航空航天封裝材料的新寵兒---微彈簧圈

 

背景

為了更好地掌握空間交會對接技術(shù)，開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和試驗，我國將于今年擇機(jī)發(fā)射神舟十一號飛船與天宮二號對接，進(jìn)行人在太空中期駐留試驗。在驚喜于國家航天航空技術(shù)快速發(fā)展的同時，我們不由得想起那么多失敗的嘗試，而這其中與電子元器件連接失效的案例不勝枚舉。如何在不損害電子元器件完整性的條件下，將現(xiàn)有航空航天設(shè)備發(fā)射到太空，這對現(xiàn)有封裝技術(shù)來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

電子設(shè)備在發(fā)射過程中經(jīng)歷著超重、失重、震動及剪切應(yīng)力等復(fù)雜的物理過程，容易出現(xiàn)連接失效問題。微彈簧圈（Micro-coil Spring，MCS）封裝技術(shù)因應(yīng)復(fù)雜、惡劣使用環(huán)境運而生，未來將在航天航空、軍事上發(fā)揮重要的作用。

微彈簧圈（MCS）

微彈簧圈封裝是在陶瓷柱陣列封裝（CCGA）基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新為適應(yīng)復(fù)雜使用環(huán)境而生的一種封裝技術(shù)。MCS由本體螺旋彈簧和釬料鍍層組成，其結(jié)構(gòu)3D示意圖如圖1。從圖1中可知，MCS的兩端分別存在一個相鄰的閉合線圈（2-3圈）。它的本體螺旋彈簧部分是由鈹銅合金制成，鈹銅合金是銅合金中性能最好的高級彈性材料，具有很高的強(qiáng)度、彈性、硬度、疲勞強(qiáng)度、高導(dǎo)電等優(yōu)良性能，其部分物理性能見表1。釬料鍍層部分目前使用較多的Sn60-Pb40（鍍層厚度2.5um）、Ni（鍍層厚度0.75-1.25um）/Au（鍍層厚度0.25um）等。

圖1 微彈簧圈3D結(jié)構(gòu)示意圖及設(shè)計尺寸

 

表1 鈹銅合金性質(zhì)

名稱	抗拉強(qiáng)度（Mpa）	密度（g/cm3）	彈性模量（Gpa）	硬度（HRC）	熱導(dǎo)率（W/m×k）20℃	電導(dǎo)率（IACS%）
鈹銅合金	1105	8.3	128	38-44	105	18

 

微彈簧圈的制備

圖2  MCS的生產(chǎn)工藝流程圖

圖2是鈹銅合金MCS的制備工藝流程圖。從圖2中可知，MCS制備的關(guān)鍵在鈹銅合金制備、螺旋彈簧制備及鍍釬料層三道工序。鈹銅合金制備目前已經(jīng)形成規(guī)范化，國內(nèi)鈹銅合金牌號有QBe2/QBe1.7等；螺旋彈簧制備是鈹銅合金MCS的核心工序，也是MCS較CCGA創(chuàng)新與性能體現(xiàn)，有關(guān)MCS與CCGA結(jié)構(gòu)與性能對比將在下文敘述，螺旋彈簧由于于其外徑及絲材直徑較小，生產(chǎn)工藝和尺寸及誤差準(zhǔn)確控制是難點；鍍釬料層工序是傳統(tǒng)工藝，較易實現(xiàn)，關(guān)鍵在于電鍍均勻性，以免存在應(yīng)力集中區(qū)。

微彈簧圈的封裝

 

圖3  MCS產(chǎn)品封裝實物圖

 

圖4  MCS裝配及其焊點有限元模型

   圖3是MCS產(chǎn)品封裝實物圖片，圖4是MCS封裝及其焊點有限元模型。結(jié)合圖3和圖4可知，MCS和銅核球一樣，由于封裝材料本身沒有足夠的釬料進(jìn)行封裝，因此需要在PCB板上焊盤位置預(yù)置錫膏，錫膏的選擇應(yīng)根據(jù)鍍層釬料、使用環(huán)境和母板材質(zhì)選擇。在圖4焊點有限元模擬中，MCS被分為兩部分：閉合線圈和活動線圈。閉合線圈一般是埋藏在錫膏中，主要起固定作用；活動線圈利用其高彈性及熱導(dǎo)率來維持連接出的機(jī)械完整性和熱穩(wěn)定性。

微彈簧圈有限元分析與物理測試

P. Lall等人對MCS承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力時的應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析模擬后指出，在這種條件下，MCS出現(xiàn)失效的部分在螺旋彈簧線圈上，圖5是MCS分別承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的有限元模擬圖。

圖5  MCS分別承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的有限元模擬圖

    Allison Copus在其NASA的實習(xí)報告中寫到，通過有限元模擬和物理實驗表明，在真空條件下MCS的散熱性能弱于傳統(tǒng)錫鉛合金釬料。圖6是Allison Copus 實習(xí)報告中給出的錫球和MCS物理測試結(jié)果。

 

圖6  Allison Copus 實習(xí)報告中給出的錫球和MCS物理測試結(jié)果  

左圖為錫球的物理測試結(jié)果；右圖為MCS的物理測試結(jié)果

注：圖中橫坐標(biāo)溫度值分別為取的是錫球和MCS與焊盤上熱電偶的溫度差值。

微彈簧圈焊點分析

 

   

圖7  MCS和CCGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖

 

圖7是MCS和CCGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中我們可以知道，MCS封裝結(jié)構(gòu)和CCGA封裝相似，這也使其具有了CCGA封裝的優(yōu)點，如優(yōu)良的電氣和熱性能，高的可靠性和I/O密度等。CCGA因其柱體設(shè)計能夠保持一定的封裝空間而在3D封裝領(lǐng)域占據(jù)一席之地，然而實心柱體的設(shè)計優(yōu)勢有時反而成為了劣勢，那就是在惡劣的使用環(huán)境（比如大的剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力、熱應(yīng)力）下會使其發(fā)生不可恢復(fù)變形，從而導(dǎo)致較早焊點失效。而MCS封裝設(shè)計的螺旋彈簧結(jié)構(gòu)不僅繼承CCGA的性能優(yōu)點，還能夠很好的通過一定的可恢復(fù)形變承受大的應(yīng)力作用，從而保證焊點連接的完整性和功能性，極大的延長元器件的使用壽命。

在封裝材料使用過程中，陶瓷基板與PCB板之間因熱膨脹系數(shù)不匹配而引起變形進(jìn)而導(dǎo)致焊點失效的現(xiàn)象時常發(fā)生。脫胎于CCGA的MCS可以利用自身優(yōu)良的彈性很好解決這問題，提高焊點的可靠性。圖8是MCS焊點在1500g跌落測試結(jié)果圖。

 

圖8  1500g跌落測試下的不變形、正、負(fù)撓曲結(jié)果圖

微彈簧圈失效形式

    MCS封裝的失效形式主要有兩種，如圖9所示。和CCGA的“S形”失效形式不同，前文我們提到MCS封裝最容易出現(xiàn)失效的位置在螺旋彈簧線圈上，如圖9中左圖，出現(xiàn)這種失效的主要原因可能是由于軸向應(yīng)力、壓應(yīng)力等過大，導(dǎo)致出現(xiàn)不可回復(fù)變形，最終出現(xiàn)斷裂；圖9中右圖是經(jīng)過多次熱循環(huán)后失效的組織金相圖，主要集中在氧化鋁陶瓷板端焊點處。

圖9  MCS封裝失效形式分析

展望

盡管MCS封裝也存在一些不足，但是其優(yōu)勢是顯而易見的。MCS封裝以其獨特的高的彈性和疲勞強(qiáng)度為復(fù)雜惡劣的使用條件下的電子封裝提供了解決方案，相信未來會在航空航天、軍事、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。

 

參考文獻(xiàn)

Pradeep Lall, Kewal Patel, Ryan Lowe et al. Modeling and Reliability Characterization of Area-Array Electronics Subjected to High-G Mechanical Shock Up to 50,000g,2012

Allison Copus. Thermal Performance of Micro-springs in Electronic Systems,2009

S.M. Strickland, J.D. Hester. Micro-coil Spring Interconnects for Ceramic Grid Array Integrated Circuits,2011