陶瓷球栅阵列器件转变为陶瓷柱栅阵列器件

陶瓷球栅阵列(CBGA)器件在军事和航空航天电子设备中得到了广泛使用,由于器件基板与印制板之间热膨胀系数不匹配,焊点易于产生应力。对于工作温度范围更宽和寿命循环要求更长的军品而言,大尺寸CBGA就具有较高的风险。介绍了一起CBGA焊点开裂故障,分析了故障产生的原因,并进行了故障机理分析,随后开展了CBGA及CCGA温度循环验证工作,结果表明:对于尺寸大于32 mm的陶瓷格栅阵列器件,焊点应采用焊柱,否则,其热疲劳寿命将得不到保证。

陶瓷柱栅阵列封装器件回流焊工艺仿真

陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array,CCGA)封装器件因具有高密度输入/输出、高可靠性、优良的电气和热性能等优点,被广泛应用于航空航天领域。通过微线圈型CCGA封装器件的回流焊工艺仿真,分析了降温速率和印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)焊盘直径对焊接残余应力的影响,并通过参数优化选取较优的工艺参数组合。结果表明,降温速率在1~2.5℃/s内变化时,最大残余应力变化不明显,降温速率大于2.5℃/s时,降温速率越大,残余应力越大;PCB焊盘直径对焊接残余应力的影响未呈现出规律性的趋势,当PCB焊盘直径为0.76 mm时,残余应力最小,为10.7490 MPa;通过参数优化可知,当PCB焊盘直径为0.76 mm、降温速率为2.0℃/s时,残余应力最小,为6.9600 MPa。

陶瓷柱栅阵列封装芯片落焊控温工艺研究

宇航型号单机生产过程中,部分陶瓷柱栅阵列(CCGA)芯片因软件固化、调试等原因需使用返修台进行落焊,落焊温度曲线直接影响CCGA器件及周围器件的装配可靠性。本文使用红外热风混合型返修台对CCGA器件落焊控温工艺进行研究。研究发现,返修台控温点距离器件边缘1~2 mm时温度反馈控制效果最佳;本文提出了增加导热挡板控制高温区范围(>183℃)的新方案,可将本文使用的印制板高温区控制在落焊位置周围8 mm范围内;CCGA焊接样件分析显示焊锡柱侧微观组织呈块状,金属间化合物(IMC)层组织均匀,未出现Cu3Sn脆化物,可靠性试验后染色浸润测试发现焊点完好,未出现裂纹。结果证明本文提出的温度控制工艺合理有效,可应用于宇航产品落焊过程。

陶瓷柱栅阵列封装电路器件级热学环境可靠性评估

陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column Grid Array,CCGA)封装器件在宇航型号中已大量使用,在地面高温贮存及空间极冷极热等热应力载荷作用下,极易出现焊点开裂等失效问题,进而引发器件故障。针对外引出端为增强型焊柱的CCGA封装电路,开展器件级高温存储、温度循环及多次返工可靠性考核,评估外引出端为增强型焊柱的CCGA封装电路的热学可靠性。结果表明,器件在2000 h高温存储考核后焊点未发生失效,但经历2000次温度循环考核后焊点内部开裂,返工3次后焊点形貌及界面互连未发生明显变化。

陶瓷柱栅阵列封装器件高可靠性植柱工艺技巧

随着航天电子产品向小型化、集成化方向发展,陶瓷柱栅阵列封装器件在星载产品中的应用越来越广泛。但陶瓷柱栅阵列封装器件装联工艺却存在着焊接工艺难度大,过程难以控制等问题,各个环节控制稍有误差,极易出现单个焊点虚焊、裂纹、气孔过多等问题,导致器件无法正常使用,甚至单板报废。仅仅因为陶瓷柱栅阵列封装器件焊接问题致使整板报废,不仅严重延误了产品的研制进度,也造成了巨大的经济损失。以相关单位使用情况分析来看,陶瓷柱栅阵列封装的芯片在通信有效载荷、数据处理、控制系统中大量使用,年使用量约为200~300片。近5年来每年因返修导致报废器件10片左右,造成经济损失多达数百万元。通过对陶瓷柱栅阵列封装植柱专用工装、裁体焊接设备的设计,成功实现了器件植柱,并对样件进行了相关检测和试验验证。对降低产品成本具有积极促进作用。

柱栅阵列试验方法研究

陶瓷柱栅阵列是一种高密度、窄节距和大尺寸封装的器件。从系统整体组装的可靠性、封装工艺技术的匹配因素以及试验过程中可能遇到的各种实际问题出发,对陶瓷柱栅阵列器件的共面性、抗拉强度和剪切强度等3个方面的试验方法进行了研究,为陶瓷柱栅阵列器件检测方法的选择提供了一定的参考。

温度试验条件下柱栅阵列仿真失效分析

陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装是陶瓷球栅阵列(CBGA)封装的衍生技术,能有效缓解CBGA因热失配而引起的失效问题。对CCGA1140封装的材料和结构进行建模,针对焊接过程和热环境试验仿真条件下柱栅阵列焊点的应力应变分布情况和薄弱环节进行重点论述。仿真结果表明,在焊接和热环境中,CCGA封装最薄弱环节是柱栅阵列最外侧四角的焊点处。

微弹簧型CCGA器件植装工艺及评价方法

微弹簧型焊柱以其更好的抗振动、抗温度循环、耐冲击性能将替代高铅焊柱和铜带缠绕焊柱成为未来陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装的新选择。针对当前国内微弹簧型CCGA器件工艺研究与评价方法稀缺的现状,以微弹簧型CCGA2577器件为实验对象,开展了植装工艺与评价方法研究,提出了适用于微弹簧型CCGA器件的拉脱强度和剪切强度的测试方法与强度修正方法。结果表明,微弹簧型CCGA2577器件焊柱的焊点空洞率、剪切强度、拉脱强度均满足GB/T 36479—2018和GJB 548C—2021的判据要求。本文提出的植装工艺与评价方法能够有效指导微弹簧型CCGA器件的封装加工与质量评价。

CCGA器件的制备与高精度组装技术

CCGA封装器件具有良好的抗热膨胀失配等性能,在很多高可靠领域有广泛应用。针对CCGA封装器件的制备和高精度组装问题,开展了陶瓷管壳制备、高精度植柱工装设计、焊膏涂覆和器件植柱等研究。采用高温共烧陶瓷技术制备了2种带有菊花链的CCGA陶瓷管壳,可用于复杂链路的灵活设计。设计并加工了厚度为1.6 mm、开孔直径为0.54 mm的高精度植柱工装。对比丝网印刷和焊膏喷印方法,使用焊膏喷印法优化参数,提高了焊膏的体积精度,相对偏差小于10%。制备了高精度植柱样件,焊柱倾斜度小于1°,共面度小于0.1 mm,位置度优于±0.02 mm。该方法可有效提高CCGA器件的植柱精度和焊柱对称性,且有助于保证后续板级焊接的精度与可靠性。

CCGA元器件焊柱可靠性影响的有限元分析

借助ANSYS有限元软件建立CCGA624器件的三维条状模型,基于应变对焊柱可靠性进行优化模拟分析。结果表明,离器件中心最远处焊柱为整个器件的最危险焊柱,共晶钎料与Sn3.5Ag焊柱的连接处具有明显的应变集中现象,裂纹将最先在该处萌生。焊柱尺寸优化结果显示:应变随着焊柱间距的增大而升高,但变化趋势缓慢;焊柱高度增加,应变曲线呈现抛物线状,在焊柱高度为2.07 mm时等效应变取最小值;应变随着焊柱直径的增大而升高,具有明显的单调性。实际应用中,可以根据应变较小的原则来选择合适的焊柱尺寸。

CCGA焊柱加固工艺技术研究

针对陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装的焊接界面在热冲击试验中出现的断裂失效问题,探讨了如何通过加固CCGA焊接界面来提高器件可靠性的工艺技术。该工艺通过在焊接区域涂覆适量的环氧胶来对焊接界面进行加固保护,对于提高焊柱的抗热冲击能力具有明显的作用,并且能够有效地提高焊柱的可靠性。此外,为了进一步地提高CCGA器件的组装可靠性,对新型结构焊柱进行了相关的试验验证。

高密度CCGA热疲劳仿真及可靠性分析

陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装具有优良的电热性能和高密度的信号互连特点,是航空航天等高可靠应用领域的首选。当引脚超过1000以上时,由于封装形式及材料本身特性,高密度CCGA在温度变化环境中更容易出现失效。针对CCGA1144结构开展温度循环试验,通过微观结构观察和有限元仿真,研究在-55~125℃温度循环条件下,焊柱应力分布、变化规律、失效原因及模式。结果表明,温度循环过程中外圈焊柱与内圈焊柱相比,等效形变、等效应力、等效应变及塑性应变变化范围更大,更容易发生失效,特别是外圈的边缘焊柱。研究给出了热疲劳试验过程中焊柱的薄弱点,指出0.15~0.60 mm及2.17~2.43 mm两个区间是焊柱发生裂纹和断裂失效的危险区域,且后者区间更易产生裂纹及断裂。提出了焊柱热疲劳的3种失效模式,指出焊柱在疲劳机制、蠕变机制共同作用下产生损伤或失效,给出了加固和优化设计方向的建议。研究结果对高密度CCGA的质量改进提升、发展和应用具有指导意义和参考价值。

超大规模CCGA器件铜带缠绕型焊柱可靠性研究

基于有限元分析软件建立了超大规模铜带缠绕型焊柱CCGA2577器件的三维条状模型,根据应力应变评估铜带缠绕型焊柱的可靠性,并分析了不同尺寸铜带缠绕型焊柱对热疲劳寿命的影响。结果表明:在温度循环加载作用下,当铜带缠绕型焊柱应力的最大位置位于离中心距离最远的焊柱上时,最易发生失效;铜带缠绕型焊柱疲劳失效表现为靠近陶瓷一侧铜带与焊柱接触界面斜向裂纹;铜带缠绕型焊柱长度增加,焊柱抗疲劳寿命随之提高,CCGA器件板级可靠性也随之提高;铜带厚度对铜带缠绕型焊柱抗疲劳寿命的影响较小;铜带宽度对铜带缠绕型焊柱可靠性的影响较为显著,在铜带宽度为0.31μm时,铜带缠绕型焊柱抗疲劳寿命达到最高值。

温度循环对CCGA焊柱可靠性影响

陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装因其优良的电热性能和高密度的信号互连,成为高可靠封装形式的首选,但由于封装形式及材料本身特性,在温度循环过程中的焊点开裂失效是需要重点关注的.文中以CCGA484为例,研究在−65~150℃温度循环条件下,CCGA焊柱形貌、焊点显微组织及抗剪强度的变化.结果表明,在温度循环过程中,板级组装后CCGA器件的焊柱逐渐发生蠕变变形,焊点界面依次生成硬脆的Ni3Sn4,Ni3Sn2和Ni3Sn金属间化合物(IMC),且总厚度逐渐增加,这些硬脆相的增厚会导致温度循环过程中应力集中程度的加剧,累积到一定程度会引发焊点断裂,与此对应,焊点的抗剪强度逐渐下降.

温度循环条件下微弹簧型CCGA焊柱的热疲劳寿命仿真研究

对比封装体不同的热疲劳寿命预测模型,选择适用于微弹簧型陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装的寿命预测模型,并对焊点的热疲劳机制进行分析。利用Workbench对焊点进行在温度循环载荷作用下的热疲劳分析。对比不同热疲劳寿命预测模型的结果,表明基于应变能密度的预测模型更适用于微弹簧型CCGA。随后对等效应力、塑性应变、平均塑性应变能密度和温度随时间变化的曲线进行分析,结果表明,在温度保持阶段,焊柱通过发生塑性变形或积累能量来降低其内部热应力水平,减少热疲劳损伤累积;在温度转变阶段,焊柱的应力应变发生剧烈变化,容易产生疲劳损伤。

铜带缠绕型CCGA的加固工艺参数优化

基于有限元分析理论,针对铜带缠绕型CCGA的加固工艺进行仿真,明确不同工艺参数对器件焊接残余应力的影响规律。以残余应力最小为准则,获取了加固工艺的优选参数组合。使用FP4526型填充胶,在靠近基板端底部灌封填充高度为0.622 mm的固化胶,在起始温度为25℃、升温速率为5℃/min、升温时长为25 min、固化温度为150℃、固化时间为120 min、降温速率为5℃/min的条件下加热,此时产生的最大残余应力是9.497 MPa。

增强型CCGA焊柱的热疲劳寿命研究

随着陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装的广泛应用,其焊柱在温度循环条件下的热疲劳寿命预测也越来越重要。首先,建立了简化后的CCGA封装结构模型;其次,基于描述焊料变形行为的Anand本构方程,借助有限元进行热疲劳仿真;最后,使用基于Coffin-Manson方程的热疲劳寿命预测模型,比较了镀铜型焊柱和铜带缠绕型焊柱的热疲劳寿命,结果表明后者的热疲劳寿命是前者的1.6倍,由此可以在疲劳寿命的评估中,确定可靠性最优的焊柱类型。

低应力柔性CCGA焊点设计及其可靠性预测

为提高大芯片面阵列封装的可靠性、降低工作载荷下钎料焊点内部的应力集中程度,基于力学原理对陶瓷柱栅阵列(ceramic column grid array,CCGA)封装结构进行了柔性互连设计和焊点形态设计.采用有限元方法研究了该低应力柔性CCGA互连结构在剪切载荷下的力学行为.结果表明,互连结构的峰值应力和峰值应变由设计的铜质的锥形漏斗体承担,性能薄弱的钎料及钎料/铜柱界面不再处于互连结构的应力应变集中位置,焊点内部应力应变较传统CCGA焊点降低显著;预测该低应力柔性CCGA互连焊点将具有更高的可靠性.

超大规模CCGA器件板级互联可靠性研究

以超大规模CCGA2577板级互联器件为研究对象,进行了温循过程可靠性模拟仿真和试验分析。首先,讨论了线型Pb90Sn10焊柱和铜带缠绕型Pb90Sn10焊柱阵列的板级互联可靠性及疲劳寿命,指出了两种焊柱下器件的危险失效点和失效模式;然后,结合试验对比验证了仿真模型的准确性,进一步地确认了焊柱直径和长度等参数对CCGA2577板级互联器件疲劳寿命的影响规律,给出了其板级互联可靠性结论;最后,针对超大规模CCGA器件板级互联可靠性设计给出了建议。

航天电子产品CCGA加固工艺可靠性分析

航天电子产品大量应用陶瓷柱栅阵列封装(ceramic column grid array, CCGA)器件,其装焊质量与器件本体尺寸和加固工艺息息相关.文中通过试验和数值仿真方法,研究印制电路板(primted circurt board, PCB)约束、器件加固工艺对大尺寸CCGA焊点可靠性的影响.仿真与试验结果表明,优化CCGA周围印制电路板约束方式、使用EC-2216环氧胶加固CCGA均可大幅降低随机振动过程中焊点受力.使用少量环氧胶加固CCGA提高焊点抗振性能的同时,对焊点抗热疲劳性能影响较小,满足QJ 3086A-2016高可靠装焊要求;随着环氧胶点胶量的增多,焊点抗热疲劳性能显著下降,焊点在温差变化较大的服役环境下存在失效风险;在充分优化PCB约束以降低板级振动响应的情况下,使用GD414硅橡胶加固器件也满足航天电子产品高可靠装配要求.