解决大CTE适配问题的可靠互连解决方案

作者： Trevor Galbraith

自从电子互连的印制板问世以来，人们就一直在努力解决CTE（热膨胀系数）不匹配问题。当把一系列不同的材料粘合在一起，并在炉子里烘烤时，它们一定会以不同的速度伸展或收缩。

在经受制造过程的初始应力后，许多组件还会被暴露在恶劣的环境中，经受反复的热循环也会导致失效。

随着无铅焊料的引入，回流焊温度从125 ℃上升到160 ℃或更高的程度，这进一步加剧了这个问题。

在恶劣环境下，如过大的热偏差或高振动或高冲击下，BGA有其自身的局限性。这时人们更多地会使用CCGA（柱栅阵列），因为它能够顺着焊柱长度方向消散热或冲击力。本文探讨了一种新的组装CCGA（柱栅阵列）的制造解决方案。港泉SMT

CCGA或CGA不是新生事物。它们的首次出现是在1970年，当时IBM采用电线和铸件制造了焊柱。经过多年的发展，CCGA已经演变成多种不同的形式，包括Raychem公司（1980）的螺旋包铜式、NGK公司（1990）的焊柱插件式、IBM公司（2000）的铜镀式和NASA（美国宇航局）（2010年）的微弹簧圈式。

CCGA是作为BGA（球栅阵列）的替代解决方案而开发的，它减少了大型阵列陶瓷封装和基板（通常FR4或聚酰亚胺）之间的应力。陶瓷的热膨胀系数约为7 ppm/℃。FR4的热膨胀系数约为17 ppm/℃，上下波动的差异为10 ppm/℃。

BGA采用较小的焊料沉积，将在焊球和基板之间或焊球和陶瓷之间施以更大的应力。会导致在金属间化合物中产生裂纹，使焊球分层。

CGA沿焊柱长度方向消散应力、散热并保护器件。热膨胀系数不匹配也会引起物理应力，相比于BGA，柱栅阵列能够更好地抵御和补偿这一应力。

一般生命周期测试在-40～1
25 ℃之间进行。来自Jet Propulsion Labs实验室的论文表明，CCGAs可以经受1 000～2 000次温度循环，而大尺寸陶瓷BGA只能经受100～500次温度循环。

图4给出了包铜带的Pb80Sn20焊柱的高放大倍率照片。柱芯是一种高熔点焊料，它和包铜带之间填充普通锡铅焊料Sn63Pb37。铜带为焊柱增加了额外的支持结构。

2010年，NASA Marshall Flight Center（美国国家航空航天局马歇尔飞行中心）的工程师发明了微弹簧圈。微弹簧圈提高了CCGAs的可靠性，使它们能够承受极高的冲击力，高达50000g。在实验室条件下，微弹簧圈焊柱可承受8个周期才失效，而Pb90Sn10普通焊料柱仅能承受4个周期。

图5给出了陶瓷基板上高达1 752 I/O的微弹簧圈柱栅阵列。图6给出了一美分硬币上微弹簧圈的物理尺寸。

1500g跌落试验进一步证明了CCGAs的可靠性。图7的照片给出了FR4电路板的正负挠曲。

表1给出了尺寸和温度范围，在突出的绿色区域使用BGA器件是安全的。在黄色区域通常建议使用CCGA，使用BGA将有分层风险。在橙色区域必须使用CCGA，以防止分层。

作为一个“经验法则”，安装在FR4上的陶瓷BGA大于27 mm2将会分层。

在表1中，CTE失配设定为10 ppm/℃（陶瓷和FR4之间的差异）。所示的温度为室温下的温度波动。

小批量焊柱组装

采用石墨工具和焊柱预包装盒的一种新的制造方法已引入小批量CCGA组装。预包装盒预先加载了不同类型的焊柱，包括简单的Pb90Sn10焊柱、包铜带焊柱和微弹簧圈，制造商可以根据不同的应用选择使用。

*步骤1：将栅格阵列（LGA）放进底部石墨夹具，使用模板和刮刀施加焊膏。

*步骤2：检查焊膏沉积，然后使用位置销，在底部石墨模具上放置顶部石墨夹具。

*步骤3：在顶部石墨夹具上放置引脚包装的焊柱阵列。

*步骤4：从引脚上剥离粘性背膜。

*步骤5：检查所有焊柱是否落入石墨夹具。

*步骤6：回流焊。使用汽相炉效果最佳。

结论

引脚包装（Pin-Pack）为小批量CCGA应用提供了一个通用的替代解决方案，可用于I/O引脚数量240～2577、封装尺寸23～52 mm的应用。这一新技术适用于如航天、军事、汽车和医疗电子等的苛刻环境。

焊料柱是COTS（商业化现成的）元件。它们不受ITAR（国际武器贸易条例）限制，他们不需要出口许可证。Topline公司生产制造引脚包装的焊柱。

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