摘 要： 采用不同的固封方式，驗(yàn)證了航天用CQFP封裝器件在嚴(yán)苛力學(xué)條件下的抗振效果，并通過熱循環(huán)試驗(yàn)表明了不同膠黏劑由于熱膨脹系數(shù)的差異對(duì)焊點(diǎn)產(chǎn)生的影響。力學(xué)試驗(yàn)表明，使用灌封S113膠+四角點(diǎn)封環(huán)氧6101和底填、四角點(diǎn)封均使用環(huán)氧55/9+引腳刷涂S113膠固封方式，兩者均能滿足力學(xué)加固的要求，力學(xué)試驗(yàn)后器件和焊點(diǎn)均無(wú)損傷。但是溫度循環(huán)試驗(yàn)表明，前者因熱失配更大，對(duì)CQFP器件的焊點(diǎn)造成了較大的損傷，而后者對(duì)焊點(diǎn)未造成明顯損傷。因此，針對(duì)CQFP器件的加固，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品不同的使用工況進(jìn)行區(qū)別對(duì)待。
關(guān)鍵詞： CQFP封裝器件；環(huán)氧膠；力學(xué)；熱循環(huán)；顯微組織
CQFP器件具有高密度、高可靠性以及優(yōu)良的電性能等諸多優(yōu)點(diǎn)在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛應(yīng)用，其常用的引腳數(shù)有256、240、228、208和172等，引腳間距一般為0.500 mm或0.635 mm，質(zhì)量一般在8～20 g，器件實(shí)物如圖1所示。CQFP器件的焊點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中起著電氣連接和機(jī)械連接的雙重作用，一旦焊點(diǎn)失效，器件功能將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
影響CQFP器件焊點(diǎn)可靠性的因素除了焊點(diǎn)本身的質(zhì)量外，還與器件的加固方式及器件所能承受的最大力學(xué)特性有密切關(guān)系。調(diào)研國(guó)內(nèi)對(duì)CQFP器件的加固方式也各有不同，主要包括以下幾種[1-5]：1）在器件底部填充D04或GD414硅橡膠；2）在器件四角點(diǎn)封GD414硅橡膠；3）在器件四角點(diǎn)封E-44環(huán)氧膠；4）整體灌封QD231嵌段硅橡膠；5）四角點(diǎn)封GD414，灌封QD231嵌段硅橡膠；6）四角點(diǎn)封D04，灌封QD231嵌段硅橡膠；7）四角點(diǎn)封環(huán)氧6101，灌封聚氨酯S113膠等。以上加固方式均能滿足一定條件下的產(chǎn)品使用性能，但隨著航天電子產(chǎn)品對(duì)可靠性要求的不斷提升，特別是深空探測(cè)器所經(jīng)歷的大量級(jí)振動(dòng)和嚴(yán)酷的溫度變化環(huán)境，以及高集成度的CQFP封裝的SIP模塊（質(zhì)量超過20 g）在航天電子產(chǎn)品中的應(yīng)用逐漸增多，CQFP封裝器件如果加固不當(dāng)，極易出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂的問題。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有CQFP封裝器件的加固效果做進(jìn)一步的驗(yàn)證和改進(jìn)，以滿足復(fù)雜嚴(yán)苛空間環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品的需求。
1 試驗(yàn)材料及過程
為了對(duì)比不同膠黏劑的加固效果，本文以CQFP228器件為研究對(duì)象，使用環(huán)氧6101、環(huán)氧55/9和聚氨酯S113作為加固材料，其中環(huán)氧55/9中添加了適量滑石粉，焊料使用Sn63Pb37焊錫絲，印制板2塊，每塊焊接4個(gè)芯片。具體試驗(yàn)方案見表1。
試驗(yàn)的操作流程如圖2所示。
1.1 芯片焊接
使用專用成形設(shè)備對(duì)芯片引腳進(jìn)行成形處理，成形后保證器件引腳共面性不大于0.1 mm[6]，并在不低于30倍的放大鏡下檢查芯片本體及引線外觀應(yīng)無(wú)損傷。為了防止焊接后焊點(diǎn)產(chǎn)生“金脆”現(xiàn)象，需去除芯片引腳的鍍金層。使用專用去金錫鍋去除引腳鍍金層，并在搪錫錫鍋內(nèi)對(duì)芯片引腳進(jìn)行二次搪錫處理。操作過程中注意避免器件引腳變形影響共面性。檢查CQFP器件焊盤，應(yīng)無(wú)阻焊覆蓋，使用智能電烙鐵對(duì)印制板上需要焊接的CQFP器件焊盤進(jìn)行搪錫，搪錫后再使用吸錫繩將焊錫吸除干凈，目視檢查處理后的焊盤應(yīng)光滑、明亮和平整。
對(duì)于方案二中的芯片，定位前需要先在芯片底部中心區(qū)域填充環(huán)氧55/9膠黏劑，填充大小為內(nèi)切圓直徑為D10～12 mm的正方形。填充后實(shí)物如圖3所示。
為保證焊接后器件引腳底部有一定高度的焊料填充，定位時(shí)對(duì)器件本體進(jìn)行抬高處理。確保引腳和焊盤之間有0.08～0.10 mm的間隙。器件本體抬高后，在10倍放大鏡下對(duì)器件引腿進(jìn)行對(duì)位，使器件引腿和焊盤位置充分重合。然后對(duì)器件進(jìn)行四角定位，定位后使用30倍放大鏡檢查器件引腳和焊盤的對(duì)中情況。待芯片準(zhǔn)確定位后，使用SP200智能電烙鐵對(duì)器件進(jìn)行焊接，完成焊接待焊點(diǎn)充分冷卻后，使用異丙醇溶液對(duì)器件進(jìn)行刷洗，用軟毛刷順器件引線方向從腳跟向腳尖移動(dòng)進(jìn)行刷洗。檢查焊點(diǎn)應(yīng)光滑明亮、潤(rùn)濕良好和無(wú)漏焊，器件外觀和引腳無(wú)損傷。
1.2 芯片固封
按照表1中的方案分別對(duì)A板和B板進(jìn)行固封。A板使用環(huán)氧6101對(duì)器件四角進(jìn)行點(diǎn)封，室溫固化24 h后，對(duì)器件底部灌封聚氨酯S113膠，并對(duì)器件抽真空以排除氣泡，室溫固化48 h。
B板使用環(huán)氧55/9對(duì)器件四角進(jìn)行點(diǎn)封，晾置2 h后，在50 ℃烘箱內(nèi)烘烤4 h（或室溫固化24 h），使環(huán)氧膠黏劑完全固化。然后對(duì)器件引腳刷涂少量聚氨酯S113膠，并在50 ℃烘箱內(nèi)烘烤6～8 h完成固化。
固封后產(chǎn)品實(shí)物如圖4所示。
2 力學(xué)試驗(yàn)及分析
2.1 力學(xué)試驗(yàn)條件
將固封后的印制板裝入專用振動(dòng)工裝內(nèi)。選擇目前航天器型號(hào)中相對(duì)嚴(yán)苛的力學(xué)條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。
2.2 力學(xué)試驗(yàn)后焊點(diǎn)金相分析
力學(xué)試驗(yàn)后使用放大倍數(shù)不低于30倍的三維光學(xué)顯微鏡檢查A、B板焊點(diǎn)外觀，均未發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)有明顯損傷現(xiàn)象。然后對(duì)編號(hào)為A1、A2、B1、B2的芯片進(jìn)行剖切，每個(gè)芯片選取4個(gè)焊點(diǎn)，使用掃描電子顯微鏡觀察焊點(diǎn)內(nèi)部是否有裂紋產(chǎn)生，焊點(diǎn)顯微組織照片如圖5所示(部分)。通過金相分析結(jié)果可以看出，對(duì)于兩種固封方案，力學(xué)振動(dòng)后，焊點(diǎn)均無(wú)裂紋，兩種固封方案對(duì)CQFP器件的加固均有明顯效果。焊點(diǎn)內(nèi)部無(wú)氣孔，焊料和引腳之間以及焊料和焊盤之間形成了均勻連續(xù)的金屬間化合物層。
方案一中聚氨酯S113膠雖然是一種涂覆性材料，但經(jīng)過灌封后S113膠對(duì)CQFP器件形成了一種包裹的作用，芯片底部的S113膠同時(shí)又起到了支撐器件的作用，芯片四角的環(huán)氧6101由于粘接強(qiáng)度較大，對(duì)芯片也起到了一定的支撐作用，在S113和環(huán)氧6101的共同作用下，有效降低了振動(dòng)過程中焊點(diǎn)所受的應(yīng)力，對(duì)焊點(diǎn)起到了保護(hù)作用。同理，環(huán)氧55/9作為底部填充材料和四角點(diǎn)封材料，其粘接強(qiáng)度大于S113膠和環(huán)氧6101，對(duì)芯片也起到了粘接和支撐的作用，可以有效地保護(hù)焊點(diǎn)在振動(dòng)過程中不受損傷。
3 熱循環(huán)試驗(yàn)及分析
3.1 熱循環(huán)試驗(yàn)條件
參照ECSS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)試驗(yàn)后對(duì)剩余的A3、A4、B3、B4器件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，溫度循環(huán)條件設(shè)定溫度從-55～100 ℃，200次取出檢驗(yàn)，最大升降溫速率為10 ℃/min，誤差±5 ℃。在每個(gè)溫度極限下樣品的保溫時(shí)間為15 min。
3.2 熱循環(huán)試驗(yàn)后焊點(diǎn)金相分析
熱循環(huán)后取出芯片，并使用放大倍數(shù)不低于30倍的三維光學(xué)顯微鏡檢查焊點(diǎn)外觀，均未發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)有明顯損傷現(xiàn)象。然后對(duì)芯片進(jìn)行剖切，每個(gè)芯片選取4個(gè)焊點(diǎn)，使用掃描電子顯微鏡觀察焊點(diǎn)內(nèi)部是否有裂紋產(chǎn)生，焊點(diǎn)顯微組織照片如圖6所示（部分）。
經(jīng)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，采用方案一時(shí)，器件在經(jīng)歷熱循環(huán)試驗(yàn)后，金相剖切的8個(gè)焊點(diǎn)中，5個(gè)焊點(diǎn)的內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度超過了25%，不滿足ECSS標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用方案二時(shí)，8個(gè)焊點(diǎn)的內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。
方案一和方案二的最大區(qū)別在于固封的方式不同，通過力學(xué)試驗(yàn)后的焊點(diǎn)金相分析，兩種固封方式均能經(jīng)受規(guī)定的力學(xué)試驗(yàn)考核，但溫度循環(huán)試驗(yàn)后方案一的樣品不合格焊點(diǎn)比例占到了62.5%，方案二的樣品焊點(diǎn)全部合格，這說明焊點(diǎn)開裂是發(fā)生在溫度循環(huán)過程中，且不同的固封方式導(dǎo)致了試驗(yàn)結(jié)果的巨大差異。在熱循環(huán)過程中，由于材料熱膨脹系數(shù)的不同（見表3），固封膠、金屬引腳及焊料之間會(huì)產(chǎn)生熱失配，無(wú)論是灌封的S113膠還是四角點(diǎn)封的環(huán)氧6101，和環(huán)氧55-9加填料相比，熱膨脹系數(shù)更大，在溫度交變過程中，S113膠和環(huán)氧6101產(chǎn)生的變形也更大，會(huì)對(duì)焊點(diǎn)施加較大的交變應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展。
4 結(jié)論
針對(duì)航天用CQFP器件分別使用“灌封S113膠+四角點(diǎn)封環(huán)氧6101”和“底填、四角點(diǎn)封均使用環(huán)氧55/9+引腳刷涂S113膠”兩種固封方式進(jìn)行了力學(xué)加固。力學(xué)試驗(yàn)表明，兩者均能滿足力學(xué)加固的要求，力學(xué)試驗(yàn)后器件和焊點(diǎn)均無(wú)損傷。溫度循環(huán)試驗(yàn)表明，“灌封S113膠+四角點(diǎn)封環(huán)氧6101”的固封方式因熱失配更大，對(duì)CQFP器件的焊點(diǎn)造成了更大的損傷，而采用“底填、四角點(diǎn)封均使用環(huán)氧55/9、引腳刷涂S113膠”的固封方式，溫度循環(huán)試驗(yàn)后，焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)有明顯損傷。因此，在實(shí)際產(chǎn)品的應(yīng)用中，可根據(jù)不同的工況選擇不同的加固方式，建議如下：1）對(duì)于短期工作和溫度交變不大的，可采用“灌封S113膠+四角點(diǎn)封環(huán)氧6101”的固封方式，以確保器件的抗力學(xué)效果。2）對(duì)于長(zhǎng)期工作和溫度交變比較大的，可采用“底填和四角點(diǎn)封均使用環(huán)氧55/9，引腳刷涂S113膠”的固封方式，以降低S113膠因熱失配大帶來的負(fù)面影響。