陶瓷柱栅阵列封装器件高可靠性植柱工艺技巧

翟海艳，何秀芳，郭世姣，侯贵文，王 辉

(中国空间技术院西安分院，西安 710000)

0 引言

目前，陶瓷柱栅阵列封装(ceramic colum grid array，CCGA)从封装形式上柱栅取代了球栅[1-4]，CCGA植柱研究在国内还不太成熟，问题器件如果直接返回专业厂商重新植柱成本较高，可行性差，现阶段也没有经返修的CCGA成功在航天领域应用[5]，本文主要针对航天产品使用最多的CCGA717器件进行试验，植柱工艺难点主要包含以下两个方面：残留在器件焊盘的焊柱清理困难，清理过程中很容易对器件焊盘造成损伤；国内对于这方面研究较早的单位植柱共面性也始终无法绝对控制在±0.1 mm以内，且无法提供单件返修植柱的服务[6]。焊柱在焊盘上的位置偏差控制在±20 μm以内也很难做到，工艺实现难度大。

将CCGA器件解焊后进行返修植柱，重新组装用于产品中，对产品的研制进度将不再会产生明显的影响，对于减少浪费，降低成本也大有益处，具有很大的现实意义与实用价值。因此有必要对CCGA返修植柱工艺的可靠性进行深入的研究，获得充分的理论依据，使CCGA返修植柱技术在航天领域中获得应用[7]。那么提高CCGA器件的植柱效率以及植柱的可操作性、可靠性，是我们必须要面对和解决的问题。

1 关键技术、技术难点

本文的技术难点在于高精度植柱工装的设计与机械加工。CCGA器件的焊柱直径仅有0.51 mm，而长度为2.21 mm，CCGA717器件上包含717根焊柱，焊柱中心间距为1.27 mm。如何设计方便易操作的工装结构，固定元器件本体和717根焊柱并使其相互对准，是难点所在。

高精度的植柱工装设计由上下两部分组成。下工装用于固定器件本体，上工装用于固定所有的焊柱，通过位于上下工装上的4个定位孔径装入定位销，实现上下工装的对准。本文设计的工装能够将所有焊柱的位置偏差控制在±20 μm以内。同时所设计的在焊点上部区域预留了0.6 mm高度的空间，这样能够确保工装不影响到焊点的自由外观形态，如图1所示。

图1 植柱工装局部细节剖面图Fig.1 Sectional view of the local detail of the planting column tooling

设计时所有的焊柱上端面与植柱工装上表面位于同一水平面上，这就为控制焊柱端面的平面度提供了有利条件。

通过多次计算、设计及反复试验，结合植柱过程中各种环境的参数对工装选材的影响，最终将工装的材质定为石墨。如果工装选用钢或者铝其热膨胀系数太高，在使用工装对CCGA器件进行焊接时工装受热容易变形，会导致CCGA器件焊柱变形，焊柱对位精度不准，植柱可靠性及合格率降低。工装选材时的一些主要参数比对如表1所列。

表1 工装选材比对参数表

经过相关的植柱试验，该工装可以满足使用要求。植柱工装实物如图2所示。

图2 植柱工装实物照片Fig.2 Physical photos of planting column tooling

2 植柱

CCGA器件植柱工艺流程如图3所示。

图3 植柱工艺试验流程Fig.3 Process test flow of planting column

2.1 CCGA器件准备

从PCB板上拆卸下的CCGA器件，其焊盘上残留有大量的高铅焊柱[8]，在开始植柱前必须将焊盘上的残留物进行彻底清理，如图4所示。

图4 需要清理的CCGA器件Fig.4 CCGA device to be cleaned

80Pb20Sn的熔点要显著高于锡铅共晶焊料，所以在清除残留物时一定要注意烙铁温度(310 ℃～328 ℃左右)、清除时间(2～3 s)、次数(不能超过3次)，以免对焊盘造成损伤。本文采用逐行去除法清除器件焊盘上残留的焊柱及多余焊锡。使用吸锡绳和烙铁进行清理，将清理的CCGA器件置于工装上，涂抹助焊剂。烙铁放在吸锡绳上待器件上的锡完全熔融后逐行轻轻的拖动吸锡绳，直至CCGA器件焊盘上的残留焊柱、多余焊锡全部清除干净，并使用半干的无水乙醇无纺布将焊盘擦洗干净。对器件焊盘在15倍显微镜下进行目视检查，焊盘应无损伤，器件焊盘以外的陶瓷本体上应无多余的锡渣残留，如图5所示。

图5 CCGA器件焊盘清理过程Fig.5 CCGA device pad cleaning process

2.2 焊膏印刷

CCGA焊柱与本体之间的焊点由锡铅共晶钎料构成，在植柱焊接之前涂覆焊膏量的多少将决定植柱后焊点形态是否优良，如图6所示。根据大量试验结合工作实际使用较为统一的数据，漏板厚度设计为6 mil(0.15 mm)，开孔尺寸确定为0.8 mm。

图6 植柱前涂覆的焊膏示意图Fig.6 Schematic diagram of solder paste coated before planting column

在器件焊盘上印刷焊锡膏，采用漏板手工印刷焊膏，将合适的漏板放于器件上与器件焊盘100%对齐；左手固定好漏板，右手用刮刀粘上合适的焊膏(冰箱中取出，在室温下自然回温4小时左右搅拌后的焊膏[9])开始印刷焊膏，刮刀和印制板成45度角印刷，均匀用力，刮刀匀速运动，一次印刷。要求焊膏图形厚度均匀一致性好，厚薄均匀。图形边缘清晰、无塌边、无桥连、无玷污、无漏印，焊膏图形表面平整，无凹凸现象，焊盘图形周围无多余焊膏残留。栅阵列封装器件焊盘要求在20～45倍放大镜下检查印刷图形。印刷合格的器件外观如图7所示。

图7 印刷后合格的焊膏图形外观Fig.7 Graphic appearance of qualified solder after printing

2.3 装入工装

将CCGA器件放入下工装的凹槽内，并将上工装扣在下工装上，依次安装四个定位销，如图8所示。此后所有的转移操作都必须保持植柱工装水平，不得进行倾斜、翻转等。

图8 器件装入工装后Fig.8 After the device is loaded into the tooling

所有使用的焊柱，在组装前应进行检查，避免使用存在外观损伤和过短异常的焊柱，确保焊柱的完整性及共面一致性。使用镊子将高铅焊柱逐一装入定位孔内，并保证所有的焊柱另一端与焊膏相接触，如图9所示。

图9 焊柱安装过程Fig.9 Installation process of welding column

所有焊柱安装完成后，检查有无焊柱漏装情况。之后，将一片平整的薄陶瓷片覆盖在焊柱装配区域，如图10所示。

图10 陶瓷片需覆盖焊柱装配区域Fig.10 Ceramic sheet shall be covered with welding column assembly area

2.4 器件焊接

将植柱工装水平转移至真空载体焊接设备中进行器件焊接，使用压块将设备的测温热电偶压实固定至植柱工装的上表面，以实时监测焊接温度，如图11所示。

图11 热偶固定于植柱工装的上表面Fig.11 The thermocouple is fixed to the upper surface of the planting column tooling

焊接完成后轻轻拆开植柱工装，依次转动工装，用手缓慢的将CCGA器件从植柱工装中取出。

2.5 水清洗

将植柱后的CCGA器件进行固定后在全自动水清洗机中进行清洗，以去除残留的助焊剂。清洗过程中需要将CCGA器件进行固定，以防止在高压水流冲洗作用下器件发生移位，而碰伤焊柱。焊柱向上放置于清洗工装的凹槽内，并使用金属夹子将工装边缘在水清洗机的栏架上进行临时性固定，如图12所示。然后运行清洗程序进行水清洗，首先用55 ℃的溶剂清洗10分钟；再用45 ℃的纯水漂洗，待程序检测清洁度阻值大于500 kΩ时停止漂洗；最后进行20分钟50 ℃的烘干。最终清洗效果如图13所示。

图12 器件水清洗图Fig.12 Device water cleaning diagram

图13 CCGA器件清洗前后Fig.13 CCGA device before and after cleaning

2.6 外观检验

外观检验内容包括以下5方面：

1)焊柱与器件之间的焊点光滑完整，焊料100%包覆焊柱端部；

2)植柱后不得存在焊柱缺失的情况；

3)植柱后不得存在焊柱偏出CCGA器件焊盘的情况，要求焊柱行列间距均匀一致；

4)植柱后焊柱末端所构成的平面，其表面轮廓度不大于0.15 mm，即偏差最大的焊柱不能超过上述平面±0.15 mm；

5)所有焊柱位置排列均匀一致，不得存在弯曲的现象，焊柱倾斜度不得大于5°[10]。检验合格后的CCGA器件如图14所示。 焊锡偏少的可接受焊点如图15所示。

图14 植柱合格的CCGA器件Fig.14 CCGA device with qualified column planting

图15 可接受的焊点Fig.15 Acceptable solder joint

3 结论

本文通过对CCGA植柱专用工装、载体焊接设备的设计，成功实现了CCGA器件的植柱，并对样件进行了相关检测和试验验证。分析试验结果可知，重新植柱的CCGA器件焊点满足产品性能要求，可证明本文制定的CCGA器件手工植柱的可行性。目前，CCGA器件手工植柱已经应用于实际生产过程中，现阶段已经在初样、鉴定件中进行推广使用，对于正样产品上拆除的CCGA器件，可以进行重新植柱后组装于初样、鉴定件产品中。待积累大量成功案例后，再向正样产品中进行推广。CCGA器件手工植柱的广泛应用，为减少浪费，降低产品成本奠定了坚实的基础。