摘 要： 采用不同的固封方式,，驗證了航天用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(jìn)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(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(jìn)一步的驗證和改進(jìn),，以滿足復(fù)雜嚴(yán)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(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(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(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(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倍放大鏡下對器件引腿進(jìn)行對位，使器件引腿和焊盤位置充分重合,。然后對器件進(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中情況,。待芯片準(zhǔn)確定位后，使用SP200智能電烙鐵對器件進(jìn)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(jìn)行刷洗，用軟毛刷順器件引線方向從腳跟向腳尖移動進(jìn)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(jìn)行固封,。A板使用環(huán)氧6101對器件四角進(jìn)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(jìn)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(yán)苛的力學(xué)條件進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn),，力學(xué)試驗后對剩余的A3、A4,、B3,、B4器件進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fù)面影響。