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          航空航天封裝材料的新寵兒——微彈簧圈

          • 2019-05-25
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          來源:航空航天封裝材料的新寵兒——微彈簧圈       發布時間:2017.05.02

          技術分享 | 航空航天封裝材料的新寵兒——微彈簧圈
           
          1背景
           
          為了更好地掌握空間交會對接技術,開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗,我國將于今年擇機發射神舟十一號飛船與天宮二號對接,進行人在太空中期駐留試驗。在驚喜于國家航天航空技術快速發展的同時,我們不由得想起那么多失敗的嘗試,而這其中與電子元器件連接失效的案例不勝枚舉。如何在不損害電子元器件完整性的條件下,將現有航空航天設備發射到太空,這對現有封裝技術來說是一個極大的挑戰。電子設備在發射過程中經歷著超重、失重、震動及剪切應力等復雜的物理過程,容易出現連接失效問題。微彈簧圈(Micro-coil Spring,MCS)封裝技術因應復雜、惡劣使用環境運而生,未來將在航天航空、軍事上發揮重要的作用。 
           
          2微彈簧圈(MCS) 
           
           
          圖 1 微彈簧圈3D結構示意圖及設計尺寸
           
          微彈簧圈封裝是在陶瓷柱陣列封裝(CCGA)基礎上進行創新為適應復雜使用環境而生的一種封裝技術。MCS由本體螺旋彈簧和釬料鍍層組成,其結構3D示意圖如圖1。從圖1中可知,MCS的兩端分別存在一個相鄰的閉合線圈(2-3 圈)。它的本體螺旋彈簧部分是由鈹銅合金制成,鈹銅合金是銅合金中性能最好的高級彈性材料,具有很高的強度、彈性、硬度、疲勞強度、高導電等優良性能,其部分物理性能見表1。釬料鍍層部分目前使用較多的 Sn60-Pb40(鍍層厚度 2.5mm)、Ni(鍍層厚度 0.75-1.25mm)/Au(鍍層厚度 0.25mm)等。
           
          3微彈簧圈的制備
           
          圖2 MCS的生產工藝流程圖圖
          2是鈹銅合金MCS的制備工藝流程圖。從圖2中可知,MCS制備的關鍵在鈹銅合金制備、螺旋彈簧制備及鍍釬料層三道工序。鈹銅合金制備目前已經形成規范化,國內鈹銅合金牌號有QBe2/QBe1.7等;螺旋彈簧制備是鈹銅合金 MCS的核心工序,也是MCS較CCGA創新與性能體現,有關MCS與CCGA結構與性能對比將在下文敘述,螺旋彈簧由于其外徑及絲材直徑較小,生產工藝和尺寸及誤差準確控制是難點;鍍釬料層工序是傳統工藝,較易實現,關鍵在于電鍍均勻性,以免存在應力集中區。
           
          4微彈簧圈的封裝
           
          圖 3 MCS產品封裝實物圖
           
          圖4 MCS裝配及其焊點有限元模型圖
          3是MCS產品封裝實物圖片,圖4是MCS封裝及其焊點有限元模型。結合圖3和圖4可知,MCS和銅核球一樣,由于封裝材料本身沒有足夠的釬料進行封裝,因此需要在PCB板上焊盤位置預置錫膏,錫膏的選擇應根據鍍層釬料、 使用環境和母板材質選擇。在圖4焊點有限元模擬中,MCS被分為兩部分:閉合線圈和活動線圈。閉合線圈一般是埋藏在錫膏中,主要起固定作用;活動線圈利用其高彈
          性及熱導率來維持連接出的機械完整性和熱穩定性。
           
          5微彈簧圈有限元分析與物理測試 
           
          圖5 MCS分別承受剪切應力和壓應力的有限元模擬圖
          P.Lall等人對MCS承受剪切應力和壓應力時的應力分布進行有限元分析模擬后指出,在這種條件下,MCS出現失效的部分在螺旋彈簧線圈上,圖5是MCS分別承受剪切應力和壓應力的有限元模擬圖。
           
          圖6 Allison Copus實習報告中給出的錫球和MCS物理測試結果 左圖為錫球的物理測試結果;右圖為MCS的物理測試結果 
          注:圖中橫坐標溫度值分別為取的是錫球和MCS與焊盤上熱電偶的溫度差值。AllisonCopus在其NASA的實習報告中寫到,通過有限元模擬和物理實驗表明,在真空條件下MCS的散熱性能弱于傳統錫鉛合金釬料。圖6是Allison Copus實習報告中給出的錫球和MCS物理測試結果。
           
          6微彈簧圈焊點分析
           
          圖7 MCS和CCGA封裝結構示意圖
           
          圖 8 1500g跌落測試下的不變形、正、負撓曲結果圖
          圖7是MCS和CCGA封裝結構示意圖。從圖中我們可以知道,MCS封裝結構和CCGA封裝相似,這也使其具有了CCGA封裝的優點,如優良的電氣和熱性能,高的可靠性和 I/O密度等。CCGA因其柱體設計能夠保持一定的封裝空間而在3D封裝領域占據一席之地,然而實心柱體的設計優勢有時反而成為了劣勢,那就是在惡劣的使用環境(比如大的剪切應力、壓應力、熱應力)會使其發生不可恢復變形,從而導致較早焊點失效。而MCS封裝設計的螺旋彈簧結構不僅繼承CCGA的性能優點,還能夠很好的通過一定的可恢復形變承受大的應力作用,從而保證焊點連接的完整性和功能性,極大的延長元器件的使用壽命。
          在封裝材料使用過程中,陶瓷基板與PCB板之間因熱膨脹系數不匹配而引起變形進而導致焊點失效的現象時常發生。脫胎于CCGA的MCS可以利用自身優良的彈性很好解決這問題,提高焊點的可靠性。圖8是MCS焊點在1500g跌落測試結果圖。
           
          7微彈簧圈失效形式
           
          圖 9 MCS封裝失效形式分析
          8展望
           
          盡管MCS封裝也存在一些不足,但是其優勢是顯而易見的。MCS封裝以其獨特的高的彈性和疲勞強度為復雜惡劣的使用條件下的電子封裝提供了解決方案,相信未來會在航空航天、軍事、民用等領域發揮著舉足輕重的作用。(本文由廣華群崴、重慶群崴電子材料有限公司授權提供,不代表本公司立場。原作者如有任何疑問,請與我們聯系。)
           
          關于重慶群崴電子材料有限公司:是廣華群崴股份有限公司旗下一家專業從事電子封裝材料研發和生產的高新技術創新型企業。公司擁有多項相關技術專利,是臺灣和大陸霧化成型BGA 錫球技術專利持有人。公司目前與國內多所高校保持合作關系,并設有研發中心,具有專業的產品研發能力,可生產BGA 錫球、銅核球、錫柱、增強型錫柱、錫絲、錫膏、預成形焊片等封裝產品,并能進行客制化研發與生產。