摘 要： 采用不同的固封方式，驗證了航天用CQFP封裝器件在嚴苛力學(xué)條件下的抗振效果，并通過熱循環(huán)試驗表明了不同膠黏劑由于熱膨脹系數(shù)的差異對焊點產(chǎn)生的影響。力學(xué)試驗表明，使用灌封S113膠+四角點封環(huán)氧6101和底填、四角點封均使用環(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)試驗后器件和焊點均無損傷。但是溫度循環(huán)試驗表明，前者因熱失配更大，對CQFP器件的焊點造成了較大的損傷，而后者對焊點未造成明顯損傷。因此，針對CQFP器件的加固，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品不同的使用工況進行區(qū)別對待。
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，器件實物如圖1所示。CQFP器件的焊點在實際應(yīng)用中起著電氣連接和機械連接的雙重作用，一旦焊點失效，器件功能將無法實現(xiàn)。
影響CQFP器件焊點可靠性的因素除了焊點本身的質(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)研國內(nèi)對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）在器件四角點封GD414硅橡膠；3）在器件四角點封E-44環(huán)氧膠；4）整體灌封QD231嵌段硅橡膠；5）四角點封GD414，灌封QD231嵌段硅橡膠；6）四角點封D04，灌封QD231嵌段硅橡膠；7）四角點封環(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)品對可靠性要求的不斷提升，特別是深空探測器所經(jīng)歷的大量級振動和嚴酷的溫度變化環(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)焊點開裂的問題。因此，有必要對現(xiàn)有CQFP封裝器件的加固效果做進一步的驗證和改進，以滿足復(fù)雜嚴苛空間環(huán)境對電子產(chǎn)品的需求。
1 試驗材料及過程
為了對比不同膠黏劑的加固效果，本文以CQFP228器件為研究對象，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個芯片。具體試驗方案見表1。
試驗的操作流程如圖2所示。
1.1 芯片焊接
使用專用成形設(shè)備對芯片引腳進行成形處理，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)無損傷。為了防止焊接后焊點產(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)對芯片引腳進行二次搪錫處理。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)無阻焊覆蓋，使用智能電烙鐵對印制板上需要焊接的CQFP器件焊盤進行搪錫，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，定位時對器件本體進行抬高處理。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倍放大鏡下對器件引腿進行對位，使器件引腿和焊盤位置充分重合。然后對器件進行四角定位，定位后使用30倍放大鏡檢查器件引腳和焊盤的對中情況。待芯片準確定位后，使用SP200智能電烙鐵對器件進行焊接，完成焊接待焊點充分冷卻后，使用異丙醇溶液對器件進行刷洗，用軟毛刷順器件引線方向從腳跟向腳尖移動進行刷洗。檢查焊點應(yīng)光滑明亮、潤濕良好和無漏焊，器件外觀和引腳無損傷。
1.2 芯片固封
按照表1中的方案分別對A板和B板進行固封。A板使用環(huán)氧6101對器件四角進行點封，室溫固化24 h后，對器件底部灌封聚氨酯S113膠，并對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對器件四角進行點封，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)品實物如圖4所示。
2 力學(xué)試驗及分析
2.1 力學(xué)試驗條件
將固封后的印制板裝入專用振動工裝內(nèi)。選擇目前航天器型號中相對嚴苛的力學(xué)條件進行試驗，試驗條件見表2。
2.2 力學(xué)試驗后焊點金相分析
力學(xué)試驗后使用放大倍數(shù)不低于30倍的三維光學(xué)顯微鏡檢查A、B板焊點外觀，均未發(fā)現(xiàn)焊點有明顯損傷現(xiàn)象。然后對編號為A1、A2、B1、B2的芯片進行剖切，每個芯片選取4個焊點，使用掃描電子顯微鏡觀察焊點內(nèi)部是否有裂紋產(chǎn)生，焊點顯微組織照片如圖5所示(部分)。通過金相分析結(jié)果可以看出，對于兩種固封方案，力學(xué)振動后，焊點均無裂紋，兩種固封方案對CQFP器件的加固均有明顯效果。焊點內(nèi)部無氣孔，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CQFP器件形成了一種包裹的作用，芯片底部的S113膠同時又起到了支撐器件的作用，芯片四角的環(huán)氧6101由于粘接強度較大，對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，有效降低了振動過程中焊點所受的應(yīng)力，對焊點起到了保護作用。同理，環(huán)氧55/9作為底部填充材料和四角點封材料，其粘接強度大于S113膠和環(huán)氧6101，對芯片也起到了粘接和支撐的作用，可以有效地保護焊點在振動過程中不受損傷。
3 熱循環(huán)試驗及分析
3.1 熱循環(huán)試驗條件
參照ECSS相關(guān)標準，力學(xué)試驗后對剩余的A3、A4、B3、B4器件進行溫度循環(huán)試驗，溫度循環(huán)條件設(shè)定溫度從-55～100 ℃，200次取出檢驗，最大升降溫速率為10 ℃/min，誤差±5 ℃。在每個溫度極限下樣品的保溫時間為15 min。
3.2 熱循環(huán)試驗后焊點金相分析
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)顯微鏡檢查焊點外觀，均未發(fā)現(xiàn)焊點有明顯損傷現(xiàn)象。然后對芯片進行剖切，每個芯片選取4個焊點，使用掃描電子顯微鏡觀察焊點內(nèi)部是否有裂紋產(chǎn)生，焊點顯微組織照片如圖6所示（部分）。
經(jīng)測量裂紋長度，采用方案一時，器件在經(jīng)歷熱循環(huán)試驗后，金相剖切的8個焊點中，5個焊點的內(nèi)部裂紋長度超過了25%，不滿足ECSS標準的要求。采用方案二時，8個焊點的內(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)試驗后的焊點金相分析，兩種固封方式均能經(jīng)受規(guī)定的力學(xué)試驗考核，但溫度循環(huán)試驗后方案一的樣品不合格焊點比例占到了62.5%，方案二的樣品焊點全部合格，這說明焊點開裂是發(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產(chǎn)生熱失配，無論是灌封的S113膠還是四角點封的環(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，會對焊點施加較大的交變應(yīng)力，可能會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并擴展。
4 結(jié)論
針對航天用CQFP器件分別使用“灌封S113膠+四角點封環(huán)氧6101”和“底填、四角點封均使用環(huán)氧55/9+引腳刷涂S113膠”兩種固封方式進行了力學(xué)加固。力學(xué)試驗表明，兩者均能滿足力學(xué)加固的要求，力學(xué)試驗后器件和焊點均無損傷。溫度循環(huán)試驗表明，“灌封S113膠+四角點封環(huán)氧6101”的固封方式因熱失配更大，對CQFP器件的焊點造成了更大的損傷，而采用“底填、四角點封均使用環(huán)氧55/9、引腳刷涂S113膠”的固封方式，溫度循環(huán)試驗后，焊點未發(fā)現(xiàn)有明顯損傷。因此，在實際產(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）對于短期工作和溫度交變不大的，可采用“灌封S113膠+四角點封環(huán)氧6101”的固封方式，以確保器件的抗力學(xué)效果。2）對于長期工作和溫度交變比較大的，可采用“底填和四角點封均使用環(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面影響。