柱柵陣列試驗(yàn)方法研究

盧思佳，王斌，江凱

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

在電子制造業(yè)中，面陣封裝是目前制造電子元器件時(shí)所采用的主流封裝形式，它包括球柵陣列（BGA：Ball Grid Array）封裝和柱柵陣列 （CGA：Column Grid Array）封裝。CGA封裝是在BGA封裝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，作為一種高密度面陣排布的表面貼裝封裝形式，近年來(lái)被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的高可靠電子產(chǎn)品的封裝中。

陶瓷柱柵陣列 （CCGA：Ceramic Column Grid Array）是CGA封裝的一種封裝形式，也是目前CGA器件唯一的封裝形式，它與陶瓷球柵陣列（CBGA：Ceramic Ball Grid Array）工藝的區(qū)別在于器件的球柵焊點(diǎn)變?yōu)橹鶘藕更c(diǎn)。與BGA封裝相比，CGA器件由于封裝焊柱在Z軸方向上的增高，因而散熱性更好，在熱失配釬料互連中引起的剪切應(yīng)變也更小，具有更高的可靠性，CBGA與CCGA封裝對(duì)比情況如圖1所示。

圖1 CBGA與CCGA封裝對(duì)比典型圖

現(xiàn)階段CGA封裝的檢測(cè)主要是采用GJB 7677中給出的BGA的檢測(cè)方法進(jìn)行，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)CGA焊柱封裝制定專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法。本文將從焊柱結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）、焊柱拉脫強(qiáng)度和焊柱剪切強(qiáng)度3個(gè)方面進(jìn)行CGA試驗(yàn)方法的研究，以期能夠填補(bǔ)CGA封裝檢測(cè)技術(shù)的空白。

1 試驗(yàn)方案

本論文選取1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路（焊柱直徑為0.51 mm）、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路 （焊柱直徑為0.56 mm）和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路 （焊柱直徑為0.51 mm）3種樣品，他們均是高釬焊柱通過(guò)回流焊的方式焊接而成的，其他詳細(xì)參數(shù)如表1所示。采用MFM1500鍵合剪切強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)和OPTIV PERFORMANCE 443型光學(xué)影像測(cè)量系統(tǒng) （復(fù)合式）進(jìn)行焊柱結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）試驗(yàn)、焊柱拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)和焊柱剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)樣品參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）方法的研究

參考GJB 7677-2012《球柵陣列 （BGA）的試驗(yàn)方法》，模擬實(shí)際裝配焊接的情況，采用基準(zhǔn)平面法檢測(cè)CGA封裝焊球的共面性。對(duì)標(biāo)記每個(gè)引出端在Z方向相對(duì)于起始面 （植柱面）的最大高度，即確認(rèn)每個(gè)引出端Z方向極值點(diǎn)。Z方向最高點(diǎn)標(biāo)定方式主要有：接觸式測(cè)量法、圓心法、明暗區(qū)域法和區(qū)域陣列法，如圖2所示。圖2中Z方向最高點(diǎn)標(biāo)注方法從左到右分別是接觸式測(cè)量法、圓心法、明暗區(qū)域法和區(qū)域陣列法。

圖2 Z軸不同測(cè)量方法典型圖

選取1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路，分別采用明暗陰影法、圓心法、區(qū)域陣列法和接觸式測(cè)量法4種不同的方法進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，所得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 共面性試驗(yàn)實(shí)際操作典型圖

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可知明暗陰影法、圓心法、區(qū)域陣列法和接觸式測(cè)量法這4種測(cè)試方法均適用于柱柵陣列Z軸方向的測(cè)量，并通過(guò)測(cè)量焊柱的高度，最終確定了基準(zhǔn)平面并得到了共面性的結(jié)果。明暗陰影法需要白光的自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)選點(diǎn)，是通過(guò)光強(qiáng)度的對(duì)比來(lái)選擇最高點(diǎn)的，所以必須保證焊柱端面的清潔，否則污染物會(huì)干擾測(cè)試結(jié)果；圓心法有一定的局限性，測(cè)試前必須先用肉眼檢查一遍焊柱是否有明顯的凹凸不平或傾斜現(xiàn)象；區(qū)域陣列法較圓心法更準(zhǔn)確，但是選點(diǎn)的編程需要一定的時(shí)間，測(cè)試時(shí)間是圓心法的幾倍；接觸式測(cè)量法采用的是探針接觸式測(cè)量，探針會(huì)對(duì)引出端施加一定的壓力，有可能會(huì)對(duì)引出端造成不可逆的損傷，因此接觸式測(cè)量的結(jié)果一般無(wú)法復(fù)現(xiàn)，在實(shí)際的鑒定檢驗(yàn)中一般不推薦使用接觸式測(cè)量。

從多次測(cè)量的穩(wěn)定性和均值考慮，各種測(cè)量方法的優(yōu)劣順序?yàn)椋好靼店幱胺ǎ緟^(qū)域陣列法＞接觸式測(cè)量法＞圓心法；從檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)考慮，各種測(cè)量方法的優(yōu)劣順序?yàn)椋簠^(qū)域陣列法＞接觸式測(cè)量法＞明暗陰影法＞圓心法。

3 抗拉強(qiáng)度 （焊線柱抗拉強(qiáng)度）試驗(yàn)方法研究

3.1 拉脫速率對(duì)焊柱抗拉強(qiáng)度性能的影響研究

分別采用1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路進(jìn)行試驗(yàn)，在相同的焊柱夾持高度 （焊柱總高度的10%，焊柱的根部）下，采用拉力爪分別在 50、 100、200、 500、 1 000 μm/s 拉伸速率下對(duì)焊柱進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)速率隨機(jī)地選取4個(gè)象限的40個(gè)焊柱，記錄數(shù)據(jù)結(jié)果，將5種速率下焊柱抗拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4-6所示。

從圖4-6的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著拉脫速度的增加，拉力力值呈加大和穩(wěn)定的趨勢(shì)。1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在拉脫高度一定的情況下，拉脫速率從50 μm/s增大到1 000 μm/s的過(guò)程中，抗拉強(qiáng)度增大了約4%，增大拉脫速率，對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不大，建議拉脫速率可為50～1 000 μm/s。

圖4 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖5 1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖6 1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

3.2 拉脫高度對(duì)焊柱抗拉強(qiáng)度性能的影響研究

分別采用1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路進(jìn)行試驗(yàn)，在相同的拉脫速率（拉脫速率為100 μm/s）下，采用拉力爪分別在焊柱總高度的5%、10%、20%、30%和50%處進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，每個(gè)高度隨機(jī)地選取4個(gè)象限的40個(gè)焊柱，并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果，將5種高度下焊柱抗拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7-9所示。

圖7 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖8 1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖9 1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖7-9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，隨著拉脫高度的增加，拉力力值呈減小和穩(wěn)定的趨勢(shì)。1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在拉脫速率一定的情況下，拉脫高度從焊柱高度的5%增大到焊柱高度的50%的過(guò)程中，抗拉強(qiáng)度減小了約13%，失效位置基本位于焊柱根部，若抗拉高度從焊柱高度的10%增大到焊柱高度的50%，抗拉強(qiáng)度減小約3%，可見(jiàn)焊料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于焊柱焊接端面的抗拉強(qiáng)度，因此建議試驗(yàn)時(shí)抗拉高度為10%～50%，并且不低于焊料高度。

3.3 試驗(yàn)焊柱的選取對(duì)焊柱抗拉強(qiáng)度性能的影響研究

對(duì)于大規(guī)模窄節(jié)距封裝的多引出端樣品，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)隨意地抽取少量的引出端或?qū)λ械囊龆硕歼M(jìn)行試驗(yàn)都是不合理的。因?yàn)橐龆藭?huì)分布到很大的面積區(qū)域，受加工制作工藝的限制而存在一定的偏向性，本文根據(jù)上述情況作了相關(guān)研究，對(duì)1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路在拉脫速率為100 μm/s，拉脫高度為焊柱高度的10%的條件下進(jìn)行焊柱抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，把所有能進(jìn)行試驗(yàn)的焊柱全部拉脫下來(lái)。把1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路數(shù)據(jù)分為4個(gè)象限，對(duì)各個(gè)象限的數(shù)據(jù)求和，結(jié)果如表2所示，從表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)第四象限的數(shù)據(jù)偏小；把1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路數(shù)據(jù)分為4個(gè)象限，對(duì)各個(gè)象限的數(shù)據(jù)求和，結(jié)果如表3所示，從表3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)第三象限的數(shù)據(jù)偏大。因此，對(duì)于大規(guī)模封裝的多引出端樣品，在進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，在保證抽樣方案不變的情況下，可改變抽樣方法，從原來(lái)的隨機(jī)抽樣改為有方向性的抽樣，如把CGA樣品焊柱分為4個(gè)象限，從每個(gè)象限內(nèi)隨機(jī)抽樣進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)考慮到邊角問(wèn)題，也應(yīng)該盡量對(duì)邊角區(qū)域進(jìn)行選擇性試驗(yàn)。

表2 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路焊柱抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)4個(gè)象限求和的結(jié)果

表3 1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路焊柱抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)4個(gè)象限求和的結(jié)果

4 引出端強(qiáng)度 （焊柱剪切強(qiáng)度）試驗(yàn)方法研究

4.1 剪切速率對(duì)焊柱剪切強(qiáng)度性能的影響研究

分別采用1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)規(guī)定相同的焊柱剪切高度 （焊柱高度的10%），采用拉力爪分別在 50、 100、 200、 500、 800 μm/s剪切速度下對(duì)焊柱進(jìn)行剪切試驗(yàn)，每個(gè)速度隨機(jī)地選取4個(gè)象限共40個(gè)焊柱。在每次運(yùn)行期間，記錄數(shù)據(jù)，將5種速度下焊柱剪切強(qiáng)度的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10-12所示。

圖10 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖11 1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖12 1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)圖10-12的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，隨著剪切速率的增加，拉力力值呈增大和穩(wěn)定的趨勢(shì)。1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在剪切高度一定的情況下，拉脫速率從50 μm/s增大到800 μm/s的過(guò)程中，剪切強(qiáng)度增大了20%；拉脫速率從100 μm/s增大到800 μm/s的過(guò)程中，剪切強(qiáng)度增大了10%，失效點(diǎn)基本位于焊柱根部。因此拉脫速率較慢，會(huì)造成 “層層切”的假象，影響試驗(yàn)結(jié)果，建議試驗(yàn)時(shí)剪切速率為100～800 μm/s，具體可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的目的進(jìn)行選擇。

4.2 剪切高度對(duì)焊柱剪切強(qiáng)度性能的影響研究

分別采用1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路進(jìn)行試驗(yàn)，在相同的焊柱剪切速率100 μm/s下，剪切高度分別在焊柱高度的2%、5%、10%、20%處進(jìn)行剪切試驗(yàn)，每個(gè)高度隨機(jī)選取4個(gè)象限的40個(gè)焊柱。記錄數(shù)據(jù)，將4種速度下焊柱剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖13-15所示。

通過(guò)對(duì)圖13-15的試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，隨著剪切高度的增加，拉力力值呈減小和穩(wěn)定的趨勢(shì)。1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路、1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路和1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在焊柱剪切速率一定的情況下，剪切高度從焊柱高度的2%增大到20%，剪切強(qiáng)度減小了50%，可見(jiàn)焊料的剪切強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于焊接端面的剪切強(qiáng)度和高釬焊料的剪切強(qiáng)度，而當(dāng)剪切高度大于20%時(shí)，焊柱彎曲的同時(shí)，試驗(yàn)失效，所以不考慮剪切高度大于20%的情況。因此建議焊柱剪切強(qiáng)度試驗(yàn)的剪切高度選為焊柱高度的10%，焊柱根部，避開(kāi)焊料的位置。

圖13 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖14 1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

圖15 1.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從焊柱結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）、焊柱拉脫強(qiáng)度和焊柱剪切強(qiáng)度3個(gè)方面對(duì)CGA的試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。從焊柱結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）試驗(yàn)可以得出如下的結(jié)論：從多次測(cè)量的穩(wěn)定性和均值的角度考慮，明暗陰影法最優(yōu)，但圓心法檢測(cè)所需的時(shí)間最短；從焊線柱抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可以得出如下的結(jié)論：拉脫速率對(duì)焊柱抗拉強(qiáng)度性能影響不大，抗拉高度的選擇、不同象限試驗(yàn)焊柱的選取對(duì)焊柱抗拉強(qiáng)度性能有所影響；從焊柱剪切強(qiáng)度試驗(yàn)可以得出如下的結(jié)論：拉脫速率較慢會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，剪切高度應(yīng)選為焊柱高度的10%。通過(guò)這些試驗(yàn)結(jié)果的積累，為柱柵陣列CGA檢測(cè)試驗(yàn)方法的選擇提供了一定的參考依據(jù)。