shù)I/O 數(shù)量可超過(guò)1 500的一種高密度封裝類型，因其優(yōu)越的抗熱疲勞性能、散熱性能逐步應(yīng)用于航天電子產(chǎn)品中[1-3].

航天電子產(chǎn)品應(yīng)具備振動(dòng)及溫度循環(huán)環(huán)境下的高可靠服役能力.CCGA 封裝器件質(zhì)量較大，重心較高，對(duì)焊點(diǎn)抗振性能影響較大[4-5]，為增加焊點(diǎn)機(jī)械應(yīng)力抵抗能力，常采用印制電路板(primted circurt board,PCB)結(jié)構(gòu)固定、環(huán)氧膠加固、硅橡膠加固等方式固定[6-7].而CCGA 焊點(diǎn)的熱疲勞壽命與器件本體尺寸成反比，本體尺寸越大，因CCGA和PCB 熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的應(yīng)力越大，邊角處變形量最大的焊點(diǎn)/焊柱越容易受損[8-9]，因此加固大尺寸CCGA 時(shí)應(yīng)充分考慮各加固膠物理特性，如不同加固膠、不同點(diǎn)膠量對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響.目前加固膠對(duì)CCGA 焊點(diǎn)抗振和抗熱疲勞性能影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道.

文中以某國(guó)產(chǎn)大尺寸CCGA 器件(38 mm ×38 mm)為研究對(duì)象，分別采取不同的加固方式，參照QJ 3086A—2016《表面和混合安裝印制電路板組件的高可靠性焊接》附錄A 中可靠性驗(yàn)證條件進(jìn)行試驗(yàn).目前數(shù)值仿真已廣泛應(yīng)用于焊點(diǎn)受力分析[10]，文中建立仿真模型通過(guò)CCGA 加固工藝對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響進(jìn)行計(jì)算，研究不同加固狀態(tài)下的CCGA 對(duì)抗熱疲勞性能和抗振性能的影響，為航天電子產(chǎn)品中CCGA 封裝器件裝配工藝提供參考.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 CCGA 加固狀態(tài)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)焊接7 件某國(guó)產(chǎn)CCGA 樣件(焊錫柱為9010 焊柱、引腳中心距1.27 mm、焊柱陣列30 ×30，每邊3 排引腳，中心無(wú)焊柱)，焊接后對(duì)CCGA樣件采取不同加固工藝，如圖1 所示.點(diǎn)膠狀態(tài)：①未點(diǎn)膠；②器件四角點(diǎn)EC-2216 環(huán)氧膠(點(diǎn)膠寬度W1=2 mm，點(diǎn)膠寬度W2=5～ 7 mm)；③器件四角點(diǎn)EC-2216 環(huán)氧膠(點(diǎn)膠寬度W1=4～ 5 mm，點(diǎn)膠寬度W2=8～ 10 mm)；④器件四角點(diǎn)GD414 硅橡膠(點(diǎn)膠寬度W1=4～ 5 mm，點(diǎn)膠寬度W2=8～10 mm).點(diǎn)膠過(guò)程中采取防護(hù)措施防止環(huán)氧膠和CCGA 焊柱/焊點(diǎn)接觸.

圖1 CCGA 點(diǎn)膠加固示意圖Fig.1 Schematic diagram of CCGA reinforcement

1.2 可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

點(diǎn)膠后參照QJ 3086A—2016《表面和混合安裝印制電路板組件的高可靠性焊接》附錄A 中可靠性驗(yàn)證條件對(duì)各樣件進(jìn)行試驗(yàn).

1.2.1 振動(dòng)試驗(yàn)

樣件經(jīng)歷正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，其中隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件見(jiàn)表1，x,y,z3 個(gè)方向振動(dòng)時(shí)間各5 min.振動(dòng)試驗(yàn)各樣件分配見(jiàn)表2.

表1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Table 1 Random vibration test conditions

表2 CCGA 樣件的分配Table 2 Distribution of the CCGA samples

CCGA 樣件振動(dòng)試驗(yàn)印制電路板約束狀態(tài)分為2 種：約束方式A 和約束方式B，如圖2 所示.

(1)約束方式A：振動(dòng)工裝內(nèi)部下凹2 mm，如圖2 中紅色區(qū)域所示.印制電路板四邊與振動(dòng)工裝相接觸，印制電路板安裝孔使用螺釘緊固，如圖2中約束方式A 所示.將加速度傳感器測(cè)量探頭放在距離CCGA 器件邊緣10 mm 處，隨機(jī)振動(dòng)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)垂直于板面(z向)的隨機(jī)振動(dòng)加速度響應(yīng)曲線.經(jīng)測(cè)量，該點(diǎn)z向總均方根加速度可達(dá)50 Grms.2 號(hào)樣件印制電路板固定在此工裝上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn).

(2)約束方式B：振動(dòng)工裝表面與印制電路板反面緊密貼合，無(wú)下凹，其作用與增加CCGA 周圍印制電路板與結(jié)構(gòu)之間緊固點(diǎn)類似，在一定程度上可約束垂直于印制電路板方向(z向)的運(yùn)動(dòng)，其它約束情況與約束方式1 相同，如圖2 中約束方式B 所示.使用該工裝時(shí)板上相同測(cè)量點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)z向振動(dòng)均方根加速度約為34 Grms，4 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)樣件使用此工裝進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn).

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)中印制電路板約束狀態(tài)(mm)Fig.2 PCB constraint condition during the vibration test

1.2.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)條件：-50～ 100 ℃，升(降)溫速率10 ℃/min，高(低)溫保持時(shí)間15 min，共200 次循環(huán).各樣件狀態(tài)見(jiàn)表2.

2 仿真模型建立

為研究不同約束狀態(tài)下隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)焊點(diǎn)受力情況，利用ABAUQS 仿真軟件建立振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏囟妊h(huán)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型為CCGA 一側(cè)的1/4 印制電路板模型，如圖2 中深綠色“仿真建模區(qū)域”所示，同時(shí)對(duì)其中的兩邊采用對(duì)稱約束條件以模擬整個(gè)印制電路板狀態(tài)，如圖3 所示.振動(dòng)模型共3 個(gè)，分別為RM1，RM2，RM3.各材料主要參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 各材料主要參數(shù)Table 3 Main parameters of materials

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

振動(dòng)模型RM1，RM2 和RM3 主要計(jì)算垂直于印制電路板方向(z向)振動(dòng)時(shí)焊柱/焊點(diǎn)受力情況.RM1 對(duì)應(yīng)2 號(hào)樣件；RM2 模型PCB 約束狀態(tài)與4 號(hào)樣件相同，但CCGA 四角未點(diǎn)膠，用于分析改變PCB 板約束對(duì)器件抗振性能的影響；RM3 對(duì)應(yīng)4 號(hào)樣件，CCGA 四角環(huán)氧膠加固.

以1 號(hào)、3 號(hào)和5 號(hào)樣件為研究對(duì)象建立溫度循環(huán)仿真模型，通過(guò)熱對(duì)流邊界實(shí)現(xiàn)溫度循環(huán)箱內(nèi)環(huán)境溫度載荷，通過(guò)模擬CCGA 焊柱內(nèi)應(yīng)力變化，分析焊柱/焊點(diǎn)熱疲勞性能.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 點(diǎn)膠狀態(tài)對(duì)CCGA 焊點(diǎn)抗振性能影響

3.1.1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后檢查CCGA 器件焊柱及焊點(diǎn)，圖4 為2 號(hào)、4 號(hào)、6 號(hào)和7 號(hào)樣件振動(dòng)后焊點(diǎn)情況.2 號(hào)樣件焊柱與焊料結(jié)合處斷裂，此處焊點(diǎn)上共晶焊料和焊柱間非光滑過(guò)渡，存在應(yīng)力集中；4 號(hào)、6 號(hào)和7 號(hào)樣件引腳無(wú)裂紋.

圖4 2 號(hào)、4 號(hào)、6 號(hào)和7 號(hào)樣件振動(dòng)后焊點(diǎn)情況Fig.4 Solder joints of No.2, No.4, No.6, No.7 sample after vibration experiment

3.1.2 隨機(jī)振動(dòng)模型仿真分析

圖5 為模型z向瞬時(shí)變形曲線和測(cè)量點(diǎn)功率譜密度曲線(power spectral density,PSD).圖5a 為模型RM1，RM2 和RM3 隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中加速度測(cè)試點(diǎn)位置垂直于印制電路板方向(z向)瞬時(shí)變形隨頻率變化曲線，圖5b 和圖5c 為板上測(cè)試點(diǎn)的z向加速度功率譜密度曲線.從圖5b 可以看出，模型RM1 1 階模態(tài)實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果分別是490 和451 Hz，模型RM3 1 階模態(tài)實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果分別為600 和625 Hz，模態(tài)頻率匹配較好，驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性.從圖5a 可以看出，RM1 測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)瞬時(shí)變形量最大，僅改變工裝約束的RM2 瞬時(shí)變形量次之，改變工裝約束狀態(tài)且使用環(huán)氧膠加固CCGA 四角的RM3瞬時(shí)變形量最小.且相比于RM1，RM2 變更約束方式后，板上隨機(jī)振動(dòng)1 階模態(tài)頻率由490 Hz 提高到600 Hz，隨機(jī)振動(dòng)均方根加速度也從50 Grms 降低至34 Grms.因此優(yōu)化板級(jí)約束可顯著降低板級(jí)實(shí)際響應(yīng)，提升印制電路板組件剛度，有助于提升板上元器件裝焊可靠性.

圖5 各模型z 向瞬時(shí)變形曲線和測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)PSD 曲線Fig.5 Transient deformation simulation results and experimental PSD curves. (a) instantaneous deformation curves of direction z; (b) measured PSD curve of RM1; (c) measured PSD curve of RM2

圖6 為RM1，RM2 和RM3 焊柱上均方根應(yīng)力(RMIS)變化曲線和應(yīng)力分布云圖.從圖6a 可知，RM1，RM2 和RM3 振動(dòng)過(guò)程中四角位置焊柱承受的均方根應(yīng)力值約16，4.9 和1.7 MPa.以上數(shù)據(jù)表明，改變結(jié)構(gòu)約束方式的RM2 比RM1 引腳受力降低66%，增加環(huán)氧膠加固的RM3 比RM2 焊點(diǎn)受力再次降低67%.證明增加印制電路板結(jié)構(gòu)間約束和使用環(huán)氧膠加固器件均可降低CCGA 四角位置焊點(diǎn)受力.

圖6 各模型隨機(jī)振動(dòng)RMIS 仿真結(jié)果Fig.6 RMIS simulation results of various random vibration model. (a) RMIS curve of simulation models; (b) RMIS distribution cloud map of RM1;(c) RMIS distribution cloud map of RM2;(d) RMIS distribution cloud map of RM3

RM1 焊柱受力計(jì)算結(jié)果為16 MPa，實(shí)際焊錫爬升與焊柱結(jié)合位置非圓滑過(guò)渡(圖4 焊點(diǎn)形貌)，在焊點(diǎn)和焊柱接觸位置存在應(yīng)力集中導(dǎo)致焊柱斷裂，是RM1 四角焊柱斷裂主要原因；而RM3 改變板級(jí)約束方式并使用環(huán)氧膠加固器件后，四角固定膠增大了器件本體和印制電路板支撐面，將大部分隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力分散到印制電路板上，顯著降低CCGA 四角位置焊柱斷裂風(fēng)險(xiǎn).

振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中7 號(hào)樣件使用GD414 硅橡膠加固，在增加PCB 和結(jié)構(gòu)z向約束后，雖硅橡膠剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)低于環(huán)氧膠，但硅橡膠變形分散部分機(jī)械應(yīng)力至印制電路板，降低焊點(diǎn)受力，在試驗(yàn)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，焊柱未出現(xiàn)裂紋或損傷，滿足使用環(huán)境要求.

以上試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，優(yōu)化板級(jí)約束條件(如增加CCGA 周圍印制電路板與結(jié)構(gòu)之間緊固點(diǎn))和增加四角環(huán)氧膠固定措施均可顯著降低CCGA 器件焊點(diǎn)受力，顯著增加CCGA 器件焊點(diǎn)抗振性能；在增加印制電路板結(jié)構(gòu)約束的情況下使用GD414 硅橡膠加固CCGA 四角滿足QJ 3086A—2016 高可靠使用條件.

3.2 CCGA 加固方式對(duì)焊點(diǎn)抗熱疲勞性能的影響

3.2.1 溫度循環(huán)后CCGA 焊點(diǎn)情況

1 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)和7 號(hào)樣件溫度循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行顯微鏡檢查，如圖7 所示.

圖7 1 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)和7 號(hào)樣件溫度循環(huán)后焊點(diǎn)形貌Fig.7 Solder joints of No.1 , No.3 , No. 5, No.7 sample after temperature-cycle experiment

對(duì)比試驗(yàn)后各樣件焊點(diǎn)情況，焊柱變形量由大到小依次為：點(diǎn)膠狀態(tài)③、點(diǎn)膠狀態(tài)②、點(diǎn)膠狀態(tài)①和點(diǎn)膠狀態(tài)④.1 號(hào)和7 號(hào)樣件焊點(diǎn)外觀未見(jiàn)明顯損傷，3 號(hào)樣件縮頸面積不超過(guò)焊點(diǎn)/焊柱面積的25%.證明使用GD414 硅橡膠加固器件或使用少量EC-2216 環(huán)氧膠加固CCGA 本體(點(diǎn)膠量參見(jiàn)點(diǎn)膠狀態(tài)②)滿足QJ 3086A—2016 可靠性驗(yàn)證要求，對(duì)焊柱的抗熱疲勞性能影響較?。欢? 號(hào)樣件四角位置均出現(xiàn)顯著的焊料縮頸、焊料和焊盤(pán)脫離現(xiàn)象，脫離面積超焊柱/焊點(diǎn)直徑60%以上，CCGA 焊點(diǎn)熱疲勞性能隨環(huán)氧膠點(diǎn)膠量的增多顯著下降，不滿足航天電子產(chǎn)品高可靠裝焊要求.

3.2.2 溫度循環(huán)熱應(yīng)力仿真分析

為分析環(huán)氧膠對(duì)焊點(diǎn)溫度循環(huán)過(guò)程焊點(diǎn)受力情況，參照1 號(hào)、3 號(hào)和5 號(hào)樣件建立仿真模型.

圖8 為各樣件高溫(100 ℃)、低溫(-50 ℃)保持時(shí)焊點(diǎn)熱應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果，四角位置焊點(diǎn)受力最大.低溫-50 ℃和高溫100 ℃時(shí)，1 號(hào)樣件(未點(diǎn)膠)焊柱/焊點(diǎn)根部熱應(yīng)力約11.5 和5 MPa；3 號(hào) 樣件(點(diǎn)膠狀態(tài)②)低、高溫下熱應(yīng)力峰值約為14 和5 MPa；5 號(hào)樣件(點(diǎn)膠狀態(tài)③)熱應(yīng)力峰值約15.5和7 MPa.仿真結(jié)果顯示，當(dāng)該CCGA 器件使用環(huán)氧膠加固四角時(shí)，低溫-50 ℃下，與未點(diǎn)膠狀態(tài)相比，焊柱/焊點(diǎn)承受的內(nèi)應(yīng)力由11.5 MPa 依次增加到14，16.1 MPa；而高溫100 ℃下，點(diǎn)膠狀態(tài)②焊柱應(yīng)力與點(diǎn)膠狀態(tài)①(未點(diǎn)膠)相比無(wú)明顯變化，應(yīng)力值約為5 MPa，100 ℃下Pb90Sn10 焊柱的屈服強(qiáng)度約為5～ 6 MPa[11]，因此少量環(huán)氧膠對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞性能影響有限；而點(diǎn)膠狀態(tài)③(環(huán)氧膠點(diǎn)膠量較多)高溫下焊點(diǎn)應(yīng)力升至7 MPa，超過(guò)此溫度下的焊柱的屈服應(yīng)力，焊點(diǎn)將產(chǎn)生微小塑性變形，多次試驗(yàn)后焊料產(chǎn)生較大塑性變形.此結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果高度匹配.

圖8 各樣件CCGA 熱循環(huán)高溫和低溫?zé)釕?yīng)力分布云圖Fig.8 Thermal stress distribution of CCGA solder joints at high temperature and low temperature. (a)No.1 sample; (b) No.3 sample; (c) No.5 sample

CCGA 封裝主要解決溫度循環(huán)過(guò)程中器件和印制電路板熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的焊點(diǎn)熱疲勞斷裂問(wèn)題.當(dāng)CCGA 使用環(huán)氧膠加固時(shí)，除環(huán)氧膠和焊柱之間熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致焊柱承受額外的軸向應(yīng)力以外，環(huán)氧膠對(duì)器件四角支撐力也隨著PCB 板熱脹冷縮而波動(dòng).隨著環(huán)氧膠點(diǎn)膠量越多，低溫下印制電路板收縮時(shí)環(huán)氧膠對(duì)器件四角支撐作用越大，同時(shí)熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱應(yīng)力增大，焊點(diǎn)熱疲勞性能下降.GD414 硅橡膠為一種超彈性材料，質(zhì)地較軟，在非封閉結(jié)構(gòu)下，溫度變化可通過(guò)硅橡膠自身橫向變形消除部分內(nèi)應(yīng)力.試驗(yàn)結(jié)果顯示，在充分優(yōu)化結(jié)構(gòu)約束、降低PCB 板級(jí)響應(yīng)情況下，溫度循環(huán)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)后焊柱/焊點(diǎn)未損傷，滿足航天運(yùn)載電子產(chǎn)品高可靠裝焊要求.

以上分析結(jié)果顯示，在文中可靠性測(cè)試條件和環(huán)氧膠點(diǎn)膠量嚴(yán)格控制的情況下，使用EC-2216 環(huán)氧膠加固CCGA，或優(yōu)化板級(jí)結(jié)構(gòu)約束的情況下，使用GD414 硅橡膠加固CCGA 本體，均可滿足航天運(yùn)載電子產(chǎn)品高可靠性裝聯(lián)要求.

4 結(jié)論

(1)優(yōu)化PCB 板級(jí)約束，如增加CCGA 周圍印制電路板與結(jié)構(gòu)之間緊固點(diǎn)，可抑制隨機(jī)振動(dòng)中PCB 板上量級(jí)的放大，顯著提升CCGA 焊點(diǎn)抗振性能.

(2)使用EC-2216 環(huán)氧膠加固器件本體可將隨機(jī)振動(dòng)中大部分應(yīng)力分散至印制電路板，少量環(huán)氧膠的使用對(duì)焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響較小，滿足QJ 3086A—2016 高可靠裝焊要求.隨著環(huán)氧膠點(diǎn)膠量的增多，焊點(diǎn)熱疲勞壽命顯著降低.

(3)在充分優(yōu)化PCB 板級(jí)結(jié)構(gòu)約束、降低板級(jí)振動(dòng)響應(yīng)的情況下，使用GD414 硅橡膠加固器件本體滿足航天運(yùn)載電子產(chǎn)品高可靠性裝聯(lián)要求.