2016-10-06 摘自：中國(guó)半導(dǎo)體論壇

      軍用微電子組件的可用性一直在穩(wěn)步下降。這迫使高可靠性要求的用戶利用商業(yè)現(xiàn)貨(COTS)組件以滿足他們的需求。而商用級(jí)元件不能總是滿足惡劣環(huán)境下應(yīng)用的可靠性要求。為了滿足這種需求，COTS元件的強(qiáng)化技術(shù)便得到迅速發(fā)展。

圖1  不同陣列封裝對(duì)比

      傳統(tǒng)的陶瓷四方扁平封裝(CQFP)或陶瓷引腳網(wǎng)格陣列封裝(CPGA)不再適用于當(dāng)今的高I/O計(jì)數(shù)FPGA器件。更高引腳數(shù)目的陶瓷柱柵陣列封裝 (CCGA)在可靠水平內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能要求FPGA器件的高密度封裝，從而能夠滿足航天衛(wèi)星的要求。CCGA封裝是CBGA封裝的發(fā)展，它采用釬料圓柱陣列來(lái)替代CBGA的釬料球陣列，其主要優(yōu)點(diǎn)有：更好的抗疲勞性能、更好的散熱性能，同時(shí)具備耐高溫、耐高壓和良好的抗潮濕性能等。

1.CCGA

      目前運(yùn)用最廣泛的兩種柱狀基陣為90Pb/10Sn錫柱(圖2a)和螺旋銅帶增強(qiáng)型80Pb/20Sn錫柱(圖2b，以下簡(jiǎn)稱螺旋錫柱)，二者均通過(guò)63Sn37Pb共晶焊料連接到陶瓷基板的I/O焊盤上，形成共晶焊點(diǎn)，而后者比前者具有更加優(yōu)越的焊接可靠性。

圖 2  CCGA焊柱 (a)90Pb/10Sn  (b)80Pb/20Sn螺旋錫柱

圖3為一種常用規(guī)格螺旋錫柱及其截面示意圖。中心為80Pb/20Sn錫絲，表面繞厚度為0.051mm的銅箔，然后整體覆一層63Sn/37Pb共晶焊料將錫柱包裹。

圖3  螺旋錫柱及截面示意圖

2.CCGA 封裝

CCGA器件的封裝結(jié)構(gòu)(如圖4)大體由三部分組成：底部是高鉛含量的焊柱陣列，中部為陶瓷基板，集成電路芯片則置于基板頂部，且多采用倒裝形式，這種形式縮短了信號(hào)通路，降低了寄生效應(yīng)，使信號(hào)速度和品質(zhì)得到提高。

CCGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為螺旋錫柱柱柵陣列封裝，每根錫柱由63Sn/37Pb共晶焊料焊接在基板上，焊錫列作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的互連從而減少在極端熱循環(huán)條件下的焊接疲勞。

圖5   螺旋錫柱陣列封裝

3焊接性能測(cè)試

圖6、7、8分別為錫球、普通錫柱、螺旋錫柱大溫度波動(dòng)測(cè)試結(jié)果(產(chǎn)生陶瓷柱柵陣列和PCB板間的剪切應(yīng)力)(熱膨脹系數(shù)失配度～10ppm/oC)?？梢钥闯觯a球?qū)μ沾苫搴蚉CB之間因CTE不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力適應(yīng)力較差，焊點(diǎn)出現(xiàn)了坍塌。CCGA因連接高度增加后，焊點(diǎn)上的應(yīng)力將通過(guò)焊柱的彎曲來(lái)進(jìn)行釋放，從而能更好地適應(yīng)陶瓷基板和PCB之間因CTE不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力。而螺旋錫柱較普通錫柱傾斜度更小，對(duì)此剪切應(yīng)力的吸收能力更強(qiáng)，具有更好的支撐能力。

圖6  CBGA

圖7  Pb90/Sn10CCGA

圖8  Pb80/Sn20CCGA

圖9為熱循環(huán)試驗(yàn)后普通錫柱及螺旋錫柱的失效模式圖(失效標(biāo)準(zhǔn)為菊花鏈循環(huán)式封裝的電阻超過(guò)300Ω)，兩種錫柱都可以達(dá)到或超過(guò)典型航空應(yīng)用中的熱循環(huán)要求，同等條件下普通錫柱失效時(shí)間較螺旋錫柱提前了1/3，Pb90/Sn10錫柱失效后錫柱整體呈S型(圖9a)，而螺旋錫柱仍保持原來(lái)形狀(圖9b)其支撐性能更好，體現(xiàn)了更加優(yōu)越焊接可靠性。

圖9  焊柱失效模式圖   (a)普通錫柱    (b)螺旋錫柱

4結(jié)語(yǔ)

CCGA可實(shí)現(xiàn)很多邏輯和微處理器功能，其封裝形式?jīng)Q定其耐高溫、耐高壓和高可靠性的特性，適用于更大尺寸和更多I/O的情況，螺旋錫柱更是其中的佼佼者，因其優(yōu)良的焊接可靠性在軍事、航空和航天電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域占有非常重要的地位，由于需要將格柵陣列封裝設(shè)計(jì)運(yùn)用于高可靠性需求的市場(chǎng)，螺旋錫柱柱柵封裝技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于商業(yè)及軍事用途。

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