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锡球,全球
CCGA锡柱,CCGA铜柱,高铅焊柱
传统的陶瓷四方扁平封装(CQFP)或陶瓷引脚网格阵列封装(CPGA)不再适用于当今的高I/O技术FPGA器件。更高引脚数目的陶瓷柱栅阵列封装(CCGA)在可靠水平内能够实现高性能要求FPGA器件的高密度封装,从而能够满足航天卫星的要求。CCGA封装是CBGA封装的要求,它采用钎料圆柱(高铅锡柱Pb90Sn10、Pb80Sn20等)阵列来替代CBGA的钎料球(高铅锡球Pb90Sn10)阵列,其主要优点有:更好的抗疲劳性、更好的散热性能,同时具备耐高温、耐高压和良好的抗潮湿性能等。
军用微电子组件在1990年代的军用FPGA就已经是PGA封装了。而现在军用微电子组件用的比较多的高端产品则是用CCGA/LGA封装。CCGA是CBGA尺寸大于在32*32mm时的另一种形式,不同之处在于采用焊料柱代替焊料球。焊料柱采用共晶焊料连接或直接浇注式固定在陶瓷底部。
军用微电子组件的可用性一直在稳步下降。这迫使高可靠性要求的用户利用商业现货(COTS)组件以满足他们的需求。而商用级元件不能总是满足恶劣环境下应用的可靠性要求。为了满足这种需求,COTS元件的强化技术便得到迅速发展。
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图1 不同阵列封装对比
传统的陶瓷四方扁平封装(CQFP)或陶瓷引脚网格阵列封装(CPGA)不再适用于当今的高I/O计数FPGA器件。更高引脚数目的陶瓷柱栅阵列封装 (CCGA)在可靠水平内能够实现高性能要求FPGA器件的高密度封装,从而能够满足航天卫星的要求。CCGA封装是CBGA封装的发展,它采用钎料圆柱阵列来替代CBGA的钎料球阵列,其主要优点有:更好的抗疲劳性能、更好的散热性能,同时具备耐高温、耐高压和良好的抗潮湿性能等。
目前运用最广泛的两种柱状基阵为90Pb/10Sn锡柱(图2a)和螺旋铜带增强型80Pb/20Sn锡柱(图2b,以下简称螺旋锡柱),二者均通过63Sn37Pb共晶焊料连接到陶瓷基板的I/O焊盘上,形成共晶焊点,而后者比前者具有更加优越的焊接可靠性。
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图 2 CCGA焊柱 (a)90Pb/10Sn (b)80Pb/20Sn螺旋锡柱
图3为一种常用规格螺旋锡柱及其截面示意图。中心为80Pb/20Sn锡丝,表面绕厚度为0.051mm的铜箔,然后整体覆一层63Sn/37Pb共晶焊料将锡柱包裹。
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图3 螺旋锡柱及截面示意图
CCGA器件的封装结构(如图4)大体由三部分组成:底部是高铅含量的焊柱阵列,中部为陶瓷基板,集成电路芯片则置于基板顶部,且多采用倒装形式,这种形式缩短了信号通路,降低了寄生效应,使信号速度和品质得到提高。
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图4 CCGA封装结构示意图
图5为螺旋锡柱柱栅阵列封装,每根锡柱由63Sn/37Pb共晶焊料焊接在基板上,焊锡列作为一个标准的互连从而减少在极端热循环条件下的焊接疲劳。
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图5 螺旋锡柱阵列封装
图6、7、8分别为锡球、普通锡柱、螺旋锡柱大温度波动测试结果(产生陶瓷柱栅阵列和PCB板间的剪切应力)(热膨胀系数失配度~10ppm/oC)。可以看出,锡球对陶瓷基板和PCB之间因CTE不匹配而产生的应力适应力较差,焊点出现了坍塌。CCGA因连接高度增加后,焊点上的应力将通过焊柱的弯曲来进行释放,从而能更好地适应陶瓷基板和PCB之间因CTE不匹配而产生的应力。而螺旋锡柱较普通锡柱倾斜度更小,对此剪切应力的吸收能力更强,具有更好的支撑能力。
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图6 CBGA
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图7 Pb90/Sn10CCGA
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图8 Pb80/Sn20CCGA
图9为热循环试验后普通锡柱及螺旋锡柱的失效模式图(失效标准为菊花链循环式封装的电阻超过300Ω),两种锡柱都可以达到或超过典型航空应用中的热循环要求,同等条件下普通锡柱失效时间较螺旋锡柱提前了1/3,Pb90/Sn10锡柱失效后锡柱整体呈S型(图9a),而螺旋锡柱仍保持原来形状(图9b)其支撑性能更好,体现了更加优越焊接可靠性。
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图9 焊柱失效模式图 (a)普通锡柱 (b)螺旋锡柱
CCGA可实现很多逻辑和微处理器功能,其封装形式决定其耐高温、耐高压和高可靠性的特性,适用于更大尺寸和更多I/O的情况,螺旋锡柱更是其中的佼佼者,因其优良的焊接可靠性在军事、航空和航天电子产品制造领域占有非常重要的地位,由于需要将格栅阵列封装设计运用于高可靠性需求的市场,螺旋锡柱柱栅封装技术有望广泛应用于商业及军事用途。
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