机载恶劣环境下BGA芯片应用研究

李乔杨

摘 要：当前军用飞机的性能提高对机载计算机性能提出了更高的要求，为了提高性能、增加集成度，BGA芯片在机载领域应用非常广泛。在机载恶劣环境中长时间使用，BGA芯片脱焊问题不断出现，严重影响到产品的可靠性。本文对机载计算机中BGA芯片应用进行研究，以某型飞机任务计算机为例进行对比试验，并最终给出应用建议。

关键词：BGA芯片、陶瓷封装、散热

1引言

当前军用飞机的功能日益增多，飞机性能不断增强，机载计算机作为现代飞机的重要组成部分，要求其性能不断提高，计算机的集成度逐渐增加。随着微电子技术发展，单个芯片的IC数量呈爆炸性增长。与此同时，为了获得高集成度，在芯片封装领域BGA元件具有IO数量众多，信号传输路径短，信号衰减小的特点，在集成度增加的同时BGA元件拥有更小的体积，更好地散热性能和电性能。为了增加计算机的集成度，BGA封装芯片已成为机载计算机工程师共同的选择。

机载计算机属于恶劣环境计算机，其工作环境苛刻，可靠性要求高。BGA元件是一种温度和湿度敏感器件，对焊点的可靠性要求严格，出现故障后，维修起来比较困难。BGA元件在恶劣环境使用易发生脱焊、鼓包等失效情况。本文已某型任务显控计算机中处理器模块为例，对机载恶劣环境中BGA芯片应用进行研究。

2 事例概述

该处理器模块包括两个独立的处理节点，主节点和从节点。每个处理节点采用一片PC7447A处理器芯片和一片Tsi109-200IL桥接器芯片（D3、D4）组成核心电路，两个处理节点通过PCI总线进行互联，主单元作为PCI总线的主设备完成PCI总线的初始化和仲裁。VME总线的主控制器Tsi148芯片和MBI子卡通过连接在PCI总线上，该模块作为整机中VME总线的主控制器，在系统中负责飞机任务管理和数据计算功能。模块见图1。

通过对故障模块电装工艺流程、器件烘烤、焊盘尺寸、印刷网板、焊接温度清查，以及不同模块工艺、动力学仿真和热仿真对比分析，故障模块维修清查等几个方面的清查和分析，最终确认芯片脱焊的原因是：Tsi109-200IL为工业级塑封器件，长期在恶劣环境下受到热应力影响，由于塑封器件自身散热效果不好导致脱焊。

3情况分析

Tsi109-200IL为工业级塑封器件，最高工作温度85℃，芯片尺寸为33mm*33mm，芯片底部为1023个低铅焊球阵列。CPU模块为VME规范标准6U设计，整板最大功耗为35W。该模块产品功耗大，塑封芯片散热能力弱，芯片附近易产生热堆积。对模块进行实时工作温度测量，该桥接器芯片最高温度达到82.9℃，该数值已接近工业级芯片可承受上限。长时间使用易导致焊点疲劳脱焊。

飞机系统环境无法改变，解决问题需要模块芯片具有良好的散热能力和较强的环境适应性。传统陶瓷封装芯片虽能解决以上两点问题，但陶瓷封装材料与PCB基材热膨胀系数（TCE）相差较大，普通陶瓷TCE为6.8ppm/℃，FR4材料TCE为11-15ppm/℃。长期使用容易发生热应力导致的芯片脱焊问题。

因此需要其热膨胀系数与PCB相近，具有良好的散热能力和较强的环境适应性的芯片。HITCE陶瓷封装芯片可以满足要求。

通常的陶瓷管壳包括氧化铝和陶瓷材料，HITCE封装中则额外包含了高热膨胀率的HITCE LTCC材料，HITCE封装的目的即是为了解决二次封装热膨胀系数不匹配带来的可靠性问题，同时又不失掉陶瓷封装散热好的优良特性。

PC109MGH200LZH8为HITCE陶瓷封装。通过对比分析，PC109MGH200LZH8和Tsi109-200IL（Y）在功能方面完全相同，质量等级方面高于Tsi109-200IL（Y），从器件资料审核该芯片可原位替代。

因此采用PC109MGH200LZH8替换Tsi109-200IL（Y），进行对比试验验证。

4 试验验证

4.1试验内容：

试验验证的目的是验证替代芯片在温度循环、低温工作、高温储存、高温工作、温度冲击、功能振动、耐久振动等环境试验中功能是否满足产品的要求。

试验选取2块焊接陶封109芯片的模块和2块焊接塑封109芯片的模块，4个模块共使用8枚芯片在相同环境中，同步进行试验。试验项目见表1。

4.2 试验结果：

两块焊接陶封109芯片的模块以及一块焊接塑封109芯片的模块顺利完成试验，无任何故障。另外一块焊接塑封109芯片的模块在完成温度冲击试验后出现故障，经故障排查定位，确认该模块上D3位置桥接芯片TSI109-200IL脱焊。

5 结论：

通过验证试验可以看出在恶劣环境中，塑封BGA芯片虽然与PCB的热适配性较好，但由于其较弱的散热能力和对恶劣环境耐受力较弱，长时间使用易出现焊点脱焊等故障。HITCE陶瓷封装芯片具有散熱能力出众，环境适应性好的特点，解决了普通陶瓷封装芯片热膨胀系数不匹配带来的可靠性问题，适合恶劣环境使用。最终的对比试验结果说明相对于普通陶封BGA芯片和塑封BGA芯片， HITCE陶瓷封装芯片适合在恶劣环境中使用。