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【兆恒機(jī)械】航天用CQFP封裝器件力學(xué)加固工藝技術(shù)研究

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  • 添加日期:2021年03月17日

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(guò)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)。

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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(guò)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(kāi)裂的問(wèn)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(guò)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(jiàn)表1。


試驗(yàn)的操作流程如圖2所示。

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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(guò)程中注意避免器件引腳變形影響共面性。檢查CQFP器件焊盤(pán),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(pán)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(pán)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。

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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(pán)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(pán)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(pán)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。

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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(jiàn)表2。

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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(guò)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(pán)之間形成了均勻連續(xù)的金屬間化合物層。

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方案一中聚氨酯S113膠雖然是一種涂覆性材料,但經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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)。

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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(guò)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(guò)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(shuō)明焊點(diǎn)開(kāi)裂是發(fā)生在溫度循環(huán)過(guò)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(guò)程中,由于材料熱膨脹系數(shù)的不同(見(jiàn)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(guò)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。

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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(lái)的負(fù)面影響。