CCGA焊接故障分析及可靠性研究
摘 要：陶瓷封装柱栅阵列器件（CCGA）具有互联密度高、电热性能优异以及内部连通性好等特点，加之其可实现很多逻辑和微处理功能，已广泛应用于许多领域。结合实际应用，简要介绍了CCGA的器件结构和焊接难点，详细论述了CCGA器件焊接的相关问题及过程控制，提出了改善CCGA组装质量的工艺方法，可供研究和从事CCGA器件焊接的工程技术人员借鉴或参考。
关键词：陶瓷柱栅阵列器件；CCGA；组装工艺；焊接；可靠性
陶瓷柱栅阵列器件（CCGA）不仅是多功能和高I/O端口器件，而且具有耐高温、耐高压和高可靠性等特点，已广泛应用于军事、航空和航天领域[1-4]。然而，随着CCGA器件的使用，随之也带来许多工艺技术问题。由于CCGA具有特殊的封装结构，所有器件焊点全部隐藏在器件本体下面，焊点可视性差，且焊点数量多和间距小，使其焊接过程的控制、缺陷检测以及失效分析都比较困难。另外，在产品使用过程中，CCGA焊点既要承担电气连接还要承担机械连接，焊点的可靠性十分重要。因此分析焊点失效原因和保证焊点可靠性，已经成为CCGA可靠焊接的关键。
本文基于实际应用，简述了CCGA的结构特征和组装难点，详细分析和讨论了失效案例，提出了改善CCGA组装质量的工艺方法。
1 CCGA器件结构
1.1 外形结构
CCGA器件作为多层陶瓷封装的高性能器件，通常在陶瓷基板顶部放置电路芯片，器件底部是高铅焊柱。焊柱与器件基板的I/O端口焊盘均通过63Sn/37Pb低熔点共晶焊料进行焊接，基板与印制板之间的支撑距离由器件实际的焊柱高度决定，如图1所示。
1.2 焊柱成分及结构
目前CCGA焊柱主要有两种形式：一种是成分为80Pb/20Sn的焊柱，表面缠绕螺旋铜带；另一种是成分为90Pb/10Sn的焊柱，如图2所示。两种均属于焊柱类型，焊柱与器件本体和焊盘通过共晶焊料进行连接。
1.3 组装关键技术
当前产品用CCGA器件多以CG717、CF1140两种封装形式为主，其中CG717为80Pb/20Sn焊柱；CF1140为90Pb/10Sn焊柱，如图3所示。
从图3可以看出，CCGA作为高密度I/O的细间距器件，其特点和组装关键技术如下：
1）CCGA器件有几百甚至上千根焊柱（717根或1 140根），焊柱数量大，焊柱高度、直径和间距都比较小，焊接难度大。
2）CCGA器件的焊柱材料为铅锡合金90Pb10Sn或80Pb20Sn，具有柔性大和易弯曲等特点。焊柱弯曲过大，会造成焊柱损坏，导致器件失效报废。
3）CCGA器件引脚数量大，引脚共面性要求高，且共面性很难检查、控制与纠正，不良共面性将直接造成器件的焊接可靠性下降。
4）CCGA器件焊柱材料为铅锡合金，长时间存储易发生引脚氧化，导致元器件引脚可焊性差，焊接可靠性难以保证。
鉴于焊柱位于器件底部，后续检验可视性差，必须仔细分析组装过程中出现的问题，并严格控制工艺过程，以确保器件可靠焊接。
2 焊点故障分析
2.1 焊点空洞
焊点空洞对CCGA器件的焊接可靠性影响很大，可通过X-RAY进行检验与识别。以某产品中使用的CCGA器件为例，在焊接后发现引脚与焊盘连接处存在的焊接空洞面积超出工艺要求，致使此器件降级使用。焊接空洞的X射线照片如图4所示。
焊接温度曲线设计不合理、焊膏选择与焊膏用量不合适等都是造成空洞出现的主要原因[5]。这是由于在焊接过程中，焊膏中存在的助剂和助焊剂等需要挥发与释放，不适当的温度设置与温区设置将影响挥发效果，进而形成空洞。同时所选择焊膏的助焊剂含量，使用过程中的涂覆量也将导致空洞的出现。要解决焊点空洞问题，必须选择合适的焊膏及其用量，并规范设置焊接温度曲线。
2.2 焊柱偏移
焊柱偏移也可通过X-RAY进行判断，但是其修复难度及对焊接可靠性的影响远超空洞。按照ECSS和NASA标准对焊柱的偏移和弯曲要求[6-7]，未组装的CCGA器件柱列倾斜度不应大于5°，超出此要求的器件应报废处理；焊接完成后的最大柱列弯曲限度为10°，超出此范围的焊接应确认为不良焊接。以某产品组装的CCGA为例，出现焊接后柱列偏离焊盘，造成器件拆除并降级使用，如图5所示。
焊柱发生偏移的原因除了器件本体焊柱偏移之外，最重要的原因是器件焊柱的可焊性。器件引脚可焊性差，在使用Sn63/Pb37焊料进行焊柱与器件本体和印制板焊盘的焊接过程中，即在高温焊料熔融和低温冷却过程中，不可避免地会发生柱列偏移。要解决焊柱偏移问题，必须在焊接前确保焊柱的垂直度和可焊性。
2.3 虚焊焊点
与空洞和焊柱偏移不同，虚焊是CCGA器件使用过程中经常发生并且不可视和难定位的故障。此种故障用X-RAY检测、焊点侧视图检测等均不能直观发现，只能在后续电气功能测试时发现，返修极为困难，降低了产品可靠性。以某产品组装的CCGA为例，在使用中出现局部引脚焊接不良（虚焊），通断不定，如图6所示。
虚焊故障的现象为焊点接触不良，如焊点润湿角不良、焊点边缘不平滑等。
3 CCGA的可靠焊接
3.1 规范焊盘设计
实现CCGA器件的高可靠焊接，首先要解决的问题是PCB焊盘设计。对于CCGA器件而言，由于柱列数目过多、柱列间距过窄等，通常采用“狗骨头”形焊盘设计，一般CCGA器件的焊盘设计最小尺寸应为焊柱直径的120%，如图7所示。
除焊盘形状与尺寸是重要参数外，焊盘结构也是影响焊点可靠性的关键因素。对于CCGA器件而言，推荐采用非阻焊限定（NSMD）设计，如图8所示。NSMD焊盘设计为阻焊层与焊盘之间留有一定距离，铜焊盘直径易控制，热风整平表面光滑且平整，焊点应力集中较小，提高焊点可靠性，增加了焊点温度循环寿命。
3.2 规范器件装联前检查与处理
必须确保器件来料的可靠性。由于CCGA器件采购周期长，且需经过筛选等步骤，因此CCGA器件在组装前必须进行仔细检查。
1）CCGA器件本体应无损坏，器件本体焊点质量良好，焊料润湿器件本体焊盘应呈100%圆角；
2）CCGA焊柱应无缺失、断裂等现象，焊柱排列矩阵整齐并应符合图纸要求，一般单根焊柱倾斜度应小于5°；
3）CCGA焊柱表面焊料应完全浸润并覆盖焊柱本体，焊柱应光亮，焊柱浸锡层应无裂纹、无严重锈蚀和无氧化等现象；
4）CCGA焊柱表面缠绕铜带应无起翘、脱落等现象，焊柱焊接端面形貌应平整，无过大凹坑（或孔洞）出现。
如出现任何不符合情况，均应及时处理，如无法处理应更换器件。CCGA合格焊柱如图9所示。
3.3 规范焊膏印刷及器件贴装
在CCGA焊接过程中，焊膏印刷工艺参数的确定对焊接质量和焊接可靠性有重要影响。焊膏应用不仅能弥补CCGA器件在Z轴方向上的误差，同时还能保证焊点有足够的强度[8-9]。焊膏量少，不能弥补器件Z轴误差，也会影响焊点强度，严重情况下，在温度交变过程中，器件引脚与焊点处会出现开裂；焊膏量多，焊点易出现桥连，导致焊接失败。
NASA对CCGA器件的柱列共面性误差提出了要求。IBM相关标准也给出了建议的焊膏用量。因此焊膏厚度应综合器件本体的共面性误差和焊膏有效用量进行设置，一般CCGA的模板设计厚度为0.15～0.18mm。在焊膏印刷后和器件贴装后要进行印刷质量检验和贴装质量检验，确保焊膏印刷和器件贴装满足标准要求，如图10所示。
3.4 焊接温度设置
焊接温度曲线设置是CCGA可靠焊接的核心，器件的焊柱合金与焊膏进行熔融扩散焊接的时间和温度十分重要，较佳的再流焊温度曲线参数是实现CCGA良好焊接的关键所在。CCGA器件焊接温度曲线参照焊膏的推荐曲线进行设置，同时也要兼顾考虑CCGA器件特征。综合相关标准和焊膏曲线要求设置焊接温度曲线[10]，当前采用的真空汽相焊接设备的焊接温度曲线如图11所示。
从温度曲线可以看出，共有三条温度曲线即三个测温点，这是考虑CCGA器件属于大热容陶瓷封装，器件周围焊点与中心焊点的温度有差异，因此在进行测量时测试了器件外围焊点和中心焊点。采用真空汽相焊接方式，通过阶梯注入汽相液和抽真空方式，调整汽相液的汽化量，来调节整板不同热容点的曲线升温趋势，将温度曲线均匀拟合一致，并满足CCGA器件的焊接要求，最终的最高峰值温度225 ℃。
3.5 焊接后检验
经过真空汽相焊接后，采用KH-7700光学检测和高清X-RAY无损形貌检测进行焊点检验，如图12和图13所示。经KH-7700检验，柱列外围可视焊点应边界清晰、无脱焊现象，焊柱之间无多余物残留和污染物，且焊点处应有圆角形成，圆角围绕柱列四周至少占75%，柱列上应无焊料不润湿或焊料缺失现象。通过光束透光原理检查器件内部焊点，每排每列焊点都能透光，焊点无桥连现象。柱列无缺失和无偏斜短接，最大可接受倾斜度不超过10°。
采用X-RAY光学探测仪进行检测，焊点形貌清晰完整，无桥连，且柱列无缺失、无偏斜和无短接；焊点轮廓清楚，助焊剂残渣或金属多余物（如锡珠）造成的两个相邻I/O焊盘间隙减少应小于50%；焊点内最大气孔直径小于0.15 mm，且气孔总面积小于焊点总面积的25%。
4 结束语
由于CCGA器件具有特殊的封装结构，其高可靠性组装面临严峻的挑战。本文结合实际应用，从CCGA器件结构和特殊性出发，详细论述了CCGA器件焊接的相关问题及过程控制，提出了改善CCGA组装质量的工艺方法，可供研究和从事CCGA器件焊接的工程技术人员借鉴或参考。
（end）