CCGA 用焊柱发展现状及面临的挑战（024）

摘 要： CCGA 是在 CBGA 基础上发展而来，利用细长的焊柱取代焊球，借助焊柱良好的耐蠕变能力，适应PCB 板与陶瓷外壳 / 基板之间由于热膨胀系数不同所产生的热应力失配，使得 CCGA 能够进行高密度、高可靠、大尺寸封装及组装。该种封装形式被广泛应用于武器装备和航空航天等领域。对CCGA 用焊柱的结构、节距及生产工艺等方面的发展现状进行总结，相对于其他封装类型，CCGA 封装面临成本、机械可靠性和热管理等多方面的挑战。

关键词： CCGA；焊柱；可靠性

 

1 引言

随着信息技术的不断发展，对电子元器件小型化和高性能的要求不断提高，对封装技术提出更多挑战，传统的封装形式已无法满足高引脚密度、多引脚数量以及高功耗等方面的要求，迫使封装技术不断进步[1]。

陶瓷栅格阵列 CGA（Ceramic Grid Array）的应用，对于提高封装密度具有巨大的推动作用，在实际需求的推动下不断发展，从最初的陶瓷球栅阵列封装CBGA（Ceramic Ball Grid Array）到陶瓷柱栅阵列封装CCGA （Ceramic Column Grid Array），主要区别为CCGA 利用钎料焊柱取代 CBGA 中的钎料球，利用钎料柱的蠕变来缓解 PCB 板（热膨胀系数 15×10-6/℃~21×10-6/℃）与陶瓷基板（6.5×10-6/℃）之间由于热膨胀系数不匹配带来的热应力疲劳问题，从而提升焊点可靠性[2, 3]。

2 焊柱发展趋势

在未来的应用中，CCGA 必将取代CBGA。CCGA已经被证明是大尺寸陶瓷基板与玻璃纤维环氧树脂或者聚酰亚胺 PCB 板连接最可靠的方法之一。当陶瓷基板与PCB 板进行焊接时，由于焊柱可以承受大约10×10-6/℃的热膨胀系数不匹配，因此焊柱与焊球相比更加适用。在过去的四五十年中，许多创造性的设计推动焊柱产业不断前进，如图1、图 2 所示。

2.1 CCGA 焊柱类型发展

2.1.1 铸造型焊柱

铸造型焊柱[4]是 IBM 公司在上世纪 70 年代末研发出的一款焊柱，它的主要成分为 90Pb10Sn，焊柱表面光滑，熔化温度较高，因此适用于各类电路的使用，并且其价格较为便宜，抗热冲击性能与焊球相比提升巨大。但是其机械强度不高，对于机械振动等物理冲击抗性差，如图3 所示。

笔者在未对焊点进行保护的情况下，对 90Pb10Sn高温焊柱与90Pb10Sn 高温焊球抗热冲击性能进行对比研究，电路按照GJB548B-2005 中的方法1011.1（热冲击）试验条件 C 进行热冲击试验。3 组电路分别试验15 次、30 次和 45 次，在热冲击试验后对电路进行检查。试验结果表明，15 次热冲击试验后，焊球的焊点出现断开情况，而焊柱直到 45 次后，在焊点位置才出现微裂纹，由此可以看出，在耐热冲击可靠性方面，焊柱的可靠性远强于焊球。

2.1.2 铜带缠绕型焊柱

铜带缠绕型焊柱[5]是 1982 年由 Raychem 公司研发成功，目的为改善 CCGA 器件焊柱的耐热冲击性能，焊柱主体采用 80Pb20Sn 钎料，其外侧利用铜带进行缠绕，再利用 63Sn37Pb 共晶焊膏对其进行焊接固定（如图 4 所示），增加了额外的支撑；同时，由于铜的导热性能更强，因此与铸造型 90Pb10Sn 焊柱相比，铜带缠绕型焊柱的焊接界面耐热冲击性能更优，具有更高的组装可靠性。但其生产成本与铸造型相比也相应增加。铜带缠绕型焊柱结构如图4 和图 5 所示。

笔者在未对焊点进行保护的情况下，对铜带缠绕型 80Pb20Sn二次组装焊柱电路进行不同次数的热冲击试验（GJB548B-2005中方法 1011.1 条件 C），3 组电路分别试验 15次、30 次和 45 次。在热冲击试验后对电路进行检查，发现经历不同次数热冲击试验后，焊柱焊接界面均未出现明显的显微裂纹，并对不同循环次数热冲击试验后的电路进行抗剪切和抗拉脱试验，试验结果表明焊柱在经过热冲击试验后，其抗拉强度和抗剪切强度与试验前处于同一水平，仍能满足要求，由此证明铜带缠绕型80Pb20Sn 焊柱相比于传统铸造型焊柱具有更优异的耐热冲击性能，可靠性更高。

2.1.3 插入型焊柱

1998 年，NGK 公司在铸造型焊柱和铜带缠绕型焊柱的基础上，又研发出插入型焊柱，但是，插入型焊柱在应用过程中，由于其成本高和工艺要求严格，因此在实际应用过程中未能得到广泛推广，目前仅在航空航天和军事工业中得到使用。笔者未能收集到对其具体介绍的文献资料。示意图见图6。

2.1.4 镀铜型焊柱

2000 年，IBM 研发出一款电镀铜型高温焊柱，这种焊柱的设计目的是利用高温焊膏焊接时防止焊柱的氧化，及避免其表面粗糙化引起的抗疲劳性能降低等问题，例如利用90Pb10Sn 焊膏进行焊柱连接时，其焊接温度将达到320 ℃左右。因此，常用的铸造型焊柱和铜带缠绕型焊柱在该焊接温度下将会熔化。镀铜型焊柱内部为高温焊线，外部再电镀一层铜，同时在最外层电镀了一层锡，镀锡的主要作用是利用洁白光净的镀锡层掩盖铜壳表面的缺陷和缺损，降低表面粗糙度，同时防止铜表面氧化，保持良好的导通性能。镀锡层同时作为阻挡层满足ROHS 对于铅含量的要求。表面镀60Sn40Pb 焊料或者Ni-Au 的镀铜型焊柱将逐步取代铜带缠绕型焊柱。镀铜型焊柱的导热性能得到极大提高，有利于芯片散热，与铜带缠绕型焊柱相比，其热传导的距离更短。如图7 所示。

2.1.5 微线圈型焊柱

2012 年，针对之前焊柱所存在的可靠性问题，美国国家航空航天局设计出一款全新焊柱，利用铍铜合金C17200（铜线直径约 0.087 mm）将焊柱设计为线圈式，两端缠绕两圈作为连接端，如图8 所示。微线圈型焊柱在焊柱直径和长度方面选择范围很大，一般直径0.5 mm、长度 1.27 mm 大小的焊柱在焊接到陶瓷基板上时，其间距为 1.0 mm 到 1.27 mm 之间。而更小的直径0.4 mm、长度 1.0 mm 的焊柱，在陶瓷基板上的焊接间距控制在 1.0 mm 左右。在微线圈型焊柱的外层一般会电镀60Sn40Pb 焊料或者Ni-Au 涂层。微线圈型焊柱在焊接到陶瓷基板或者PCB 板上时，一般选择63Sn37Pb 焊料或者无铅焊膏 SAC305（Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）。

微线圈型焊柱将逐步替代普通铸造型焊柱和铜带缠绕型焊柱在航空航天领域的应用，其抗振性能、抗热应力性能和耐撞击性能都将延长电路在严酷的外太空环境下的服役寿命。并且微线圈型焊柱能够在陶瓷基板和PCB 板之间的三维空间中具有良好的柔韧性，与此相比铸造型焊柱和铜带缠绕型焊柱只在剪切方向具有良好的耐蠕变性。对微线圈型焊柱在受力状态下的抗热冲击性能进行研究发现，当焊柱承受500 g 应力时，可以承受 8 次热冲击试验，与此相比，同等条件下，普通焊柱仅能承受 4 次热冲击试验。而微线圈型焊柱的缺点是导热性能仅为焊球导热性能的一半左右。

2.2 CCGA 焊柱焊接方法的发展

目前，常用的CCGA 焊柱焊接方法有 3 种，包括焊线柱（Wire）焊接方法、铸型柱（Cast）焊接方法和CLASP柱（ColumnLast Attach Solder Process）焊接方法[5]。如图 9 所示。

焊线型焊接方法是最早研发的焊柱与基板相连的焊接方法，从上世纪 90年代开始投入商业应用，采用 63Sn37Pb锡膏将焊柱与基板和 PCB 板进行连接，由于焊柱的主要成分为90Pb10Sn，其熔化温度接近300 ℃，远高于63Sn37Pb 的共晶温度，因此，在焊接后仍能保证焊柱的完整性，缺点是在二次返修时绝大多数焊柱将会发生脱落，并且由于焊点的熔化温度低，为避免在封装过程中其他工序对其影响，一般将焊柱的焊接作为最后一道工序。

为解决焊线型焊接方法所出现的二次返修脱落问题，1999 年，IBM 研发出铸型柱焊接方法，利用与焊柱成分相同的 90Pb10Sn 焊膏，采用高温焊接方法将陶瓷基板与焊柱进行固定，再利用63Sn37Pb 共晶焊膏将PCB 板与焊柱进行焊接，该方法有利于在后期二次返修的过程中保证焊柱的完好性，缺点是焊接温度高，对于芯片的可靠性影响较大，因此需在焊接焊柱的同时对芯片进行焊接，不利于生产工序的自动化过程。

第三种 CLASP 柱焊接方法是前两种焊接方法的总结，生产工序与焊线型类似，区别是在陶瓷基板与焊柱进行焊接时，在63Sn37Pb 共晶焊膏中加入少量的Pd，Pd 将与 Sn 形成高温金属间化合物，从而提高焊点的熔化温度，再利用 63Sn37Pb 共晶焊膏对焊柱和 PCB板进行连接。在二次返修过程中，该焊接方法焊柱保存完好，也是目前使用最为广泛的一种焊柱焊接方法。

2.3 CCGA 焊柱材料的发展

随着 CCGA 焊柱技术的不断发展，焊柱主体材料成分从90Pb10Sn 和80Pb20Sn 不断变化，目前多种金属材料和合金材料已作为焊柱主体材料得到应用，例如IBM 开发出纯铜的焊柱材料，以实现无铅化要求，该种焊柱的导电和导热性能优异，且封装结构具有更低的延迟和损耗；同时，铜的机械强度高，具有更大的刚性，可以制成高度2.46 mm、直径 0.25 mm 的焊柱，与普通高铅焊柱相比，其焊柱长度更大，而直径更小，可靠性更高。铜核型焊柱的失效模式也与高铅合金柱不同。高铅合金焊柱的失效一般发生在焊柱上，而铜核型焊柱则发生在靠近陶瓷基板或PCB 板的低熔点焊料上。

随着对于焊柱材料研究的不断深入，新的材料将不断应用到焊柱中来，包括各种合金材料和复合材料，在保证焊柱耐蠕变能力的同时，又能提供更为良好的导热和耐冲击性能等。

2.4 CCGA 节距发展

根据两种封装标准 MO-158D 和MO-159B 可知，目前最为常用的节距有1.0 mm 和 1.27 mm，在 CCGA发展早期由于焊柱体积较大，因此其节距达 2.54 mm，为了增加 I/O 引出端数量，提高封装密度，在焊柱直径减小的同时，CCGA 节距不断降低，逐步发展到 1.50mm、1.27 mm 和 1.0 mm，现在为了进一步提高封装密度，0.8 mm、0.65 mm 和 0.5 mm 大小的节距已进入实际应用。

在未来的发展中，随着不同形式焊柱的不断出现，封装密度不断提高，I/O引出端数量不断增加，焊柱直径将不断减小，节距也向更窄间距不断前进。

2.5 CCGA 焊柱组装工艺发展

CCGA 焊柱组装采用标准的表面贴装设备及对应的工艺流程，主要包括PCB 板清洗、焊膏漏印、贴片、回流焊接、清洗和检测等环节。其中焊膏量的多少和回流曲线的设定最为关键。

当焊膏量不足时，将无法形成可靠的共晶焊点，焊点强度低，抗疲劳性能差，易产生疲劳损伤，从而导致可靠性的降低。而当焊膏量过量时，焊柱底部的焊点高度将会增加，从而减少了柔性焊柱的有效长度，降低其抗蠕变能力，使得柱列变得刚性化，陶瓷基板和PCB 板间的热错配应力将使得焊柱发生失效。

回流过程中对于回流温度曲线的设定尤为重要，一般参照焊膏供应商所提供的回流温度进行设定，同时需考虑由于引脚密集所造成的外层引脚和内层引脚间的温度差异，以保证所有焊点同时达到良好的焊接，同时器件又不超过允许的承受温度。

对于组装工艺而言，随着 CCGA 封装技术的不断进步和工艺的不断完善，最终将达到最佳工艺标准。

3 焊柱发展面临的挑战

3.1 CCGA 焊柱成本挑战

CCGA 技术目前只在军用和航空航天等领域得到广泛应用，而在民用领域推广较为缓慢，其中很重要的原因就是其生产成本太高，这与民品所要求的高利润不相符，像军品级别抗辐照器件成本高昂，而航天级别成本更高，这就限制了CCGA 技术的推广[7]。

对于 CCGA 焊柱而言，其生产成本包括焊柱制造成本和组装成本两部分，其中焊柱的制造成本与焊球的制造成本相比有巨大的提高，主要原因有两个：第一，相同直径的焊柱体积是焊球体积的数倍，因此其对于原材料的消耗更大，制造成本相应提高；第二，焊柱的制造工艺更为严格，对于焊柱的共面性以及表面粗糙度等方面要求更高，也增加了制造成本。在组装成本中，印刷焊膏和植柱时所需的网板定位夹具，因为在军工和航空航天领域中产品的类型众多，而每种产品的数量较少，对于不同型号的基板需定制不同的夹具，这就增加了组装过程中的成本。

如何降低 CCGA 焊柱成本已成为 CCGA 发展的决定性因素。首先，对于焊柱制造成本的降低，通过减小焊柱的整体体积以降低原材料的消耗，同时保证焊柱的强度和蠕变能力；其次，改善焊柱制造过程中的工艺，减少制造过程中的不合格产品；最后，在植柱后对电路进行二次组装时出现的焊柱各类损伤导致电路无法正常使用时，对其进行植柱返工，以降低生产成本。

3.2 CCGA 机械可靠性挑战

CCGA 封装由于其良好的耐高温、耐高压和抗潮湿性能优点，而被广泛应用于航空航天电子产品中，但是CCGA 器件的可靠性却远未达到理想的水平，特别是其机械可靠性，在需要反复经受力学振动和温度循环等试验的航天产品应用中表现尤为明显，引起的失效案例时有发生。在航空航天产品的使用环境中，由于在运行过程中振动和加速过程频繁，对于四方扁平封装QFP 器件而言，在振动条件下由于芯片本身质量较大，同时焊点根部要经受反复的弯折和拉伸过程，因此需采取相应手段对其进行加固，否则极有可能在焊点处发生断裂失效。CCGA 器件中由于焊柱上方的陶瓷基板与芯片总体质量更大，因此更易产生此类问题。

目前对于焊柱机械可靠性的解决方法有两种，第一种方法是利用填充胶对焊柱底部进行填充，倒装芯片经过底部填充后，可大幅度提高凸点焊接位置的可靠性，而植柱及二级组装与倒装芯片具有相似的工艺和结构，从弹性力学和塑性力学的基本原理可推知，其弹性模量与焊柱材料相近、且与PCB 板和陶瓷基板热膨胀系数均相近的底部填充胶可以为焊柱材料提供有效保护。可以推测，在FR-4 PCB 板和陶瓷基板间填充底部填充胶在理论上可提高焊柱的机械强度和可靠性寿命。

第二种方法是采用胶粘剂对芯片进行合理的力学加固，以此来提高 CCGA的组装可靠性，能够较好地满足航天产品对耐力学振动和耐温度冲击性能的要求。目前，电子产品力学加固主要有以下几种方式：（1）对于一般小质量器件的力学加固，航天产品普遍采用 GD414C 进行四角点封；（2） 采用 QD231 对器件进行整体灌封的方式，原理是在印制板与芯片本体间增加一定的力学缓冲，起到增强引线或焊柱支撑效果的作用；（3）在需进一步提高加固强度的场合，可采取对芯片进行局部点封的方法[8]。

有研究发现随着焊柱高度的增加，焊点处等效应变将先降低后升高，应变值变化范围较大，说明焊柱高度的变化对焊柱可靠性的影响较为显著，当焊柱高度为 2.07 mm 时应变最小。焊柱高度的增加，既有利于散发由于热循环引起的应力，提高焊柱的热疲劳寿命，同时也会使器件的电性能有所下降、增加焊柱在封装过程中的变形几率，故实际应用中可根据需要来选择合适的焊柱高度。

CCGA 不同焊柱直径也会对焊柱可靠性产生一定的影响，随着焊柱直径增大，应变随之增大，因此在实际应用中可以根据需要选择应变较小的焊柱直径来提高焊柱的可靠性[9]。

3.3 CCGA 热管理挑战

CCGA 在航空航天领域应用时，器件散热主要依靠热传导，器件与外壳之间一般采用绝缘导热衬垫，将热量传递到设备表面，再传导到设备安装平台，或辐射至舱内空间。为降低热阻值，保持器件和外壳表面之间的良好接触，绝缘导热衬垫要保证一定的压缩量[1]。

目前，随着封装密度和器件功率的不断增大，在器件内部芯片的热量还可以通过焊柱向 PCB 板进行传导，因此，焊柱的导热性能对于芯片的散热影响巨大。目前在航空航天领域应用较广的微线圈式焊柱，与普通铸造型焊柱和铜带缠绕型焊柱相比其导热性能不佳，不适合应用于功率芯片的组装。

为增强 CCGA 封装器件的散热能力，对于器件与外壳之间的绝缘导热衬垫应选择导热性能更好的材料，同时调节其压缩量的大小，减小三者之间的接触热阻。而绝缘导热衬垫的外形尺寸对于其散热能力也有影响，其长度与宽度需尽量能够覆盖芯片，厚度减小有利于其散热。

对于焊柱而言，其结构和材料对其导热能力的影响最为显著，实体焊柱的导热性能强于微线圈式焊柱，当焊柱材料为铜或者其他金属材料时，其导热性能也大大增强，因此，后续的研究可以从焊柱的结构和材料等方面入手。

4 结束语

CCGA 器件以其高封装密度、高可靠性、良好的抗湿性和气密性，在航空航天电子产品等领域中得到了广泛应用，CCGA 封装技术继续向小型化和高集成化方向发展，在这一过程中面临着体积小型化、热管理和可靠性等方面的挑战。从技术发展角度来看，今后的研究重点将从焊柱的结构、材料以及工艺等多方面进行深入研究，以满足航天产品高可靠性的要求。

 

参考文献：

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