王海超，彭小偉，郭帆，丁穎潔，陳強

(1.上海航天控制技術研究所,上海,201100；2.天津大學,天津,300072)

0 序言

近年來隨航天電子產品設計壽命增加，其可靠性要求也逐步提高.陶瓷柱柵陣列(ceramic column gird array，CCGA)芯片作為少數I/O 數量可超過1 500的一種高密度封裝類型，因其優(yōu)越的抗熱疲勞性能、散熱性能逐步應用于航天電子產品中[1-3].

航天電子產品應具備振動及溫度循環(huán)環(huán)境下的高可靠服役能力.CCGA 封裝器件質量較大，重心較高，對焊點抗振性能影響較大[4-5]，為增加焊點機械應力抵抗能力，常采用印制電路板(primted circurt board,PCB)結構固定、環(huán)氧膠加固、硅橡膠加固等方式固定[6-7].而CCGA 焊點的熱疲勞壽命與器件本體尺寸成反比，本體尺寸越大，因CCGA和PCB 熱膨脹系數不匹配導致的應力越大，邊角處變形量最大的焊點/焊柱越容易受損[8-9]，因此加固大尺寸CCGA 時應充分考慮各加固膠物理特性，如不同加固膠、不同點膠量對焊點可靠性影響.目前加固膠對CCGA 焊點抗振和抗熱疲勞性能影響的研究鮮見報道.

文中以某國產大尺寸CCGA 器件(38 mm ×38 mm)為研究對象，分別采取不同的加固方式，參照QJ 3086A—2016《表面和混合安裝印制電路板組件的高可靠性焊接》附錄A 中可靠性驗證條件進行試驗.目前數值仿真已廣泛應用于焊點受力分析[10]，文中建立仿真模型通過CCGA 加固工藝對焊點可靠性影響進行計算，研究不同加固狀態(tài)下的CCGA 對抗熱疲勞性能和抗振性能的影響，為航天電子產品中CCGA 封裝器件裝配工藝提供參考.

1 試驗設計

1.1 CCGA 加固狀態(tài)設計

試驗焊接7 件某國產CCGA 樣件(焊錫柱為9010 焊柱、引腳中心距1.27 mm、焊柱陣列30 ×30，每邊3 排引腳，中心無焊柱)，焊接后對CCGA樣件采取不同加固工藝，如圖1 所示.點膠狀態(tài)：①未點膠；②器件四角點EC-2216 環(huán)氧膠(點膠寬度W1=2 mm，點膠寬度W2=5～ 7 mm)；③器件四角點EC-2216 環(huán)氧膠(點膠寬度W1=4～ 5 mm，點膠寬度W2=8～ 10 mm)；④器件四角點GD414 硅橡膠(點膠寬度W1=4～ 5 mm，點膠寬度W2=8～10 mm).點膠過程中采取防護措施防止環(huán)氧膠和CCGA 焊柱/焊點接觸.

圖1 CCGA 點膠加固示意圖Fig.1 Schematic diagram of CCGA reinforcement

1.2 可靠性試驗設計

點膠后參照QJ 3086A—2016《表面和混合安裝印制電路板組件的高可靠性焊接》附錄A 中可靠性驗證條件對各樣件進行試驗.

1.2.1 振動試驗

樣件經歷正弦振動和隨機振動試驗，其中隨機振動試驗條件見表1，x,y,z3 個方向振動時間各5 min.振動試驗各樣件分配見表2.

表1 隨機振動試驗條件Table 1 Random vibration test conditions

表2 CCGA 樣件的分配Table 2 Distribution of the CCGA samples

CCGA 樣件振動試驗印制電路板約束狀態(tài)分為2 種：約束方式A 和約束方式B，如圖2 所示.

(1)約束方式A：振動工裝內部下凹2 mm，如圖2 中紅色區(qū)域所示.印制電路板四邊與振動工裝相接觸，印制電路板安裝孔使用螺釘緊固，如圖2中約束方式A 所示.將加速度傳感器測量探頭放在距離CCGA 器件邊緣10 mm 處，隨機振動時測量該點垂直于板面(z向)的隨機振動加速度響應曲線.經測量，該點z向總均方根加速度可達50 Grms.2 號樣件印制電路板固定在此工裝上進行振動試驗.

(2)約束方式B：振動工裝表面與印制電路板反面緊密貼合，無下凹，其作用與增加CCGA 周圍印制電路板與結構之間緊固點類似，在一定程度上可約束垂直于印制電路板方向(z向)的運動，其它約束情況與約束方式1 相同，如圖2 中約束方式B 所示.使用該工裝時板上相同測量點隨機振動z向振動均方根加速度約為34 Grms，4 號、6 號、7 號樣件使用此工裝進行振動試驗.

圖2 振動試驗中印制電路板約束狀態(tài)(mm)Fig.2 PCB constraint condition during the vibration test

1.2.2 溫度循環(huán)試驗

溫度循環(huán)試驗條件：-50～ 100 ℃，升(降)溫速率10 ℃/min，高(低)溫保持時間15 min，共200 次循環(huán).各樣件狀態(tài)見表2.

2 仿真模型建立

為研究不同約束狀態(tài)下隨機振動和溫度循環(huán)焊點受力情況，利用ABAUQS 仿真軟件建立振動試驗模型和溫度循環(huán)試驗模型.模型為CCGA 一側的1/4 印制電路板模型，如圖2 中深綠色“仿真建模區(qū)域”所示，同時對其中的兩邊采用對稱約束條件以模擬整個印制電路板狀態(tài)，如圖3 所示.振動模型共3 個，分別為RM1，RM2，RM3.各材料主要參數見表3.

表3 各材料主要參數Table 3 Main parameters of materials

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

振動模型RM1，RM2 和RM3 主要計算垂直于印制電路板方向(z向)振動時焊柱/焊點受力情況.RM1 對應2 號樣件；RM2 模型PCB 約束狀態(tài)與4 號樣件相同，但CCGA 四角未點膠，用于分析改變PCB 板約束對器件抗振性能的影響；RM3 對應4 號樣件，CCGA 四角環(huán)氧膠加固.

以1 號、3 號和5 號樣件為研究對象建立溫度循環(huán)仿真模型，通過熱對流邊界實現溫度循環(huán)箱內環(huán)境溫度載荷，通過模擬CCGA 焊柱內應力變化，分析焊柱/焊點熱疲勞性能.

3 試驗結果與分析

3.1 點膠狀態(tài)對CCGA 焊點抗振性能影響

3.1.1 隨機振動試驗結果

試驗后檢查CCGA 器件焊柱及焊點，圖4 為2 號、4 號、6 號和7 號樣件振動后焊點情況.2 號樣件焊柱與焊料結合處斷裂，此處焊點上共晶焊料和焊柱間非光滑過渡，存在應力集中；4 號、6 號和7 號樣件引腳無裂紋.

圖4 2 號、4 號、6 號和7 號樣件振動后焊點情況Fig.4 Solder joints of No.2, No.4, No.6, No.7 sample after vibration experiment

3.1.2 隨機振動模型仿真分析

圖5 為模型z向瞬時變形曲線和測量點功率譜密度曲線(power spectral density,PSD).圖5a 為模型RM1，RM2 和RM3 隨機振動過程中加速度測試點位置垂直于印制電路板方向(z向)瞬時變形隨頻率變化曲線，圖5b 和圖5c 為板上測試點的z向加速度功率譜密度曲線.從圖5b 可以看出，模型RM1 1 階模態(tài)實測和計算結果分別是490 和451 Hz，模型RM3 1 階模態(tài)實測和計算結果分別為600 和625 Hz，模態(tài)頻率匹配較好，驗證了模型準確性.從圖5a 可以看出，RM1 測試點振動瞬時變形量最大，僅改變工裝約束的RM2 瞬時變形量次之，改變工裝約束狀態(tài)且使用環(huán)氧膠加固CCGA 四角的RM3瞬時變形量最小.且相比于RM1，RM2 變更約束方式后，板上隨機振動1 階模態(tài)頻率由490 Hz 提高到600 Hz，隨機振動均方根加速度也從50 Grms 降低至34 Grms.因此優(yōu)化板級約束可顯著降低板級實際響應，提升印制電路板組件剛度，有助于提升板上元器件裝焊可靠性.

圖5 各模型z 向瞬時變形曲線和測量點實測PSD 曲線Fig.5 Transient deformation simulation results and experimental PSD curves. (a) instantaneous deformation curves of direction z; (b) measured PSD curve of RM1; (c) measured PSD curve of RM2

圖6 為RM1，RM2 和RM3 焊柱上均方根應力(RMIS)變化曲線和應力分布云圖.從圖6a 可知，RM1，RM2 和RM3 振動過程中四角位置焊柱承受的均方根應力值約16，4.9 和1.7 MPa.以上數據表明，改變結構約束方式的RM2 比RM1 引腳受力降低66%，增加環(huán)氧膠加固的RM3 比RM2 焊點受力再次降低67%.證明增加印制電路板結構間約束和使用環(huán)氧膠加固器件均可降低CCGA 四角位置焊點受力.

圖6 各模型隨機振動RMIS 仿真結果Fig.6 RMIS simulation results of various random vibration model. (a) RMIS curve of simulation models; (b) RMIS distribution cloud map of RM1;(c) RMIS distribution cloud map of RM2;(d) RMIS distribution cloud map of RM3

RM1 焊柱受力計算結果為16 MPa，實際焊錫爬升與焊柱結合位置非圓滑過渡(圖4 焊點形貌)，在焊點和焊柱接觸位置存在應力集中導致焊柱斷裂，是RM1 四角焊柱斷裂主要原因；而RM3 改變板級約束方式并使用環(huán)氧膠加固器件后，四角固定膠增大了器件本體和印制電路板支撐面，將大部分隨機振動過程中的機械應力分散到印制電路板上，顯著降低CCGA 四角位置焊柱斷裂風險.

振動試驗過程中7 號樣件使用GD414 硅橡膠加固，在增加PCB 和結構z向約束后，雖硅橡膠剛度和強度遠低于環(huán)氧膠，但硅橡膠變形分散部分機械應力至印制電路板，降低焊點受力，在試驗隨機振動環(huán)境下，焊柱未出現裂紋或損傷，滿足使用環(huán)境要求.

以上試驗和仿真結果表明，優(yōu)化板級約束條件(如增加CCGA 周圍印制電路板與結構之間緊固點)和增加四角環(huán)氧膠固定措施均可顯著降低CCGA 器件焊點受力，顯著增加CCGA 器件焊點抗振性能；在增加印制電路板結構約束的情況下使用GD414 硅橡膠加固CCGA 四角滿足QJ 3086A—2016 高可靠使用條件.

3.2 CCGA 加固方式對焊點抗熱疲勞性能的影響

3.2.1 溫度循環(huán)后CCGA 焊點情況

1 號、3 號、5 號和7 號樣件溫度循環(huán)試驗后進行顯微鏡檢查，如圖7 所示.

圖7 1 號、3 號、5 號和7 號樣件溫度循環(huán)后焊點形貌Fig.7 Solder joints of No.1 , No.3 , No. 5, No.7 sample after temperature-cycle experiment

對比試驗后各樣件焊點情況，焊柱變形量由大到小依次為：點膠狀態(tài)③、點膠狀態(tài)②、點膠狀態(tài)①和點膠狀態(tài)④.1 號和7 號樣件焊點外觀未見明顯損傷，3 號樣件縮頸面積不超過焊點/焊柱面積的25%.證明使用GD414 硅橡膠加固器件或使用少量EC-2216 環(huán)氧膠加固CCGA 本體(點膠量參見點膠狀態(tài)②)滿足QJ 3086A—2016 可靠性驗證要求，對焊柱的抗熱疲勞性能影響較??；而5 號樣件四角位置均出現顯著的焊料縮頸、焊料和焊盤脫離現象，脫離面積超焊柱/焊點直徑60%以上，CCGA 焊點熱疲勞性能隨環(huán)氧膠點膠量的增多顯著下降，不滿足航天電子產品高可靠裝焊要求.

3.2.2 溫度循環(huán)熱應力仿真分析

為分析環(huán)氧膠對焊點溫度循環(huán)過程焊點受力情況，參照1 號、3 號和5 號樣件建立仿真模型.

圖8 為各樣件高溫(100 ℃)、低溫(-50 ℃)保持時焊點熱應力分布計算結果，四角位置焊點受力最大.低溫-50 ℃和高溫100 ℃時，1 號樣件(未點膠)焊柱/焊點根部熱應力約11.5 和5 MPa；3 號 樣件(點膠狀態(tài)②)低、高溫下熱應力峰值約為14 和5 MPa；5 號樣件(點膠狀態(tài)③)熱應力峰值約15.5和7 MPa.仿真結果顯示，當該CCGA 器件使用環(huán)氧膠加固四角時，低溫-50 ℃下，與未點膠狀態(tài)相比，焊柱/焊點承受的內應力由11.5 MPa 依次增加到14，16.1 MPa；而高溫100 ℃下，點膠狀態(tài)②焊柱應力與點膠狀態(tài)①(未點膠)相比無明顯變化，應力值約為5 MPa，100 ℃下Pb90Sn10 焊柱的屈服強度約為5～ 6 MPa[11]，因此少量環(huán)氧膠對焊點熱疲勞性能影響有限；而點膠狀態(tài)③(環(huán)氧膠點膠量較多)高溫下焊點應力升至7 MPa，超過此溫度下的焊柱的屈服應力，焊點將產生微小塑性變形，多次試驗后焊料產生較大塑性變形.此結果與試驗結果高度匹配.

圖8 各樣件CCGA 熱循環(huán)高溫和低溫熱應力分布云圖Fig.8 Thermal stress distribution of CCGA solder joints at high temperature and low temperature. (a)No.1 sample; (b) No.3 sample; (c) No.5 sample

CCGA 封裝主要解決溫度循環(huán)過程中器件和印制電路板熱膨脹系數不匹配導致的焊點熱疲勞斷裂問題.當CCGA 使用環(huán)氧膠加固時，除環(huán)氧膠和焊柱之間熱膨脹系數不匹配導致焊柱承受額外的軸向應力以外，環(huán)氧膠對器件四角支撐力也隨著PCB 板熱脹冷縮而波動.隨著環(huán)氧膠點膠量越多，低溫下印制電路板收縮時環(huán)氧膠對器件四角支撐作用越大，同時熱膨脹系數不匹配導致的熱應力增大，焊點熱疲勞性能下降.GD414 硅橡膠為一種超彈性材料，質地較軟，在非封閉結構下，溫度變化可通過硅橡膠自身橫向變形消除部分內應力.試驗結果顯示，在充分優(yōu)化結構約束、降低PCB 板級響應情況下，溫度循環(huán)試驗和振動試驗后焊柱/焊點未損傷，滿足航天運載電子產品高可靠裝焊要求.

以上分析結果顯示，在文中可靠性測試條件和環(huán)氧膠點膠量嚴格控制的情況下，使用EC-2216 環(huán)氧膠加固CCGA，或優(yōu)化板級結構約束的情況下，使用GD414 硅橡膠加固CCGA 本體，均可滿足航天運載電子產品高可靠性裝聯要求.

4 結論

(1)優(yōu)化PCB 板級約束，如增加CCGA 周圍印制電路板與結構之間緊固點，可抑制隨機振動中PCB 板上量級的放大，顯著提升CCGA 焊點抗振性能.

(2)使用EC-2216 環(huán)氧膠加固器件本體可將隨機振動中大部分應力分散至印制電路板，少量環(huán)氧膠的使用對焊點熱疲勞壽命的影響較小，滿足QJ 3086A—2016 高可靠裝焊要求.隨著環(huán)氧膠點膠量的增多，焊點熱疲勞壽命顯著降低.

(3)在充分優(yōu)化PCB 板級結構約束、降低板級振動響應的情況下，使用GD414 硅橡膠加固器件本體滿足航天運載電子產品高可靠性裝聯要求.