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)展起來的，作為一種高密度面陣排布的表面貼裝封裝形式，近年來被廣泛地應(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變?yōu)橹鶘藕更c。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封裝對比情況如圖1所示。

圖1 CBGA與CCGA封裝對比典型圖

現(xiàn)階段CGA封裝的檢測主要是采用GJB 7677中給出的BGA的檢測方法進行，目前國內(nèi)還沒有針對CGA焊柱封裝制定專門的檢測標準及檢測方法。本文將從焊柱結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）、焊柱拉脫強度和焊柱剪切強度3個方面進行CGA試驗方法的研究，以期能夠填補CGA封裝檢測技術(shù)的空白。

1 試驗方案

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回流焊的方式焊接而成的，其他詳細參數(shù)如表1所示。采用MFM1500鍵合剪切強度試驗系統(tǒng)和OPTIV PERFORMANCE 443型光學影像測量系統(tǒng) （復合式）進行焊柱結(jié)構(gòu)尺寸 （共面性）試驗、焊柱拉脫強度試驗和焊柱剪切強度試驗。

表1 試驗樣品參數(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）的試驗方法》，模擬實際裝配焊接的情況，采用基準平面法檢測CGA封裝焊球的共面性。對標記每個引出端在Z方向相對于起始面 （植柱面）的最大高度，即確認每個引出端Z方向極值點。Z方向最高點標定方式主要有：接觸式測量法、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方向最高點標注方法從左到右分別是接觸式測量法、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量法4種不同的方法進行試驗對比，所得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 共面性試驗實際操作典型圖

通過試驗對比可知明暗陰影法、圓心法、區(qū)域陣列法和接觸式測量法這4種測試方法均適用于柱柵陣列Z軸方向的測量，并通過測量焊柱的高度，最終確定了基準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對焦和自動選點，是通過光強度的對比來選擇最高點的，所以必須保證焊柱端面的清潔，否則污染物會干擾測試結(jié)果；圓心法有一定的局限性，測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確，但是選點的編程需要一定的時間，測試時間是圓心法的幾倍；接觸式測量法采用的是探針接觸式測量，探針會對引出端施加一定的壓力，有可能會對引出端造成不可逆的損傷，因此接觸式測量的結(jié)果一般無法復現(xiàn)，在實際的鑒定檢驗中一般不推薦使用接觸式測量。

從多次測量的穩(wěn)定性和均值考慮，各種測量方法的優(yōu)劣順序為：明暗陰影法＞區(qū)域陣列法＞接觸式測量法＞圓心法；從檢測時間的長短來考慮，各種測量方法的優(yōu)劣順序為：區(qū)域陣列法＞接觸式測量法＞明暗陰影法＞圓心法。

3 抗拉強度 （焊線柱抗拉強度）試驗方法研究

3.1 拉脫速率對焊柱抗拉強度性能的影響研究

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封裝電路進行試驗，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 拉伸速率下對焊柱進行抗拉強度試驗，每個速率隨機地選取4個象限的40個焊柱，記錄數(shù)據(jù)結(jié)果，將5種速率下焊柱抗拉強度的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進行對比，結(jié)果如圖4-6所示。

從圖4-6的試驗結(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。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的過程中，抗拉強度增大了約4%，增大拉脫速率，對抗拉強度的影響不大，建議拉脫速率可為50～1 000 μm/s。

圖4 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路試驗結(jié)果

圖5 1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路試驗結(jié)果

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

3.2 拉脫高度對焊柱抗拉強度性能的影響研究

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封裝電路進行試驗，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%處進行拉脫試驗，每個高度隨機地選取4個象限的40個焊柱，并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果，將5種高度下焊柱抗拉強度的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進行對比，結(jié)果如圖7-9所示。

圖7 1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路試驗結(jié)果

圖8 1.27 mm節(jié)距CCGA672封裝電路試驗結(jié)果

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

通過對圖7-9的試驗數(shù)據(jù)進行分析可知，隨著拉脫高度的增加，拉力力值呈減小和穩(wěn)定的趨勢。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%的過程中，抗拉強度減小了約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%，抗拉強度減小約3%，可見焊料的抗拉強度遠大于焊柱焊接端面的抗拉強度，因此建議試驗時抗拉高度為10%～50%，并且不低于焊料高度。

3.3 試驗焊柱的選取對焊柱抗拉強度性能的影響研究

對于大規(guī)模窄節(jié)距封裝的多引出端樣品，按相關(guān)標準隨意地抽取少量的引出端或?qū)λ械囊龆硕歼M行試驗都是不合理的。因為引出端會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%的條件下進行焊柱抗拉強度試驗，把所有能進行試驗的焊柱全部拉脫下來。把1.27 mm節(jié)距CCGA717封裝電路數(shù)據(jù)分為4個象限，對各個象限的數(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?。话?.00 mm節(jié)距CCGA1144封裝電路數(shù)據(jù)分為4個象限，對各個象限的數(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，對于大規(guī)模封裝的多引出端樣品，在進行抗拉強度試驗時，在保證抽樣方案不變的情況下，可改變抽樣方法，從原來的隨機抽樣改為有方向性的抽樣，如把CGA樣品焊柱分為4個象限，從每個象限內(nèi)隨機抽樣進行試驗，同時考慮到邊角問題，也應(yīng)該盡量對邊角區(qū)域進行選擇性試驗。

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

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

4 引出端強度 （焊柱剪切強度）試驗方法研究

4.1 剪切速率對焊柱剪切強度性能的影響研究

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封裝電路進行試驗，測試時規(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剪切速度下對焊柱進行剪切試驗，每個速度隨機地選取4個象限共40個焊柱。在每次運行期間，記錄數(shù)據(jù)，將5種速度下焊柱剪切強度的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進行對比，結(jié)果如圖10-12所示。

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

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

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

通過對圖10-12的數(shù)據(jù)進行分析可知，隨著剪切速率的增加，拉力力值呈增大和穩(wěn)定的趨勢。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的過程中，剪切強度增大了20%；拉脫速率從100 μm/s增大到800 μm/s的過程中，剪切強度增大了10%，失效點基本位于焊柱根部。因此拉脫速率較慢，會造成 “層層切”的假象，影響試驗結(jié)果，建議試驗時剪切速率為100～800 μm/s，具體可根據(jù)實際試驗的目的進行選擇。

4.2 剪切高度對焊柱剪切強度性能的影響研究

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封裝電路進行試驗，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%處進行剪切試驗，每個高度隨機選取4個象限的40個焊柱。記錄數(shù)據(jù)，將4種速度下焊柱剪切強度數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進行對比，結(jié)果如圖13-15所示。

通過對圖13-15的試驗結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行分析可知，隨著剪切高度的增加，拉力力值呈減小和穩(wěn)定的趨勢。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%，剪切強度減小了50%，可見焊料的剪切強度要遠高于焊接端面的剪切強度和高釬焊料的剪切強度，而當剪切高度大于20%時，焊柱彎曲的同時，試驗失效，所以不考慮剪切高度大于20%的情況。因此建議焊柱剪切強度試驗的剪切高度選為焊柱高度的10%，焊柱根部，避開焊料的位置。

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

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

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

5 結(jié)束語

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