陶瓷柱柵陣列封裝器件高可靠性植柱工藝技巧

翟海艷，何秀芳，郭世姣，侯貴文，王 輝

(中國空間技術院西安分院，西安 710000)

0 引言

目前，陶瓷柱柵陣列封裝(ceramic colum grid array，CCGA)從封裝形式上柱柵取代了球柵[1-4]，CCGA植柱研究在國內還不太成熟，問題器件如果直接返回專業(yè)廠商重新植柱成本較高，可行性差，現(xiàn)階段也沒有經返修的CCGA成功在航天領域應用[5]，本文主要針對航天產品使用最多的CCGA717器件進行試驗，植柱工藝難點主要包含以下兩個方面：殘留在器件焊盤的焊柱清理困難，清理過程中很容易對器件焊盤造成損傷；國內對于這方面研究較早的單位植柱共面性也始終無法絕對控制在±0.1 mm以內，且無法提供單件返修植柱的服務[6]。焊柱在焊盤上的位置偏差控制在±20 μm以內也很難做到，工藝實現(xiàn)難度大。

將CCGA器件解焊后進行返修植柱，重新組裝用于產品中，對產品的研制進度將不再會產生明顯的影響，對于減少浪費，降低成本也大有益處，具有很大的現(xiàn)實意義與實用價值。因此有必要對CCGA返修植柱工藝的可靠性進行深入的研究，獲得充分的理論依據(jù)，使CCGA返修植柱技術在航天領域中獲得應用[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，是我們必須要面對和解決的問題。

1 關鍵技術、技術難點

本文的技術難點在于高精度植柱工裝的設計與機械加工。CCGA器件的焊柱直徑僅有0.51 mm，而長度為2.21 mm，CCGA717器件上包含717根焊柱，焊柱中心間距為1.27 mm。如何設計方便易操作的工裝結構，固定元器件本體和717根焊柱并使其相互對準，是難點所在。

高精度的植柱工裝設計由上下兩部分組成。下工裝用于固定器件本體，上工裝用于固定所有的焊柱，通過位于上下工裝上的4個定位孔徑裝入定位銷，實現(xiàn)上下工裝的對準。本文設計的工裝能夠將所有焊柱的位置偏差控制在±20 μm以內。同時所設計的在焊點上部區(qū)域預留了0.6 mm高度的空間，這樣能夠確保工裝不影響到焊點的自由外觀形態(tài)，如圖1所示。

圖1 植柱工裝局部細節(jié)剖面圖Fig.1 Sectional view of the local detail of the planting column tooling

設計時所有的焊柱上端面與植柱工裝上表面位于同一水平面上，這就為控制焊柱端面的平面度提供了有利條件。

通過多次計算、設計及反復試驗，結合植柱過程中各種環(huán)境的參數(shù)對工裝選材的影響，最終將工裝的材質定為石墨。如果工裝選用鋼或者鋁其熱膨脹系數(shù)太高，在使用工裝對CCGA器件進行焊接時工裝受熱容易變形，會導致CCGA器件焊柱變形，焊柱對位精度不準，植柱可靠性及合格率降低。工裝選材時的一些主要參數(shù)比對如表1所列。

表1 工裝選材比對參數(shù)表

經過相關的植柱試驗，該工裝可以滿足使用要求。植柱工裝實物如圖2所示。

圖2 植柱工裝實物照片F(xiàn)ig.2 Physical photos of planting column tooling

2 植柱

CCGA器件植柱工藝流程如圖3所示。

圖3 植柱工藝試驗流程Fig.3 Process test flow of planting column

2.1 CCGA器件準備

從PCB板上拆卸下的CCGA器件，其焊盤上殘留有大量的高鉛焊柱[8]，在開始植柱前必須將焊盤上的殘留物進行徹底清理，如圖4所示。

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

80Pb20Sn的熔點要顯著高于錫鉛共晶焊料，所以在清除殘留物時一定要注意烙鐵溫度(310 ℃～328 ℃左右)、清除時間(2～3 s)、次數(shù)(不能超過3次)，以免對焊盤造成損傷。本文采用逐行去除法清除器件焊盤上殘留的焊柱及多余焊錫。使用吸錫繩和烙鐵進行清理，將清理的CCGA器件置于工裝上，涂抹助焊劑。烙鐵放在吸錫繩上待器件上的錫完全熔融后逐行輕輕的拖動吸錫繩，直至CCGA器件焊盤上的殘留焊柱、多余焊錫全部清除干凈，并使用半干的無水乙醇無紡布將焊盤擦洗干凈。對器件焊盤在15倍顯微鏡下進行目視檢查，焊盤應無損傷，器件焊盤以外的陶瓷本體上應無多余的錫渣殘留，如圖5所示。

圖5 CCGA器件焊盤清理過程Fig.5 CCGA device pad cleaning process

2.2 焊膏印刷

CCGA焊柱與本體之間的焊點由錫鉛共晶釬料構成，在植柱焊接之前涂覆焊膏量的多少將決定植柱后焊點形態(tài)是否優(yōu)良，如圖6所示。根據(jù)大量試驗結合工作實際使用較為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，漏板厚度設計為6 mil(0.15 mm)，開孔尺寸確定為0.8 mm。

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

在器件焊盤上印刷焊錫膏，采用漏板手工印刷焊膏，將合適的漏板放于器件上與器件焊盤100%對齊；左手固定好漏板，右手用刮刀粘上合適的焊膏(冰箱中取出，在室溫下自然回溫4小時左右攪拌后的焊膏[9])開始印刷焊膏，刮刀和印制板成45度角印刷，均勻用力，刮刀勻速運動，一次印刷。要求焊膏圖形厚度均勻一致性好，厚薄均勻。圖形邊緣清晰、無塌邊、無橋連、無玷污、無漏印，焊膏圖形表面平整，無凹凸現(xiàn)象，焊盤圖形周圍無多余焊膏殘留。柵陣列封裝器件焊盤要求在20～45倍放大鏡下檢查印刷圖形。印刷合格的器件外觀如圖7所示。

圖7 印刷后合格的焊膏圖形外觀Fig.7 Graphic appearance of qualified solder after printing

2.3 裝入工裝

將CCGA器件放入下工裝的凹槽內，并將上工裝扣在下工裝上，依次安裝四個定位銷，如圖8所示。此后所有的轉移操作都必須保持植柱工裝水平，不得進行傾斜、翻轉等。

圖8 器件裝入工裝后Fig.8 After the device is loaded into the tooling

所有使用的焊柱，在組裝前應進行檢查，避免使用存在外觀損傷和過短異常的焊柱，確保焊柱的完整性及共面一致性。使用鑷子將高鉛焊柱逐一裝入定位孔內，并保證所有的焊柱另一端與焊膏相接觸，如圖9所示。

圖9 焊柱安裝過程Fig.9 Installation process of welding column

所有焊柱安裝完成后，檢查有無焊柱漏裝情況。之后，將一片平整的薄陶瓷片覆蓋在焊柱裝配區(qū)域，如圖10所示。

圖10 陶瓷片需覆蓋焊柱裝配區(qū)域Fig.10 Ceramic sheet shall be covered with welding column assembly area

2.4 器件焊接

將植柱工裝水平轉移至真空載體焊接設備中進行器件焊接，使用壓塊將設備的測溫熱電偶壓實固定至植柱工裝的上表面，以實時監(jiān)測焊接溫度，如圖11所示。

圖11 熱偶固定于植柱工裝的上表面Fig.11 The thermocouple is fixed to the upper surface of the planting column tooling

焊接完成后輕輕拆開植柱工裝，依次轉動工裝，用手緩慢的將CCGA器件從植柱工裝中取出。

2.5 水清洗

將植柱后的CCGA器件進行固定后在全自動水清洗機中進行清洗，以去除殘留的助焊劑。清洗過程中需要將CCGA器件進行固定，以防止在高壓水流沖洗作用下器件發(fā)生移位，而碰傷焊柱。焊柱向上放置于清洗工裝的凹槽內，并使用金屬夾子將工裝邊緣在水清洗機的欄架上進行臨時性固定，如圖12所示。然后運行清洗程序進行水清洗，首先用55 ℃的溶劑清洗10分鐘；再用45 ℃的純水漂洗，待程序檢測清潔度阻值大于500 kΩ時停止漂洗；最后進行20分鐘50 ℃的烘干。最終清洗效果如圖13所示。

圖12 器件水清洗圖Fig.12 Device water cleaning diagram

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

2.6 外觀檢驗

外觀檢驗內容包括以下5方面：

1)焊柱與器件之間的焊點光滑完整，焊料100%包覆焊柱端部；

2)植柱后不得存在焊柱缺失的情況；

3)植柱后不得存在焊柱偏出CCGA器件焊盤的情況，要求焊柱行列間距均勻一致；

4)植柱后焊柱末端所構成的平面，其表面輪廓度不大于0.15 mm，即偏差最大的焊柱不能超過上述平面±0.15 mm；

5)所有焊柱位置排列均勻一致，不得存在彎曲的現(xiàn)象，焊柱傾斜度不得大于5°[10]。檢驗合格后的CCGA器件如圖14所示。 焊錫偏少的可接受焊點如圖15所示。

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

圖15 可接受的焊點Fig.15 Acceptable solder joint

3 結論

本文通過對CCGA植柱專用工裝、載體焊接設備的設計，成功實現(xiàn)了CCGA器件的植柱，并對樣件進行了相關檢測和試驗驗證。分析試驗結果可知，重新植柱的CCGA器件焊點滿足產品性能要求，可證明本文制定的CCGA器件手工植柱的可行性。目前，CCGA器件手工植柱已經應用于實際生產過程中，現(xiàn)階段已經在初樣、鑒定件中進行推廣使用，對于正樣產品上拆除的CCGA器件，可以進行重新植柱后組裝于初樣、鑒定件產品中。待積累大量成功案例后，再向正樣產品中進行推廣。CCGA器件手工植柱的廣泛應用，為減少浪費，降低產品成本奠定了堅實的基礎。