陶瓷柱陣列封裝新選擇---螺旋錫柱

引言

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(huán)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(fā)展。

圖 1. 不同陣列封裝對比

傳統(tǒng)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(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替代CBGA 的釬料球陣列，其主要優(yōu)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。

CCGA

目前運用最廣泛的兩種柱狀基陣為90Pb/10Sn錫柱（圖2.a）和螺旋銅帶增強型80Pb/20Sn錫柱（圖2.b，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(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

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。

圖 4. 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(huán)條件下的焊接疲勞。

圖 5. 螺旋錫柱陣列封裝

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～10 ppm/^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/Sn10 CCGA

圖 8. Pb80/Sn20 CCGA

圖9為熱循環(huán)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(huán)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(huán)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，普通Pb90/Sn10錫柱失效后錫柱整體呈S型（圖9.a），而螺旋錫柱仍保持原來形狀（圖9.b）其支撐性能更好，體現了更加優(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

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(yōu)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(yè)及軍事用途。