軍用微電(diàn)子组件(jiàn)在(zài)1990年(nián)代(dài)的(de)軍用FPGA就(jiù)已經(jīng)是(shì)PGA封(fēng)裝(zhuāng)了(le)。而(ér)現(xiàn)在(zài)軍用微電(diàn)子组件(jiàn)用的(de)比較多(duō)的(de)高(gāo)端産品則是(shì)用CCGA/LGA封(fēng)裝(zhuāng)。CCGA是(shì)CBGA尺(chǐ)寸(cùn)大(dà)于(yú)在(zài)32*32mm时(shí)的(de)另(lìng)一(yī)種(zhǒng)形式，不(bù)同之(zhī)處(chù)在(zài)于(yú)采用焊料柱(zhù)代(dài)替焊料球。焊料柱(zhù)采用共(gòng)晶焊料連(lián)接或(huò)直(zhí)接澆注式固定在(zài)陶瓷底部(bù)。
軍用微電(diàn)子组件(jiàn)的(de)可(kě)用性(xìng)一(yī)直(zhí)在(zài)穩步下(xià)降。这(zhè)迫使高(gāo)可(kě)靠性(xìng)要(yào)求的(de)用戶利用商業現(xiàn)貨（COTS）组件(jiàn)以(yǐ)滿足他(tā)们(men)的(de)需求。而(ér)商用級元(yuán)件(jiàn)不(bù)能(néng)總(zǒng)是(shì)滿足惡劣环(huán)境下(xià)应用的(de)可(kě)靠性(xìng)要(yào)求。为了(le)滿足这(zhè)種(zhǒng)需求，COTS元(yuán)件(jiàn)的(de)強(qiáng)化(huà)技術(shù)便得到(dào)迅速發(fà)展(zhǎn)。
带你了(le)解(jiě)CCGA封(fēng)裝(zhuāng)的(de)螺旋锡(xī)柱(zhù)技術(shù)
图1 不(bù)同阵(zhèn)列封(fēng)裝(zhuāng)对比
傳統的(de)陶瓷四方(fāng)扁平封(fēng)裝(zhuāng)（CQFP）或(huò)陶瓷引腳(jiǎo)网(wǎng)格阵(zhèn)列封(fēng)裝(zhuāng)（CPGA）不(bù)再适用于(yú)當今的(de)高(gāo)I/O计數FPGA器件(jiàn)。更(gèng)高(gāo)引腳(jiǎo)數目的(de)陶瓷柱(zhù)栅阵(zhèn)列封(fēng)裝(zhuāng) （CCGA）在(zài)可(kě)靠水(shuǐ)平內(nèi)能(néng)够實(shí)現(xiàn)高(gāo)性(xìng)能(néng)要(yào)求FPGA器件(jiàn)的(de)高(gāo)密度(dù)封(fēng)裝(zhuāng)，從而(ér)能(néng)够滿足航天(tiān)卫星(xīng)的(de)要(yào)求。CCGA封(fēng)裝(zhuāng)是(shì)CBGA封(fēng)裝(zhuāng)的(de)發(fà)展(zhǎn)，它(tā)采用釺料圆柱(zhù)阵(zhèn)列来(lái)替代(dài)CBGA的(de)釺料球阵(zhèn)列，其(qí)主(zhǔ)要(yào)優點(diǎn)有(yǒu)：更(gèng)好(hǎo)的(de)抗疲勞性(xìng)能(néng)、更(gèng)好(hǎo)的(de)散(sàn)热性(xìng)能(néng)，同时(shí)具備耐高(gāo)温(wēn)、耐高(gāo)壓和(hé)良好(hǎo)的(de)抗潮(cháo)湿(shī)性(xìng)能(néng)等。
目前(qián)運用最(zuì)廣泛的(de)两(liǎng)種(zhǒng)柱(zhù)狀基阵(zhèn)为90Pb/10Sn锡(xī)柱(zhù)（图2a）和(hé)螺旋铜(tóng)带增強(qiáng)型80Pb/20Sn锡(xī)柱(zhù)（图2b，以(yǐ)下(xià)簡稱螺旋锡(xī)柱(zhù)），二(èr)者(zhě)均通(tòng)过(guò)63Sn37Pb共(gòng)晶焊料連(lián)接到(dào)陶瓷基板的(de)I/O焊盤上(shàng)，形成(chéng)共(gòng)晶焊點(diǎn)，而(ér)后者(zhě)比前(qián)者(zhě)具有(yǒu)更(gèng)加優越的(de)焊接可(kě)靠性(xìng)。
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图 2 CCGA焊柱(zhù) （a）90Pb/10Sn （b）80Pb/20Sn螺旋锡(xī)柱(zhù)
图3为一(yī)種(zhǒng)常用規格螺旋锡(xī)柱(zhù)及(jí)其(qí)截面(miàn)示意(yì)图。中心为80Pb/20Sn锡(xī)丝(sī)，表(biǎo)面(miàn)繞厚度(dù)为0.051mm的(de)铜(tóng)箔，然后整體(tǐ)覆一(yī)层63Sn/37Pb共(gòng)晶焊料将锡(xī)柱(zhù)包(bāo)裹。
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图3 螺旋锡(xī)柱(zhù)及(jí)截面(miàn)示意(yì)图
CCGA器件(jiàn)的(de)封(fēng)裝(zhuāng)结构（如(rú)图4）大(dà)體(tǐ)由(yóu)三(sān)部(bù)分(fēn)组成(chéng)：底部(bù)是(shì)高(gāo)铅(qiān)含量(liàng)的(de)焊柱(zhù)阵(zhèn)列，中部(bù)为陶瓷基板，集成(chéng)電(diàn)路(lù)芯片(piàn)則置于(yú)基板頂部(bù)，且(qiě)多(duō)采用倒裝(zhuāng)形式，这(zhè)種(zhǒng)形式縮短(duǎn)了(le)信(xìn)号(hào)通(tòng)路(lù)，降低(dī)了(le)寄生(shēng)效应，使信(xìn)号(hào)速度(dù)和(hé)品質(zhì)得到(dào)提(tí)高(gāo)。
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图4 CCGA封(fēng)裝(zhuāng)结构示意(yì)图
图5为螺旋锡(xī)柱(zhù)柱(zhù)栅阵(zhèn)列封(fēng)裝(zhuāng)，每根(gēn)锡(xī)柱(zhù)由(yóu)63Sn/37Pb共(gòng)晶焊料焊接在(zài)基板上(shàng)，焊锡(xī)列作(zuò)为一(yī)个(gè)标(biāo)準的(de)互連(lián)從而(ér)減少在(zài)极(jí)端热循环(huán)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)的(de)焊接疲勞。
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图5 螺旋锡(xī)柱(zhù)阵(zhèn)列封(fēng)裝(zhuāng)
图6、7、8分(fēn)别为锡(xī)球、普通(tòng)锡(xī)柱(zhù)、螺旋锡(xī)柱(zhù)大(dà)温(wēn)度(dù)波(bō)動(dòng)測試结果(guǒ)（産生(shēng)陶瓷柱(zhù)栅阵(zhèn)列和(hé)PCB板間(jiān)的(de)剪切(qiè)应力）（热膨脹系數失配度(dù)～10ppm/oC）。可(kě)以(yǐ)看出，锡(xī)球对陶瓷基板和(hé)PCB之(zhī)間(jiān)因(yīn)CTE不(bù)匹(pǐ)配而(ér)産生(shēng)的(de)应力适应力較差，焊點(diǎn)出現(xiàn)了(le)坍塌。CCGA因(yīn)連(lián)接高(gāo)度(dù)增加后，焊點(diǎn)上(shàng)的(de)应力将通(tòng)过(guò)焊柱(zhù)的(de)彎曲来(lái)進(jìn)行釋放(fàng)，從而(ér)能(néng)更(gèng)好(hǎo)地适应陶瓷基板和(hé)PCB之(zhī)間(jiān)因(yīn)CTE不(bù)匹(pǐ)配而(ér)産生(shēng)的(de)应力。而(ér)螺旋锡(xī)柱(zhù)較普通(tòng)锡(xī)柱(zhù)傾斜度(dù)更(gèng)小，对此(cǐ)剪切(qiè)应力的(de)吸收(shōu)能(néng)力更(gèng)強(qiáng)，具有(yǒu)更(gèng)好(hǎo)的(de)支撐能(néng)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(huán)試验后普通(tòng)锡(xī)柱(zhù)及(jí)螺旋锡(xī)柱(zhù)的(de)失效模式图（失效标(biāo)準为菊花鍊(liàn)循环(huán)式封(fēng)裝(zhuāng)的(de)電(diàn)阻超过(guò)300Ω），两(liǎng)種(zhǒng)锡(xī)柱(zhù)都可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)或(huò)超过(guò)典型航空(kōng)应用中的(de)热循环(huán)要(yào)求，同等条(tiáo)件(jiàn)下(xià)普通(tòng)锡(xī)柱(zhù)失效时(shí)間(jiān)較螺旋锡(xī)柱(zhù)提(tí)前(qián)了(le)1/3，Pb90/Sn10锡(xī)柱(zhù)失效后锡(xī)柱(zhù)整體(tǐ)呈S型（图9a），而(ér)螺旋锡(xī)柱(zhù)仍保持(chí)原来(lái)形狀（图9b）其(qí)支撐性(xìng)能(néng)更(gèng)好(hǎo)，體(tǐ)現(xiàn)了(le)更(gèng)加優越焊接可(kě)靠性(xìng)。
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图9 焊柱(zhù)失效模式图 （a）普通(tòng)锡(xī)柱(zhù) （b）螺旋锡(xī)柱(zhù)
CCGA可(kě)實(shí)現(xiàn)很多(duō)邏輯和(hé)微處(chù)理(lǐ)器功能(néng)，其(qí)封(fēng)裝(zhuāng)形式决定其(qí)耐高(gāo)温(wēn)、耐高(gāo)壓和(hé)高(gāo)可(kě)靠性(xìng)的(de)特(tè)性(xìng)，适用于(yú)更(gèng)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)和(hé)更(gèng)多(duō)I/O的(de)情(qíng)況，螺旋锡(xī)柱(zhù)更(gèng)是(shì)其(qí)中的(de)佼佼者(zhě)，因(yīn)其(qí)優良的(de)焊接可(kě)靠性(xìng)在(zài)軍事、航空(kōng)和(hé)航天(tiān)電(diàn)子産品制造領域占有(yǒu)非(fēi)常重要(yào)的(de)地位(wèi)，由(yóu)于(yú)需要(yào)将格栅阵(zhèn)列封(fēng)裝(zhuāng)設计運用于(yú)高(gāo)可(kě)靠性(xìng)需求的(de)市(shì)场(chǎng)，螺旋锡(xī)柱(zhù)柱(zhù)栅封(fēng)裝(zhuāng)技術(shù)有(yǒu)望廣泛应用于(yú)商業及(jí)軍事用途。
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