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究工作，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0.5μm-3.0μm之间，均匀处约在1μm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
Research and development of high reliability assembly technology for aerospace products CCGA packaged devices
Wang Yu-long Wang Wei Shi Bao-song Zhang Yan-peng Zhang Wei
(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of sciences, Changchun 130033, China)
Abstract：Ceramic column gate array packaging device (CCGA) is widely used in high reliability products due to its many technical advantages. In this paper，XQR2V3000-CG717 (lead column is Pb80/Sn20) is taken as an example to carry out the research work of high reliable assembly process. The assembly process and environmental stress test process are discussed in detail and the reliability analysis is carried out. The alloy layer formed between the solder and the welding disc is uniform and continuous， the thickness is between 0.5 micron and 3.0 micron， and the uniform place is about 1 micron. From the appearance， the basic scallop morphology of Cu6Sn5， no obvious Cu3Sn formation，indicating that the welding process (temperature，time) is relatively appropriate，the welding process of CCGA device is good and stable.
Key words：column gate array；CCGA；IMC；welding；process
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。
图1 CCGA封装示意图
图2 CCGA引脚端面氧化 图3 歪斜焊柱与PCB焊盘对位偏差
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0.15 mm，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。
2 CCGA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］。
图4 CBGA焊接 前后对比
而CCGA封装采用焊柱代替焊料球作为互联基材，是当器件面积大于32 mm2时的CBGA的替代品，如图5所示，顶部为陶瓷基板封装组合体，内置功能芯片（多为倒装形式），其顶部封装有热沉导热盖板；封装体底部为高铅焊柱阵列，焊接过程焊柱不熔化。
图5 CCGA器件封装结构及组装示意图
这种封装体结构，缓解了封装体陶瓷基板（6.5 ppm～7 ppm）与PCB（17 ppm～21 ppm）之间的热匹配问题，图6是TOPLINE公司针对BGA封装与CCGA封装进行了热匹配试验示意图，从图中可以看出，相比之下，高铅焊柱能够在一定程度上吸收热试验过程中产生的残余应力，确保端接处焊点的可靠性。
图6 BGA封装与CCGA封装热匹配试验示意图
常见的CCGA焊柱阵列有90Pb10Sn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90Pb10Sn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。
图7 90Pb10Sn和80Pb20Sn焊料柱结构图
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。
图8 CCGA微弹簧焊柱阵列封装
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#样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。
图9 XQR2V3000-CG717M器件结构尺寸图
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℃～+100℃，高低温各停留10min，温变速率不小于10℃/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。
表1 随机振动试验条件
表2 机械冲击试验条件
3.3 PCB设计
根据所选CCGA器件（CG717）所用高铅柱的尺寸和间距，PCB焊盘直径设计为0.8 mm，板厚为2 mm，阻焊开窗0.9 mm，共计10层，PCB外围尺寸为240 mm×160 mm；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。
图10菊花链路设计实物图
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］。
使用专用工装对CCGA铅柱进行整形处理，图11整形工装示意图，整形分两步进行，第一步是粗校，第二步是精校。整形的基本原理是使高铅柱沿锥形导引孔运动至直径与高铅柱直径相近的孔内完成校形。粗校可使歪斜较为严重的高铅柱恢复到一定范围内，精校过程可在粗校的基础上进一步保证高铅柱的倾斜处在标准规定的范围之内。
图11 高铅柱校形工装示意图
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。使用精校工装保证高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。
图12 焊柱端面打磨前后图示
3.4.2 CCGA器件回流焊接
焊接前PCB进行烘干处理，烘干温度120℃±5℃，烘干时间8h；焊膏选用NC-SMQ921锡铅共晶焊膏，回温时间不少于8h，搅拌时间180s±1s；锡膏涂布厚度为0.18mm。因CCGA的热容量较大，回流曲线应结合焊膏供应商推荐的曲线（见图13）以及项目的自身特点进行曲线参数的设定。
图13 铟泰NC-SMQ92J型焊膏特性曲线
回流曲线采用RSS方式，主要目的是为了让PCB表面所有大面积地覆铜与小面积铜箔的焊盘以及CCGA器件在进入回流区域前保持相同的温度，以获得回流时的最佳焊接效果。在进行回流前，先完成PCB组件的测温，测温过程中热电偶分布如图14所示。热电偶3用于监测PCB表面的温度，热电偶2用于测试CCGA芯片上表面的温度，热电偶1安放在芯片底部中央，可较为真实的反映元器件底部中央的温度分布。实际测温和回流过程中均使用氮气进行保护，在综合考虑温度设置和链速的前提下，最终测温结果见图15。预热阶段结束温度必须低于焊料熔点温度（183℃），在110℃左右，预热区一般占整个加热通道长度的25-33%，升温速率在0.5~2.5℃/s；活化区一般占加热通道的33-50%，普遍的活性温度范围是120-150℃，升温速率在0.5~0.6℃/s；回流区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度，有铅焊接典型的峰值温度范围是205-230℃，时间约为30-90s。在回流区内，液态钎料内部的原子与元器件引脚和PCB焊盘之间进行反应并生成适当厚度的IMC层，保证结合强度及电气连接。
图14 测温过程中热电偶分布示意图
图15 基板测温结果
3.4 试验结果及分析
3.4.1 可视焊点常规检验
使用带有斜视功能的检测系统对完成焊接的CCGA周边外围焊柱焊接情况进行检查，图16是Pb80/Sn20高铅柱焊接后的光学检查照片，从图中可以看出，焊锡对铜带缠绕的Pb80/Sn20高铅柱沿圆周方向100%环绕，满足检测标准要求，且焊锡在高铅柱表面润湿良好、焊料适中；可视范围内未发现高铅柱弯曲，全部高铅柱未发生倾斜且全部位于焊盘中央，这得益于贴装前的校形处理；焊锡在高铅柱表面爬锡良好。
图16 CCGA焊接后焊点光学系统检查图片
3.4.2 隐藏焊点X-RAY检查
图17所示为试验样品的X-RAY图片，由俯视图可知，回流焊接后的正式样片的各焊点之间无桥连、锡球等缺陷。倾斜一定角度后进行透射观察，焊锡在高铅柱周围均形成良好润湿，样片的印制电路板一侧焊点可观察少量空洞的存在，但空洞总面积均小于焊点阴影面积的25%，即气泡率满足标准要求。
图17 CCGA焊柱X-RAY下成像图片
3.4.3 金相切片及SEM
对环境应力试验后的CCGA器件按照图18所示进行金相切片，单个CCGA器件形成三个剖切面，每个切片随机选取左、中、右三点进行金相分析和SEM检测。
图18 CCGA剖切示意图
在CCGA器件左、中、右位置随机选取铅柱进行分析，图19、图20分别是1#样品温度循环后金相和SEM照片；图21、图22分别是2#样品温度循环&随机振动后金相和SEM照片；图23、图24分别是3#样品温度循环&随机振动&机械冲击金相和SEM照片。
可以看出，CCGA焊接后，焊锡与印制板焊盘和高铅柱形成了良好的结合，焊锡内部颜色较深的区域是锡铅共晶组织，颜色较深且呈棒状分布的是由相偏析造成的富铅相，局部还可以观察到由于经历形核和长大过程中元素含量交替变化而形成的层片结构。在熔融的共晶焊料内，铅柱内的Pb会在浓度梯度作用下向焊料内扩散，相反焊料内的Sn也会在相同的作用下向高铅柱方向扩散，因此在高铅柱与焊料之间形成介于两者之间的过渡层。与Pb90/Sn10高铅柱相比，铜带缠绕的Pb80/Sn20高铅柱的微观组织是由含铅量较高的先共晶α（颜色较深）相和共晶组织（α+β）（颜色较浅）两种相均匀的构成。有研究报道称微观组织分布均匀一致的焊点可以具有相对较长的疲劳寿命，具有更高的可靠性。由于铜带表面已进行镀锡铅处理，因此在回流过程中，会减少焊料内Sn的消耗量，并且铜带将高铅柱和焊料进行部分物理隔离，从而在铜带附近的钎料内生成的富铅相较少。
SEM图片中，焊料与铜焊盘之间均形成连续且呈扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物层，未见明显的Cu3Sn存在。IMC层均匀处的厚度介于0.93 μm～1.90 μm之间，较厚处最大值为2.87 μm。较薄处介于0.54 μm～1.27 μm之间。有资料研究表明：焊点的机械强度与金属间结合层厚度有关，当IMC层在0.5 μm～4 μm之间时是可以接受的。若IMC层大于4μm，则由于金属间化合物太厚导致连接处失去弹性，表现为一定的脆性；若IMC层小于0.5μm，则金属间化合物太薄而导致没有一定的机械强度，从本项目IMC测试结果看，金属间化合物的厚度均在0.5微米～4μm之间。从温度循环、随机振动、机械冲击过程中，IMC层厚度均无明显变化，见表3。
需要指出的是，若要获得理想的界面组织，涉及到的条件很多，这其中包括：焊料成分与母材的互溶度；焊接温度和时间；液态焊料与母材表面的清洁度；焊端的氧化与污染情况；表面活性物质（助焊剂）的影响以及环境气氛等因素［5］。在上述条件中，当其他条件都一定的情况下，影响金属间化合物厚度以及金属间化合物成分和比例的主要因素是焊接温度和时间，温度过高、时间过长化合物层增厚，因此正确设置焊接温度曲线就显得尤为重要。
表3 IMC层厚度测量统计
截面1 截面2 截面3
图19 1#样品温循后金相图片
图20 1#样品温循后SEM图片
图21 2#样品温度循环&随机振动后金相图片
图22 2#样品温度循环&随机振动后SEM图片
图23 3#样品温度循环&随机振动&机械冲击后金相图片
图24 3#样品温度循环&随机振动&机械冲击后SEM图片
在试验过程中，也发现了部分焊点存在局部轻微裂纹存在，如图24所示。这些轻微裂纹均出现在铜缠带与焊料的结合处（焊料与焊盘之间未发现裂纹），裂纹没有向内部萌生的迹象，初步分析认为：Pb80/Sn20铅柱外面的铜缠带局部可焊性不好（可能是来料时，铜缠带端面位置已氧化），虽然在焊接前采取了一定的工艺手段进行了高铅柱端面的去氧化处理，但对于侧向的铜缠带的氧化层的去除具有一定的工艺局限性，目前行业上比较常用的办法是使用微细金属毛刷进行氧化层去除，但这种微细毛刷对氧化层的去除能力以及是否对铅柱质量造成影响，仍需开展一定的工艺试验验证。需要指出的是，这种局部轻微裂纹发生在铜缠带与焊料的结合处，并非参与焊接的主体（高铅柱与PCB焊盘），因此对焊接质量影响不大。
图25 局部轻微裂纹
4 结束语
CCGA封装器件在高可靠产品中大量选用，其特殊的封装结构形成带来了在组装过程中需要关注的工艺要点较多（例如焊柱断面氧化、共面度、引脚歪斜、曲线设计等），若这些工艺性问题处理不当则可能影响产品最终的可靠性。本文针对上述需求开展了CCGA封装器件高可靠性组装工艺研究工作，从全流程角度详细论述了CCGA器件的组装过程和工艺方法，同时与工业和信息化部第五研究所可靠性研究分析中心合作开展了焊接后器件的环境应力试验与分析工作。
从工艺研究试验结果分析看，CCGA器件（Pb80/Sn20）焊接后，焊料与PCB焊盘及焊柱间润湿良好，未见明显润湿角偏大的现象，焊料与焊盘间形成的合金层均匀连续，厚度在0.5 μm-3.0 μm之间，均匀处约在1μm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；焊柱与器件焊盘成形的合金层连续，少量焊点合金层厚度较厚，但大部分焊点的均匀处厚度在1 μm-3.0 μm左右，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。
引用文献：
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［5］顾霭云．学习、运用焊接理论，提高无铅再流焊质量［C］．2006上海国际SMT技术高级研讨会.2006:11-31
（来源：表面贴装与微组装工艺技术 公众号）