2016-10-06 摘自：中國半導體論壇

      軍用微電子組件的可用性一直在穩步下降。這迫使高可靠性要求的用戶利用商業現貨(COTS)組件以滿足他們的需求。而商用級元件不能總是滿足惡劣環境下應用的可靠性要求。為了滿足這種需求，COTS元件的強化技術便得到迅速發展。

圖1  不同陣列封裝對比

      傳統的陶瓷四方扁平封裝(CQFP)或陶瓷引腳網格陣列封裝(CPGA)不再適用于當今的高I/O計數FPGA器件。更高引腳數目的陶瓷柱柵陣列封裝 (CCGA)在可靠水平內能夠實現高性能要求FPGA器件的高密度封裝，從而能夠滿足航天衛星的要求。CCGA封裝是CBGA封裝的發展，它采用釬料圓柱陣列來替代CBGA的釬料球陣列，其主要優點有：更好的抗疲勞性能、更好的散熱性能，同時具備耐高溫、耐高壓和良好的抗潮濕性能等。

1.CCGA

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

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器件的封裝結構(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通路，降低了寄生效應，使信號速度和品質得到提高。

CCGA封裝結構示意圖

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，焊錫列作為一個標準的互連從而減少在極端熱循環條件下的焊接疲勞。

圖5   螺旋錫柱陣列封裝

3焊接性能測試

圖6、7、8分別為錫球、普通錫柱、螺旋錫柱大溫度波動測試結果(產生陶瓷柱柵陣列和PCB板間的剪切應力)(熱膨脹系數失配度～10ppm/oC)。可以看出，錫球對陶瓷基板和PCB之間因CTE不匹配而產生的應力適應力較差，焊點出現了坍塌。CCGA因連接高度增加后，焊點上的應力將通過焊柱的彎曲來進行釋放，從而能更好地適應陶瓷基板和PCB之間因CTE不匹配而產生的應力。而螺旋錫柱較普通錫柱傾斜度更小，對此剪切應力的吸收能力更強，具有更好的支撐能力。

圖6  CBGA

圖7  Pb90/Sn10CCGA

圖8  Pb80/Sn20CCGA

圖9為熱循環試驗后普通錫柱及螺旋錫柱的失效模式圖(失效標準為菊花鏈循環式封裝的電阻超過300Ω)，兩種錫柱都可以達到或超過典型航空應用中的熱循環要求，同等條件下普通錫柱失效時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形狀(圖9b)其支撐性能更好，體現了更加優越焊接可靠性。

圖9  焊柱失效模式圖   (a)普通錫柱    (b)螺旋錫柱

4結語

CCGA可實現很多邏輯和微處理器功能，其封裝形式決定其耐高溫、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，因其優良的焊接可靠性在軍事、航空和航天電子產品制造領域占有非常重要的地位，由于需要將格柵陣列封裝設計運用于高可靠性需求的市場，螺旋錫柱柱柵封裝技術有望廣泛應用于商業及軍事用途。

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