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(xiàn)貨（COTS）組件以滿足他們的需求。而商用級(jí)元件不能總是滿足惡劣環(huán)境下應(yīng)用的可靠性要求。為了滿足這種需求， COTS元件的強(qiáng)化技術(shù)便得到迅速發(fā)展。

圖 1. 不同陣列封裝對(duì)比

傳統(tǒng)的陶瓷四方扁平封裝（CQFP）或陶瓷引腳網(wǎng)格陣列封裝（CPGA）不再適用于當(dāng)今的高I/O計(jì)數(shù)FPGA器件。更高引腳數(shù)目的陶瓷柱柵陣列封裝（CCGA）在可靠水平內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)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(lái)替代CBGA 的釬料球陣列，其主要優(yōu)點(diǎn)有：更好的抗疲勞性能、更好的散熱性能，同時(shí)具備耐高溫、耐高壓和良好的抗潮濕性能等。

CCGA

目前運(yùn)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(qiáng)型80Pb/20Sn錫柱（圖2.b，以下簡(jiǎn)稱螺旋錫柱），二者均通過(guò)63Sn37Pb共晶焊料連接到陶瓷基板的I/O焊盤上，形成共晶焊點(diǎn)，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(jié)構(gòu)（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(hào)通路，降低了寄生效應(yīng)，使信號(hào)速度和品質(zhì)得到提高。

圖 4. CCGA封裝結(jié)構(gòu)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試

圖6、7、8分別為錫球、普通錫柱、螺旋錫柱大溫度波動(dòng)測(cè)試結(jié)果（產(chǎn)生陶瓷柱柵陣列和PCB板間的剪切應(yīng)力）（熱膨脹系數(shù)失配度～10 ppm/^oC）。可以看出，錫球?qū)μ沾苫搴?/font>PCB之間因CTE不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力適應(yīng)力較差，焊點(diǎn)出現(xiàn)了坍塌。CCGA因連接高度增加后，焊點(diǎn)上的應(yīng)力將通過(guò)焊柱的彎曲來(lái)進(jìn)行釋放，從而能更好地適應(yīng)陶瓷基板和PCB之間因CTE不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力。而螺旋錫柱較普通錫柱傾斜度更小，對(duì)此剪切應(yīng)力的吸收能力更強(qiáng)，具有更好的支撐能力。