LGA塑封電路測(cè)試插座結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及外觀檢驗(yàn)

李明遠(yuǎn)，史 君，王維維，劉利新，郭瀟菲，閆 靜

(北京微電子技術(shù)研究所，北京，100076)

1 引言

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,因塑封電路具有成本低、體積小、重量低等優(yōu)點(diǎn),塑封集成電路在高可靠性領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著塑封電路逐步應(yīng)用于軍用產(chǎn)品中,對(duì)塑封工藝帶來(lái)挑戰(zhàn)的同時(shí),也對(duì)塑封電路測(cè)試后的外觀要求越來(lái)越苛刻。根據(jù)集成電路封裝工藝要求,對(duì)塑封集成電路進(jìn)行測(cè)試時(shí)集成電路生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵工序之一,進(jìn)行塑封集成電路測(cè)試就需設(shè)計(jì)及選用專用的測(cè)試插座,同時(shí)需保障塑封集成電路測(cè)試后的電路外觀、質(zhì)量及可靠性。在測(cè)試過(guò)程,需將電路放置在測(cè)試插座腔體內(nèi),保障電路與插座良好接觸,同時(shí)避免因插座材質(zhì)選取不當(dāng)造成電路外觀損傷,另通過(guò)電路外觀檢驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)塑封電路的質(zhì)量及判斷塑封集成電路缺陷的依據(jù)。

2 LGA塑封電路

隨著集成電路的設(shè)計(jì)和封裝工藝制造要求越來(lái)越高,為滿足縮小電路尺寸、增加引腳數(shù)量、提高散熱等性能的要求,LGA塑封產(chǎn)品越來(lái)越多的采用有機(jī)基板的倒裝芯片封裝,倒裝芯片塑封基本流程為有機(jī)基板制造、管芯貼裝、整體塑封、基板切割分粒,按照流程最終形成LGA倒裝塑封成品。LGA塑封電路采用超薄、高密度的多層封裝有機(jī)基板作為芯片管芯和無(wú)緣器件載體,實(shí)現(xiàn)引腳接觸面積大,排列密度高,比較適用于對(duì)集成度要求較高的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合[1]。

圖1 LGA倒裝管芯塑封結(jié)構(gòu)圖

3 測(cè)試插座

根據(jù)集成電路封裝工藝要求,對(duì)封裝后塑封電路需進(jìn)行測(cè)試是集成電路生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵工序之一,要進(jìn)行電路測(cè)試以保證電路外觀、質(zhì)量及可靠性,就需要設(shè)計(jì)及選用專用的測(cè)試插座。專用測(cè)試插座是對(duì)電路的電性能及電氣連接進(jìn)行測(cè)試來(lái)檢查生產(chǎn)制造缺陷及電路不良的必備試驗(yàn)裝置,根據(jù)測(cè)試插座的應(yīng)用環(huán)境、操作方式和特點(diǎn),并且為了保證生產(chǎn)過(guò)程中電路的穩(wěn)定性和電路的可靠性,同時(shí)避免人工手動(dòng)測(cè)試造成的引線壓傷、劃傷、損傷等電路外觀問(wèn)題,需嚴(yán)格進(jìn)行插座選型。

3.1 傳統(tǒng)測(cè)試插座

LGA(Land Grid Array)是平面柵格陣列封裝,底部是平整的焊盤,其與外部主板的電性連接采用的是點(diǎn)接觸技術(shù),即將電路防放入定制的專用測(cè)試插座腔體內(nèi),插座中的彈簧針與LGA底部平整的焊盤一一對(duì)應(yīng),形成點(diǎn)接觸的連接。

在測(cè)試過(guò)程中,傳統(tǒng)測(cè)試插座(如圖2所示)主體與PCB板上的定位孔通過(guò)螺絲將測(cè)試插座與PCB板固定。彈簧信號(hào)針是以彈針接觸體為核心的連接器,由信號(hào)針針尖、管殼本體、針尾三部分組成,針尖針尾設(shè)置于管殼本體一端用于插入插座,管殼本體另一端內(nèi)側(cè)設(shè)置有信號(hào)針針尖[3]。利用測(cè)試插座的限位功能及測(cè)試插座的旋轉(zhuǎn)上蓋施加一定的向下貼合壓力,電路的引線與彈簧信號(hào)針針尖接觸、PCB焊盤與彈簧針針尾接觸。浮動(dòng)導(dǎo)向板對(duì)待測(cè)電路進(jìn)行限位和定位,電路放置浮動(dòng)導(dǎo)向板內(nèi)且電路受到旋鈕上蓋的壓力后,彈簧信號(hào)針的針尖才與電路引線接觸;反之,電路不受旋鈕上蓋的壓力則彈簧信號(hào)針的針尖不與電路引線接觸,避免造成電路引線劃傷、扎傷等外觀問(wèn)題出現(xiàn)。

圖2 傳統(tǒng)測(cè)試插座結(jié)構(gòu)

通過(guò)不同電路選用的管殼、蓋板圖紙及測(cè)試技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)試插座設(shè)計(jì)及選用，保障電路、彈簧信號(hào)針和PCB焊盤三者之間的精準(zhǔn)定位接觸，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電路性能的測(cè)試。同老化插座結(jié)構(gòu)相比，該測(cè)試插座裝拆簡(jiǎn)單、便捷，測(cè)試穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、節(jié)省焊接時(shí)間等特點(diǎn)。

3.2 測(cè)試插座材質(zhì)

隨著工程塑料用途的不斷擴(kuò)大,工程塑料應(yīng)用在電子電器領(lǐng)域,對(duì)塑料的各種機(jī)械加工也越來(lái)越多,雖然機(jī)械加工的方法有多種多樣,但考慮電氣絕緣性、靜電消散及熱穩(wěn)定定性,定制測(cè)試插座內(nèi)腔體材質(zhì)選用也趨向于工程塑料。目前,應(yīng)用較為廣泛的耐高溫聚合物主要有聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)和聚酰胺酰亞胺(PAI)等[4]。測(cè)試插座材料的選用需基于對(duì)測(cè)試環(huán)境、對(duì)電路外觀的影響等方面進(jìn)行綜合考慮,其中軍品電路測(cè)試環(huán)境溫度范圍在-55℃-+125內(nèi),商用及民用電路測(cè)試環(huán)境溫度范圍在-40℃-+80℃。綜上所述,測(cè)試插座腔體材料選用型號(hào)為2204U-W (PEEK+TiO2)、Vespel? SP1SCP5000(PI)、ESD420 (PEI)、Tor Lon 5530(PAI)。常見(jiàn)制作插座的材料主要吸能簡(jiǎn)述見(jiàn)下表1:

表1 常見(jiàn)制作插座大材料主要性能

針對(duì)加工插座的材料,主要對(duì)PEEK+TiO2、PEEK+纖維、Tor Lon 5530進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明:

3.2.1 Peek+TiO2

承載民生期盼，落實(shí)民生關(guān)切，進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)田水利建設(shè)將采取哪些措施？陳雷部長(zhǎng)在報(bào)告中給出答案：一是進(jìn)一步加大農(nóng)田水利投入力度，二是繼續(xù)深化農(nóng)田水利重點(diǎn)環(huán)節(jié)改革，三是全面實(shí)施大中型灌區(qū)節(jié)水改造，四是切實(shí)抓好小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣建設(shè)，五是大力發(fā)展節(jié)水灌溉和旱作農(nóng)業(yè)，六是不斷提高農(nóng)業(yè)抗御洪澇干旱災(zāi)害能力，七是加快解決農(nóng)村飲水安全問(wèn)題，八是積極開展水土保持和農(nóng)村水環(huán)境治理，九是著力加強(qiáng)農(nóng)田水利建設(shè)與運(yùn)行管理，十是加快農(nóng)田水利法制化和規(guī)范化建設(shè)。

PEEK應(yīng)用在精密加工中,采用填充改性的方法對(duì)聚醚醚酮(PEEK)進(jìn)行改性,即在PEEK原材料中添加增強(qiáng)材料,提高其力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。通常用來(lái)改善摩擦、磨損性能的添加材料包括有金屬化合物類、無(wú)機(jī)物類、有機(jī)類、稀土金屬以及纖維類,其中有金屬化合物包括Al2O3、TiO2、CuO、ZrO2和MoS2等,無(wú)機(jī)物包括石墨、氟化石墨和富勒烯,有機(jī)物的聚四氟乙烯,纖維包括碳纖和玻纖[4],其中PEEK原材料中添加的金屬氧化物為耐磨顆粒,具有高強(qiáng)度、高脆性等特點(diǎn)。

測(cè)試插座腔體材料選用型號(hào)為2204U-W (PEEK+TiO2),材料成分占比為70%聚醚醚酮PEEK和30% TiO2二氧化鈦陶瓷粉。即在PEEK原材料中,通過(guò)填充改性的方式,添加TiO2二氧化鈦陶瓷粉,同時(shí)提高PEEK與金屬化合物TiO2的相容性,改善PEEK的力學(xué)性能、摩擦及磨損性能,同時(shí)大幅度降低材料的成本。然而TiO2二氧化鈦又稱鈦白粉,為白色顏料,其經(jīng)過(guò)特殊處理,在采用濕磨方式去除其中的大顆粒,材料表面涂4%硅鋁成分,使表面積最低吸油值。

3.2.2 Peek+纖維

碳纖維作為一種增強(qiáng)性材料,在制備過(guò)程中高溫碳化或石墨化處理其表面呈化學(xué)惰性,易起毛絲、易脆斷,而應(yīng)用碳纖維上漿劑鋪展在PEEK復(fù)合材料上,可以隔離空氣中的灰塵、水分,并保持其表面活性,有效提高碳纖維的侵潤(rùn)性及表面活性。碳纖維(CF )增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能,如剛度和高強(qiáng)度,良好的可加工性,低膨脹系數(shù)等[5],避免纖維件的摩擦,減少因纖維起毛絲、斷裂而造成的力學(xué)性能損失,同時(shí)提高PEEK復(fù)合材料的摩擦性能。

測(cè)試插座腔體材料選用型號(hào)為ESD420/1000PEEK (PEEK+纖維),材料成分占比為80%聚醚醚酮PEEK和20%碳纖維,因碳纖維具有優(yōu)異的性能,如高強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量低、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕性等,通過(guò)增強(qiáng)或者改性熱塑性復(fù)合材料,可以滿足航空航天、汽車工業(yè)以及機(jī)械工程等領(lǐng)域的要求。

3.2.3 Tor Lon 5530

在高分子聚合物的減摩耐磨復(fù)合材料中, PAI由于比其他材料具有更突出的耐熱性、電絕緣性、力學(xué)性能以及化學(xué)穩(wěn)定性所以受到更廣泛的關(guān)注。PAI具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐熱性能、介電性,化學(xué)穩(wěn)定性和較寬的使用溫度范圍,成為有機(jī)涂層的重要成膜物質(zhì)[6]。

Torlon 5530是耐磨聚酰胺酰亞胺產(chǎn)品,易成型、具有極佳的耐磨性,高溫操作條件下具有杰出的力學(xué)性能,優(yōu)良的抗蠕變性、耐強(qiáng)酸和大多數(shù)的有機(jī)物,極佳的壓縮強(qiáng)度和密封性能。

3.2.4 插座材質(zhì)對(duì)比

插座材質(zhì)型號(hào)為2204U-W (PEEK+TiO2),韌性和剛性兼?zhèn)?在精加工的過(guò)程中,打孔更加干脆,而無(wú)毛刺或脫落物。型號(hào)為ESD420/1000PEEK(PEEK+纖維)的韌性較2204U-W的弱些,加工打孔的時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng),不會(huì)出現(xiàn)顆粒物,較2204U-W的價(jià)格稍微便宜些。而Torlon 5530材料的剛性和耐損性均要比陶瓷PEEK好[7],然而價(jià)格較陶瓷PEEK更貴一些,在濕度較大的環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)少量的變形。

不同的使用壽命以及環(huán)境對(duì)于材料有不同的需求,如果使用不當(dāng),也會(huì)造成很大的測(cè)試隱患。然而在正常使用情況下,測(cè)試插座非外力受損,插座材料的使用壽命均能保證在整個(gè)產(chǎn)品測(cè)試周期內(nèi)正常使用,然而測(cè)試插座的使用壽命主要取決于彈簧針的磨損情況。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,測(cè)試插座經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用,插座腔體內(nèi)的材質(zhì)本身存在顆粒物,在受溫度、壓力變化及使用磨損,導(dǎo)致顆粒物凸起至插座腔體表面,LGA塑封產(chǎn)品測(cè)試后可能造成電路外觀損傷。針對(duì)此種情況有以下幾種方式,一是插座選用顆粒物較少的材質(zhì),二是插座結(jié)構(gòu)選用新型導(dǎo)電膠插座,三是對(duì)插座進(jìn)行測(cè)前、測(cè)中及測(cè)后對(duì)腔體進(jìn)行檢驗(yàn),增加風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的能力。

3.3 新型導(dǎo)電膠插座

新型導(dǎo)電膠插座(見(jiàn)圖3)與傳統(tǒng)彈簧針插座外圍結(jié)構(gòu)類似,區(qū)別在于導(dǎo)通結(jié)構(gòu)不同。新型導(dǎo)電膠插座是以金粉柱替代傳統(tǒng)彈簧針插座的工程塑料針孔和彈簧針,需要開模制作。導(dǎo)電膠具有彈性和絕緣性,應(yīng)用導(dǎo)電膠由原彈簧針點(diǎn)接觸方式變更為金粉柱柱面接觸,提高與電路焊盤接觸面積,減小接觸阻抗,同時(shí)改善傳統(tǒng)彈簧針插座中彈簧針的剛性結(jié)構(gòu)(金屬針尖)對(duì)焊盤的磨損與破壞,提高測(cè)試連接的穩(wěn)定性。

圖3 新型導(dǎo)電膠插座結(jié)構(gòu)

相比傳統(tǒng)測(cè)試插座,新型導(dǎo)電膠測(cè)試插座結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)測(cè)試插座結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):第一,測(cè)試距離短,損耗小,相比彈簧探針更適合高頻測(cè)試;第二,與電路焊盤接觸介質(zhì)為金粉柱,相比彈簧探針對(duì)焊盤的損傷更小。同時(shí)新型導(dǎo)電膠測(cè)試插座也具有缺點(diǎn),一是導(dǎo)電膠整體需要開模制作,即使只是一個(gè)管腳損壞也需整體進(jìn)行更換;二是導(dǎo)電膠插座測(cè)試距離短,結(jié)構(gòu)上無(wú)法設(shè)計(jì)物理限位,若對(duì)導(dǎo)電膠產(chǎn)生過(guò)壓,則會(huì)導(dǎo)致其損壞;三是相比彈簧針使用壽命更短,加工成本更高。

3.4 傳統(tǒng)測(cè)試插座優(yōu)化

專用測(cè)試插座設(shè)計(jì)時(shí),均會(huì)采用傳統(tǒng)Guide Plate結(jié)構(gòu),即彈簧針針尖裸露于插座腔體表面,然而在手動(dòng)測(cè)試的情況下,塑封LGA電路焊盤會(huì)出現(xiàn)劃傷、扎傷等現(xiàn)象。為保障電路外觀質(zhì)量,同時(shí)基于導(dǎo)電膠的弊端,對(duì)傳統(tǒng)Guide Plate結(jié)構(gòu)測(cè)試插座進(jìn)行優(yōu)化,采用Floating plate結(jié)構(gòu),即插座腔體為浮動(dòng)板,應(yīng)用彈簧的彈力為浮動(dòng)板提供浮動(dòng)狀態(tài),使彈簧針針尖處于浮動(dòng)板沉孔內(nèi)。將塑封LGA電路置于插座腔體內(nèi),扣上插座上蓋,電路及浮動(dòng)板受壓塊的壓力,彈簧針針尖露出與電路焊盤接觸。當(dāng)電路及浮動(dòng)板不受壓塊的壓力,彈簧針針尖不與電路焊盤接觸,保障彈簧針針尖不會(huì)對(duì)焊盤造成損傷,改善及提升塑封電路外觀質(zhì)量。

4 外觀檢驗(yàn)

LGA塑封集成電路測(cè)試完成后,除區(qū)分LGA塑封集成電路的好壞外,還需在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量控制。由于質(zhì)量檢驗(yàn)存在滯后性,當(dāng)質(zhì)量事故被發(fā)現(xiàn)時(shí)就為時(shí)已晚,無(wú)法得到有效的預(yù)防,缺少及時(shí)有效的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控,這也導(dǎo)致了生產(chǎn)時(shí)由各種質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的低良率事件不斷地發(fā)生[8]。為避免或有效預(yù)防質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生,需進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制。

4.1 塑封電路外觀檢驗(yàn)

質(zhì)量控制主要是以質(zhì)量檢驗(yàn)為主,通過(guò)檢驗(yàn)人員依照GJB548B-2005中方法2009.1進(jìn)行塑封集成電路外觀檢驗(yàn),通過(guò)外觀檢驗(yàn)確保試驗(yàn)項(xiàng)目和周期試驗(yàn)項(xiàng)目的合格,提高塑封電路的質(zhì)量及判斷塑封集成電路缺陷。在塑封集成電路測(cè)試整個(gè)過(guò)程,需對(duì)電路外觀進(jìn)行測(cè)前首檢、測(cè)中自檢、測(cè)后抽檢,及時(shí)有效地偵測(cè)到電路質(zhì)量缺陷的發(fā)生,而塑封電路外觀需檢驗(yàn)LGA塑封殼體,塑封電路外部目檢缺陷判據(jù)研究如下:

①標(biāo)志不清晰、標(biāo)志內(nèi)容或位置不符合使用的規(guī)范。②檢驗(yàn)塑封基板焊盤是否露出鎳層,嚴(yán)重的情況可能導(dǎo)致焊盤露出底部金屬層;③檢驗(yàn)塑封基板表面凹坑或缺損是否與焊盤相連;④檢驗(yàn)塑封基板是否有長(zhǎng)度、寬度或深度的缺損;⑤檢驗(yàn)塑封基板表面是否有劃傷、劃痕等;⑥檢驗(yàn)塑封基板表面或焊盤缺損露出底材;⑦檢驗(yàn)塑封基板底部是否存有壓痕,壓痕嚴(yán)重可能導(dǎo)致基板內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生形變;

4.2 測(cè)試插座外觀檢驗(yàn)

電路測(cè)試生產(chǎn)過(guò)程中,需將電路放入定制的專用測(cè)試插座腔體內(nèi),使LGA塑封電路焊盤與插座內(nèi)彈簧針一一對(duì)應(yīng),形成點(diǎn)接觸的連接方式。塑封電路受向插座上蓋向下的壓力,保證LGA塑封電路焊盤與彈簧針良性接觸,提升電路測(cè)試穩(wěn)定性,其中電路上表面受壓塊向下的壓力,下表面及焊盤受插座腔體及彈簧針向上的彈力。故除需對(duì)電路外觀進(jìn)行檢驗(yàn)外,還需對(duì)測(cè)試插座與塑封電路相接觸的區(qū)域進(jìn)行使用前、過(guò)程中、使用后檢驗(yàn),及時(shí)有效地偵查到測(cè)試插座外觀異常情況。基于此,塑封電路測(cè)試插座外觀檢驗(yàn)判據(jù)要求如下:

①檢驗(yàn)彈簧針是否針尖或針尾脫落、針尖受力變形和出現(xiàn)縮針現(xiàn)象;②檢驗(yàn)彈簧針針孔是否存在粘錫堵孔現(xiàn)象;③檢驗(yàn)測(cè)試插座導(dǎo)向框是否存在不同程度的壓傷或損傷;④檢驗(yàn)測(cè)試插座腔體內(nèi)是否存有多余物,避免對(duì)電路下表面造成硌傷;⑤檢驗(yàn)測(cè)試插座壓塊表面是否存在多余物、形變或損傷,避免對(duì)電路上表面造成壓傷;

隨著塑封集成電路越來(lái)越多地應(yīng)用于國(guó)防高可靠領(lǐng)域,通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制,對(duì)測(cè)試插座及電路進(jìn)行外觀檢驗(yàn),可有效提高塑封集成電路高質(zhì)量、高可靠、高穩(wěn)定的要求。

5 結(jié)論

隨著芯片的需求日益增長(zhǎng),集成電路在國(guó)內(nèi)的發(fā)展增長(zhǎng)迅速,塑封集成電路材料、測(cè)試技術(shù)及檢驗(yàn)要求不斷地提高,通過(guò)對(duì)集成電路選取的專用測(cè)試插座的材質(zhì)選取、對(duì)比,避免插座材質(zhì)對(duì)塑封集成電路造成損傷。再通過(guò)塑封集成電路外觀檢驗(yàn)依據(jù),提高塑封集成電路高質(zhì)量、高精度、高可靠。