宇航产品CCGA封装器件高可靠组装工艺研究及进展

摘要：陶瓷柱栅阵列封装器件（ＣＣＧＡ）由于其诸多的技术优势，在高可靠性产品中大量被选用。本文以ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７（铅柱为Ｐｂ８０／Ｓｎ２０）为例开展了高可靠性组装工艺研宄工作，详细论述了组装工艺及环境应力试验过程并开展了可靠性分析，从最终的试验结果看，ＣＣＧＡ器件焊接后，焊料与ＰＣＢ焊盘及焊柱间润湿良好；焊料与焊盘间形成的合金层均匀连续，厚度在０．５ｕｍ－３０ｕｍ之间，均匀处约在ｌｕｍ左右，从形貌上看，基本以Ｃｕ６Ｓｎ５的典型扇贝状形貌呈现，均未见明显的ＣＵ３Ｓｎ形成；说明焊接工艺（温度、时间）较为适宜，ＣＣＧＡ器件焊接工艺良好、稳定。

关键词：柱栅阵列；ＣＣＧＡ；金属间化合物；焊接；工艺

1概述

ＣＣＧＡ是陶瓷柱栅阵列封装的简称，如图１所示，是在ＣＢＧＡ封装技术的基础上发展而来的，与传统的ＢＧＡ封装器件相比，ＣＣＧＡ封装器件具有良好热匹配性、抗振、抗冲击性能、耐高温、高可靠、易清洗等优点，由于使用柱栅取代了球栅，大大缓解了陶瓷载体与环氧玻璃布印制板之间由于热膨胀不匹配而带来的热疲劳问题［１］；与此同时，众多的Ｉ／Ｏ数解决了多逻辑、大量数据的微处理需求［２］，因此该类封装器件在高可靠性产品中被大量选用。

虽然ＣＣＧＡ封装器件具有诸多的应用技术优势，但是在实际工程应用中也存在很多工艺性问题，需要引起我们的足够重视。首先是铅柱底面的氧化问题，由于器件从制造到工程应用跨越的周期比较长，尤其近年来国外的产品（例如ＸＩＬＩＮＸ的ＣＧ７１７）供应链的问题，导致器件进入工程应用的周期较长，这也是造成器件管脚氧化的重要原因，图２是某产品ＣＣＧＡ器件未进行工艺处理前的焊柱端面氧化的图片，其次，焊柱端面的共面性问题也是影响焊接可靠性的重要因素之一，ＧＳＦＣ－ＳＴＤ－６００１规定，引脚的共面度应优于０.１５ｍｍ，若共面度不好，将造成局部铅柱端面焊料不足，不能形成３６０°焊料环绕；第三，在实际组装过程中发现，来料的ＣＣＧＡ铅柱存在歪斜的物理缺陷，图３是个别焊柱歪斜造成焊接后焊柱与焊盘对位偏差较大的Ｘ－ＲＡＹ图片，这种缺陷若不进行相应的工艺处理，将严重影响产品的可靠性。

    本文针对上述问题，以实际工程应用较多的ＸＩＬＩＮＸ公司ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７为例开展了高可靠性组装工艺研究，并寄希望于给工艺实施提供一定的技术指导。

２ＣＣＧＡ封装器件结构特点

ＣＣＧＡ封装又称圆柱焊料载体，是ＣＢＧＡ技术的扩展，ＣＢＧＡ是陶瓷球栅阵列的简称，图４是ＣＢＧＡ焊端及焊接前后对比图，其焊球为高铅焊料，焊接过程焊料不熔化，在封装基体以及ＰＣＢ焊端均使用焊料填充［４］。

常见的ＣＣＧＡ焊柱阵列有９０Ｐｂｌ０Ｓｎ和８０Ｐｂ２０Ｓｎ两种，从目前市场应用情况看，进入中国市场的ＣＣＧＡ器件，以８０Ｐｂ２０Ｓｎ焊料居多，两种焊柱均为高铅焊柱，焊接过程焊料不熔化。图７是两种焊柱结构示意图，其中９０Ｐｂｌ０Ｓｎ为铸型柱结构，最早为ＩＢＭ公司产品而开发的；８０Ｐｂ２０Ｓｎ带有铜缠带，表面有６３Ｐｂ３７Ｓｎ焊料层，铜缠带的加入会使焊柱在保证一定的强度的同时会具有一定的韧性。

ＣＣＧＡ焊柱还有一种叫微弹簧结构的封装形式，见图８。这种微弹簧焊柱结构最早是ＮＡＳＡ开发的。资料显示，微弹簧焊柱能够承受最大５００００ｇ的机械冲击，这种带有微弹簧焊柱的ＣＣＧＡ封装器件目前在国内很少遇到。

３组装可靠性试验验证

３.１试验方案设计

选用ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７Ｍ器件作为试验样品，样品数量３片，试验项目包括：温度循环、随机振动、机械冲击，其中１＃～３＃进行温度循环试验，取１＃样品进行金相切片／ＳＥＭ分析；２＃～３＃进行随机振动试验，取２＃样品进行金相切片／ＳＥＭ分析；３树￥品进行机械冲击试验，然后进行金相切片／ＳＥＭ分析。器件外观结构及尺寸件图９。

３．２试验条件

温度循环按照ＩＰＣ－９７０１－ＴＣ５的有关要求，对试验样品进行温度循环试验，试验条件如下：－５５°Ｃ？＋１００°Ｃ，髙低温各停留10ｍｉｎ，温变速率不小于１０°Ｃ／ｍｉｎ，试验周期为２００个循环。随机振动、机械冲击按照表１和表２执行。

３．３ ＰＣＢ设计

    根据所选ＣＣＧＡ器件（ＣＧ７１７）所用高铅柱的尺寸和间距ｆＰＣＢ焊盘直径设计为０．８mm，板厚为２mm，阻焊开窗０．９mm，共计１０层，PCB外围尺寸为２４0mm×160mm；ＰＣＢ带有菊花链路，每个ＣＣＧＡ封装共设计６个通路，任意一个通路上的适当位置均以线路条的方式向外与测试孔相连，以判定故障通路的具体失效位置。当各个菊花链路通路的电阻值超出常态下电阻值的２０％时，即可判定菊花链路失效。如图１０所示。

３．４组装及焊接

３．４．１铅柱阵列整形及预氧化处理

如前文所述，Ｐｂ８０／Ｓｎ２０铅柱在周转某环节中容易发生歪斜，若歪斜角度达到一定的限度，影响铅柱与焊盘的对位，造成铅柱相对于焊盘的偏移，严重情况下，焊接后焊柱周边焊料填充不足，进而影响可靠性。与ＢＧＡ球栅阵列不同的是，柱栅阵列焊料的自对中效应有限，必须进行铅柱矫正处理来保证焊接过程中ＣＣＧＡ高铅柱的准直性。ＧＳＦＣ－ＳＴＤ－６００１对铅柱植柱后的质量进行了界定，其中就有关于铅柱歪斜允许角度的定义，具体为：

（１）在焊柱周边至少有７５％的焊料覆盖，并形成良好的润湿角；

（２）单个铅柱相对于其他铅柱歪斜度不应超过５°；

（３）整排铅柱歪斜角度不应超过１０°［３］。

高铅柱在空气中极易发生氧化，造成可焊性差、虚焊等可靠性隐患，因此在ＣＣＧＡ回流焊接前需对高铅柱进行去氧化处理，达到氧化层去除和共面度优化的目的。使用精校工装保证髙铅柱在打磨过程中不会发生二次歪斜，将金相砂纸置于玻璃表面，将露出端部的高铅柱在砂纸表面打磨，直至露出新鲜的表面。打磨过程中用去离子水进行冷却，防止高铅柱摩擦过热发生组织形态转变或二次氧化，去离子水还可保证所有高铅柱处于同一电势。

去氧化处理后，使用无水乙醇对高铅柱进行清洗，去除高铅柱表面残留的多余物。清洗烘干处理后，使用放大镜对高铅柱进行逐根检查，检查内容包括：平整度、是否歪斜、氧化情况及是否存在变形等。图１２是去氧化处理前后对比图，可以看出，经过去氧化处理后，ＣＣＧＡ焊柱端面工艺性良好。

（未完待续）

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