军用短引脚陶瓷封装PGA装联工艺技术研究

军用短引脚陶瓷封装PGA装联工艺技术研究张艳鹏，王玉龙，张伟（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春，130033）摘要：在常规通孔插装器件焊接工艺的基础上，增加底风预热系统，实现军用短引脚陶瓷封装针栅阵列（CPGA）的高可靠性手工组装。以通孔透锡率和焊点气泡率为判据，探讨了底风预热系统、烙铁头选择以及助焊剂使用对焊点结构的影响规律，最终确定适用于短引脚CPGA的手工装联工艺技术。关键词：CPGA、底风预热、手工装联、透锡率、气泡率StudyofsolderingtechnologyofmilitaryshortleadceramicpingridarrayZhangYanpeng,WangYulong,Zhangwei(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)Abstract:Thehighreliabilitysolderingprocessofmilitaryshortleadceramicpingridarray(CPGA)wasachievedbyaddingbottomwindpre-heatingsystemonthebasisofnormalTHTsolderingtechnology.TheTHTfillingrateandvoidratewereusedastheinspectstandard,inordertoinvestigatetheinfluenceofpre-heatingsystem,solderingironheadandfluxonTHTsolderjointstructure.ThesuitablehandsolderingtechnologyfortheshortlendCPGAwasdeterminedfinally.Keywords：CPGA,Bottomwindpre-heating,Handsoldering,Fillingrate,voidrate引言DSP为数字信号处理DigitalSignalProcessing/Processor的英文缩写，是一门通过数字运算方式实现信号分析、提取和转换等处理的强劲发展学科[1-2]。在数字信号处理方面的优势使DSP在航空航天、军用装备、自动控制、仪器仪表等领域均得到广泛应用[3-6]。DSP的主要封装类型包括四面扁平封装（QFP）、球栅阵列封装（BGA）和针栅阵列封装（PGA），针栅阵列封装相对于QFP和BGA封装具有装联和拆卸方便，且通孔插装（THT）焊点的可靠性优于表面贴装焊点，使得针栅阵列封装DSP成为科研工作者进行高可靠性信号处理设计的首选封装形式。硅基芯片的热膨胀系数（CTE）约为3×10-6/℃，塑料基板CTE为（18-20）×10-6/℃，CTE的较大差异易造成芯片与塑料基板之间的焊点疲劳断裂，热致应变与芯片尺寸大小成正比，因此大尺寸器件的疲劳失效表现地尤为明显。而高温共烧Al2O3陶瓷材料CTE为6.6×10-6/℃，与芯片较为接近，可明显改善芯片与基体之间连接的耐疲劳性能，这也是宇航级元器件均要求采用陶瓷封装的主要原因，保证器件内部可靠性的前提下，完成器件密封和提高热耗散效率。但陶瓷基板与印制电路板之间的CTE不匹配同样带来外部焊点可靠性隐患，研究发现将陶瓷基板与PCB板之间的连接方式更改为焊柱[7]或金属针，焊柱或金属针的弯曲可有效释放由于CTE不匹配而造成的热致应力，提高焊点可靠性。加之宇航级器件对高主频及高运算速度设计的要求，因此陶瓷封装针栅阵列（CPGA）DSP已在宇航设备高速信号处理方面不可或缺。但随着运算速度和频率的逐步增加，印制电路板设计也越来越复杂，导致CPGA在装联过程中主要存在以下问题：（1）某些CPGA引脚长度过短，相对于较厚的印制板，引脚在印制板焊接面无法满足1.5±0.8mm的标准要求，存在可靠性隐患；（2）印制板内层敷铜面积较大或层数较多，导致器件在焊接过程中通孔透锡不良，引脚较短造成引脚对熔融焊锡的引流润湿能力下降，进一步增加透锡难度；（3）较大尺寸的陶瓷基体热容量和热传导速率大，靠近引脚根部温度较低，可能无法满足钎料与引脚之间完全润湿所要求的最低温度；（4）器件焊接过程中通孔透锡率无法直接目视检查，需借助X光机进行观察，给检验带来一定难度。所以这种短引脚CPGA的装联方式亟需解决，针对此种封装形式的装联工艺亦无相关文献报道。本文针对德州仪器公司开发的SMJ32C6416DGADW60型宇航级CPGA，开展相关研究，更改工艺方法，最终提出能够满足其可靠性要求的装联方法。1试验方法本试验所用芯片为德州仪器公司的SMJ32C6416DGADW60，其外形尺寸为33×33mm，针状阵列共570脚，引脚长度和直径分别为2.0mm和0.356mm；所用印制电路板厚度为2.2mm，总层数14层，内部敷铜层数为4层，安装孔内径为0.61mm，器件距离安装面0.2mm抬高后，焊接面引脚不露头。焊接采用美国OK公司MX500温控烙铁，配置137和837烙铁头。底风预热系统为美国OK公司PCT-1000，采用手动模式，并在器件顶端粘贴热电偶，以实时监控器件本体温度，避免器件过热受损。底风预热系统如图1所示。图1底风预热系统示意图通孔插装焊点的检验借助phoenixmicroX型X光机进行检验，通过阴影区的面积和和灰度对比判断通孔的透锡率和气泡率。2试验结果与分析为了验证烙铁头型号、底风预热和助焊剂对DSP通孔插装焊点的影响规律，设计的对比试验如表1所示。不同型号烙铁头所能达到的最高温度也不同，可根据以下公式进行计算：953210TT热风CPGAPCB其中：T0为烙铁头所能达到的摄氏温度；T1为烙铁头所属温度系列，即华氏温度。经计算137烙铁头所能达到的最高温度为371℃，837烙铁头所能达到的最高温度为426℃。表1对比试验列表试验编号烙铁头型号温度系列底风预热（175℃）助焊剂（松香）1#137700×√2#137700√√3#137700√×4#837800√√图2所示为将DSP四角固定，涂抹松香助焊剂后直接使用137烙铁头焊接（1#）所得通孔插装焊点的X光图片，图中浅灰色区域为印制电路板通孔和器件引脚对X光的吸收遮挡所致，深灰色区域是由于X射线对焊锡的透过率较低，因此可以根据颜色不同判断焊锡在通孔内部的填充率。器件中央和四角部位焊点呈“胶囊”状，大部分通孔透锡率达到100%，但个别焊点填充率在50%左右，不能满足至少为75%的标准要求。焊点透锡不良的主要原因如下：（1）印制电路板层数为14层，其中4层为敷铜层，使得印制电路板热容量较大，导致器件焊接过程中热量供给不足，从而造成通孔透锡不良；（2）器件引脚在PCB焊接侧未露头造成引脚对熔融焊锡的引流润湿能力下降，进一步增加透锡难度；（3）器件引脚与通孔之间通过热传导进行热量传递效率远低于利用熔融钎料形成的热桥对引脚加热作用，较低的引脚温度不利于熔融钎料引流；（4）靠近陶瓷基体引脚根部由于陶瓷基体热容量和热传导速率大，使得安装面附近通孔温度满足钎料与引脚之间完全润湿所要求的最低温度，最终导致焊点透锡不良。焊点呈“胶囊”状是因为焊接侧器件引脚未露头，焊锡在表面张力作用下在通孔顶部形成球面所致。图2涂抹助焊剂后137烙铁头直接焊接所得焊点X光照片（1#）图3所示为印制电路板安装面增加底风预热系统，涂抹松香助焊剂后使用137烙铁头焊接（2#）所得焊点的X光照片，所有焊点的透锡率均达到100%，说明增加预热环节可有效提高焊点的透锡率，图中所示填充率只有50%左右的通孔是由于通孔间距较小，焊接过程中烙铁头触碰到临近通孔所致。底风预热系统设置的热风温度为175℃，器件本体在热风作用下所能达到的最高温度为105℃左右，这一温度补偿能够有效缓解由于电路板敷铜或陶瓷基体散热造成的焊接热量供给不足问题，从而改善焊点的透锡率。但焊点内部气泡较多，可能是有由于助焊剂在焊接过程中挥发不充分，气体直接被焊锡包裹所致。图3底风预热后，137烙铁头焊接所得焊点X光图片（2#）为了验证焊点内气泡是否由于使用助焊剂所致，在2#样品试验条件的基础上，不进行涂抹松香助焊剂的操作，焊接后所得焊点的X光图片如图4所示。焊点在保证100%透锡率的基础上气泡率明显降低，所选的几个试验焊点内部基本观察不到气泡的存在，这也说明焊锡内部自带助焊剂完全满足去除氧化和防止再氧化的要求，能够得到气泡率较低的焊点结构。图4不涂抹助焊剂，直接利用焊锡丝自带助焊剂进行焊接所得焊点X光图片（3#）提高热量供给的另外一种方法就是提高烙铁头温度，图5所示为使用837烙铁头所得焊点的X光照片，所有焊点的透锡率均达到100%，且在同等条件下焊点内部气泡率明显低于137烙铁头焊接所得焊点。这是因为837烙铁头所能达到的最高温度为426℃，能够有效补偿焊接过程中的热量损失，从而提高透锡率，较高的焊接温度能够加速助焊剂活化并与氧化物等反应产生气体的挥发，并且能够提高熔融焊锡内部包裹气泡的内压力，从而加速气泡的溢出，降低气泡率。但温度过高可能导致焊接面侧焊盘过热受损，因此在操作过程中不建议采用837烙铁头，以保证通孔和焊盘的可靠性。图5837烙铁头焊接所得焊点X光图片（4#）3结论本文针对短引脚陶瓷封装PGA开展了4组对比试验，涂抹松香助焊剂后直接使用137烙铁头进行焊接所得部分通孔焊锡填充率只有50%，不能满足标准要求。增加底风预热系统，保持器件本体温度为105℃，使用137烙铁头焊接所得焊点透锡率全部达到100%，但由于松香助焊剂的使用，焊点内部气泡率较高；不进行助焊剂涂抹操作，焊点气泡率得到明显改善，可得到满足可靠性要求的焊点结构。使用837烙铁头也能提高焊点透锡率并改善气泡率，但过高的焊接温度可能对焊接面造成过热损坏，存在可靠性隐患。参考文献[1]刘辉，葛生燕，钟武.现代DSP技术的应用与分析.科技信息，2010，第19期[2]孟逄逄，蒋建国.DSP技术的应用于发展.微处理机，2000,3:1-4[3]魏然，曹鲁英，陶礼炫，王迪，胡振宇.深空探测电子设备低等级DSP升级筛选方法.电子产品可靠性与环境试验，31,2013：15-18[4]马仁政，陈明凯.DSP技术在工业控制的应用.厦门大学学报（自然科学版），2001，40:153-156[5]何毅.一种基于DSP+ARM的电厂多通道热工监测与自动控制系统.电力科学与技术学报，2007，22:58-62[6]张军，赵静.DSP芯片的特点及其应用.现代电子技术.2001，11:79-81[7]MARIES.Areaarraypackaginghandbook[M].USA:McGraw-Hill,2004:556-574作者简介：张艳鹏，男，助理研究员，毕业于哈尔滨工业大学，现就职于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，主要进行电子装联工艺研究联系电话：[phone]地址：长春市经济技术开发区营口路577号，邮编130033