摘要：陶瓷柱柵陣列封裝器件（ＣＣＧＡ）由于其諸多的技術優勢，在高可靠性產品中大量被選用。本文以ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７（鉛柱為Ｐｂ８０／Ｓｎ２０）為例開展了高可靠性組裝工藝研宄工作，詳細論述了組裝工藝及環境應力試驗過程并開展了可靠性分析，從最終的試驗結果看，ＣＣＧＡ器件焊接后，焊料與ＰＣＢ焊盤及焊柱間潤濕良好；焊料與焊盤間形成的合金層均勻連續，厚度在０．５ｕｍ－３０ｕｍ之間，均勻處約在ｌｕｍ左右，從形貌上看，基本以Ｃｕ６Ｓｎ５的典型扇貝狀形貌呈現，均未見明顯的ＣＵ３Ｓｎ形成；說明焊接工藝（溫度、時間）較為適宜，ＣＣＧＡ器件焊接工藝良好、穩定。
關鍵詞：柱柵陣列；ＣＣＧＡ；金屬間化合物；焊接；工藝
1概述
ＣＣＧＡ是陶瓷柱柵陣列封裝的簡稱，如圖１所示，是在ＣＢＧＡ封裝技術的基礎上發展而來的，與傳統的ＢＧＡ封裝器件相比，ＣＣＧＡ封裝器件具有良好熱匹配性、抗振、抗沖擊性能、耐高溫、高可靠、易清洗等優點，由于使用柱柵取代了球柵，大大緩解了陶瓷載體與環氧玻璃布印制板之間由于熱膨脹不匹配而帶來的熱疲勞問題［１］；與此同時，眾多的Ｉ／Ｏ數解決了多邏輯、大量數據的微處理需求［２］，因此該類封裝器件在高可靠性產品中被大量選用。
雖然ＣＣＧＡ封裝器件具有諸多的應用技術優勢，但是在實際工程應用中也存在很多工藝性問題，需要引起我們的足夠重視。首先是鉛柱底面的氧化問題，由于器件從制造到工程應用跨越的周期比較長，尤其近年來國外的產品（例如ＸＩＬＩＮＸ的ＣＧ７１７）供應鏈的問題，導致器件進入工程應用的周期較長，這也是造成器件管腳氧化的重要原因，圖２是某產品ＣＣＧＡ器件未進行工藝處理前的焊柱端面氧化的圖片，其次，焊柱端面的共面性問題也是影響焊接可靠性的重要因素之一，ＧＳＦＣ－ＳＴＤ－６００１規定，引腳的共面度應優于０.１５ｍｍ，若共面度不好，將造成局部鉛柱端面焊料不足，不能形成３６０°焊料環繞；第三，在實際組裝過程中發現，來料的ＣＣＧＡ鉛柱存在歪斜的物理缺陷，圖３是個別焊柱歪斜造成焊接后焊柱與焊盤對位偏差較大的Ｘ－ＲＡＹ圖片，這種缺陷若不進行相應的工藝處理，將嚴重影響產品的可靠性。
本文針對上述問題，以實際工程應用較多的ＸＩＬＩＮＸ公司ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７為例開展了高可靠性組裝工藝研究，并寄希望于給工藝實施提供一定的技術指導。
２ＣＣＧＡ封裝器件結構特點
ＣＣＧＡ封裝又稱圓柱焊料載體，是ＣＢＧＡ技術的擴展，ＣＢＧＡ是陶瓷球柵陣列的簡稱，圖４是ＣＢＧＡ焊端及焊接前后對比圖，其焊球為高鉛焊料，焊接過程焊料不熔化，在封裝基體以及ＰＣＢ焊端均使用焊料填充［４］。
常見的ＣＣＧＡ焊柱陣列有９０Ｐｂｌ０Ｓｎ和８０Ｐｂ２０Ｓｎ兩種，從目前市場應用情況看，進入中國市場的ＣＣＧＡ器件，以８０Ｐｂ２０Ｓｎ焊料居多，兩種焊柱均為高鉛焊柱，焊接過程焊料不熔化。圖７是兩種焊柱結構示意圖，其中９０Ｐｂｌ０Ｓｎ為鑄型柱結構，最早為ＩＢＭ公司產品而開發的；８０Ｐｂ２０Ｓｎ帶有銅纏帶，表面有６３Ｐｂ３７Ｓｎ焊料層，銅纏帶的加入會使焊柱在保證一定的強度的同時會具有一定的韌性。
ＣＣＧＡ焊柱還有一種叫微彈簧結構的封裝形式，見圖８。這種微彈簧焊柱結構最早是ＮＡＳＡ開發的。資料顯示，微彈簧焊柱能夠承受最大５００００ｇ的機械沖擊，這種帶有微彈簧焊柱的ＣＣＧＡ封裝器件目前在國內很少遇到。
３組裝可靠性試驗驗證
３.１試驗方案設計
選用ＸＱＲ２Ｖ３０００－ＣＧ７１７Ｍ器件作為試驗樣品，樣品數量３片，試驗項目包括：溫度循環、隨機振動、機械沖擊，其中１＃～３＃進行溫度循環試驗，取１＃樣品進行金相切片／ＳＥＭ分析；２＃～３＃進行隨機振動試驗，取２＃樣品進行金相切片／ＳＥＭ分析；３樹￥品進行機械沖擊試驗，然后進行金相切片／ＳＥＭ分析。器件外觀結構及尺寸件圖９。
３．２試驗條件
溫度循環按照ＩＰＣ－９７０１－ＴＣ５的有關要求，對試驗樣品進行溫度循環試驗，試驗條件如下：－５５°Ｃ？＋１００°Ｃ，髙低溫各停留10ｍｉｎ，溫變速率不小于１０°Ｃ／ｍｉｎ，試驗周期為２００個循環。隨機振動、機械沖擊按照表１和表２執行。
３．３ ＰＣＢ設計
根據所選ＣＣＧＡ器件（ＣＧ７１７）所用高鉛柱的尺寸和間距ｆＰＣＢ焊盤直徑設計為０．８mm，板厚為２mm，阻焊開窗０．９mm，共計１０層，PCB外圍尺寸為２４0mm×160mm；ＰＣＢ帶有菊花鏈路，每個ＣＣＧＡ封裝共設計６個通路，任意一個通路上的適當位置均以線路條的方式向外與測試孔相連，以判定故障通路的具體失效位置。當各個菊花鏈路通路的電阻值超出常態下電阻值的２０％時，即可判定菊花鏈路失效。如圖１０所示。
３．４組裝及焊接
３．４．１鉛柱陣列整形及預氧化處理
如前文所述，Ｐｂ８０／Ｓｎ２０鉛柱在周轉某環節中容易發生歪斜，若歪斜角度達到一定的限度，影響鉛柱與焊盤的對位，造成鉛柱相對于焊盤的偏移，嚴重情況下，焊接后焊柱周邊焊料填充不足，進而影響可靠性。與ＢＧＡ球柵陣列不同的是，柱柵陣列焊料的自對中效應有限，必須進行鉛柱矯正處理來保證焊接過程中ＣＣＧＡ高鉛柱的準直性。ＧＳＦＣ－ＳＴＤ－６００１對鉛柱植柱后的質量進行了界定，其中就有關于鉛柱歪斜允許角度的定義，具體為：
（１）在焊柱周邊至少有７５％的焊料覆蓋，并形成良好的潤濕角；
（２）單個鉛柱相對于其他鉛柱歪斜度不應超過５°；
（３）整排鉛柱歪斜角度不應超過１０°［３］。
高鉛柱在空氣中極易發生氧化，造成可焊性差、虛焊等可靠性隱患，因此在ＣＣＧＡ回流焊接前需對高鉛柱進行去氧化處理，達到氧化層去除和共面度優化的目的。使用精校工裝保證髙鉛柱在打磨過程中不會發生二次歪斜，將金相砂紙置于玻璃表面，將露出端部的高鉛柱在砂紙表面打磨，直至露出新鮮的表面。打磨過程中用去離子水進行冷卻，防止高鉛柱摩擦過熱發生組織形態轉變或二次氧化，去離子水還可保證所有高鉛柱處于同一電勢。
去氧化處理后，使用無水乙醇對高鉛柱進行清洗，去除高鉛柱表面殘留的多余物。清洗烘干處理后，使用放大鏡對高鉛柱進行逐根檢查，檢查內容包括：平整度、是否歪斜、氧化情況及是否存在變形等。圖１２是去氧化處理前后對比圖，可以看出，經過去氧化處理后，ＣＣＧＡ焊柱端面工藝性良好。
（未完待續）
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