（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201100）

文 摘 宇航型號(hào)單機(jī)生產(chǎn)過程中，部分陶瓷柱柵陣列（CCGA）芯片因軟件固化、調(diào)試等原因需使用返修臺(tái)進(jìn)行落焊，落焊溫度曲線直接影響CCGA 器件及周圍器件的裝配可靠性。本文使用紅外熱風(fēng)混合型返修臺(tái)對(duì)CCGA 器件落焊控溫工藝進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，返修臺(tái)控溫點(diǎn)距離器件邊緣1～2 mm 時(shí)溫度反饋控制效果最佳；本文提出了增加導(dǎo)熱擋板控制高溫區(qū)范圍（＞183 ℃）的新方案，可將本文使用的印制板高溫區(qū)控制在落焊位置周圍8 mm 范圍內(nèi)；CCGA 焊接樣件分析顯示焊錫柱側(cè)微觀組織呈塊狀，金屬間化合物（IMC）層組織均勻，未出現(xiàn)Cu3Sn 脆化物，可靠性試驗(yàn)后染色浸潤(rùn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)完好，未出現(xiàn)裂紋。結(jié)果證明本文提出的溫度控制工藝合理有效，可應(yīng)用于宇航產(chǎn)品落焊過程。

0 引言

近年來隨衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命增加，航天電子設(shè)備可靠性要求也逐步提高。陶瓷柱柵陣列（CCGA）因其優(yōu)越的抗熱疲勞、散熱、抗剪切性能逐步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)衛(wèi)星產(chǎn)品。Actel 公司對(duì)采用80Pb/20Sn 螺旋銅帶增強(qiáng)型錫柱的CCGA 封裝芯片進(jìn)行測(cè)試，CCGA 封裝可滿足空間產(chǎn)品壽命使用要求［1-3］。

眾多宇航單機(jī)生產(chǎn)過程中需首先安裝調(diào)試器件對(duì)單機(jī)性能、軟件正確性進(jìn)行調(diào)試，待軟件固化后落焊CCGA 封裝的芯片。但目前國(guó)內(nèi)并無(wú)CCGA 落焊工藝規(guī)范，該器件研究集中于CCGA 封裝芯片焊錫柱、器件加固可靠性方面［4-6］，板級(jí)裝配結(jié)束后實(shí)施CCGA 高可靠落焊工藝研究較少。CCGA 封裝器件在落焊過程中存在以下問題：落焊過程中周圍器件、焊點(diǎn)受熱損傷風(fēng)險(xiǎn)，返修臺(tái)落焊此類封裝器件局部高溫區(qū)溫度控制，焊點(diǎn)可靠性需驗(yàn)證。本文使用ERSAHR600/2 返修臺(tái)，對(duì)CCGA 器件（717 引腳數(shù)）使用返修臺(tái)落焊工藝過程關(guān)鍵控制點(diǎn)、溫度控制技術(shù)焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行研究。

1 CCGA 封裝芯片返修臺(tái)溫度測(cè)試及高溫區(qū)控制措施

本節(jié)對(duì)返修臺(tái)焊接CCGA溫度進(jìn)行測(cè)試，分析影響CCGA器件落焊溫度的要素，提出并驗(yàn)證增加導(dǎo)流擋板控制局部加熱高溫區(qū)范圍的新方法。

1.1 CCGA返修臺(tái)落焊溫度曲線測(cè)試

返修臺(tái)HR600/2 加熱方式為紅外熱風(fēng)混合加熱模式，其中下加熱區(qū)為整板加熱，上加熱模塊為區(qū)域加熱［圖1（a）］，焊接過程中將熱電偶固定在距離落焊器件周圍的印制板上（以下稱控溫點(diǎn)）。作為返修臺(tái)加熱功率PID控制的關(guān)鍵反饋要素，其距離器件本體的距離不同將影響器件及焊盤受熱溫度，因此控溫點(diǎn)位置極為重要。HR600/2 返修臺(tái)上加熱模塊加熱范圍為圖1（b）中虛線區(qū)域，測(cè)試過程中Tc1～Tc6測(cè)溫點(diǎn)見圖1（b）及表1所示。

圖1 返修臺(tái)模組及焊接加熱示意圖Fig.1 Schematic diagram of rework platform and welding heating area

表1 溫度測(cè)試點(diǎn)位置Tab.1 Location of temperature test point

現(xiàn)對(duì)CCGA工藝件和工藝板進(jìn)行測(cè)試，返修臺(tái)各溫度點(diǎn)設(shè)置溫度60、135、180、220 ℃，60～135 ℃保持時(shí)間75 s；135～180 ℃保持時(shí)間115 s；180～220 ℃保持時(shí)間45 s、220 ℃保持時(shí)間25 s，使用測(cè)溫儀對(duì)上述測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行溫度采集。圖2（a）～（d）分別為控溫點(diǎn)距離器件本體邊緣0、1、2、3 mm 的印制板上時(shí)Tc1～Tc3三個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度曲線。從圖2中可以看出，距離器件邊緣過近（0 mm）的曲線均有超溫風(fēng)險(xiǎn)；控溫點(diǎn)距離器件邊緣1～2 mm 范圍內(nèi)各點(diǎn)峰值溫度均在合理范圍內(nèi)；控溫點(diǎn)距離器件3 mm 時(shí)，Tc1～Tc3焊盤測(cè)溫點(diǎn)溫度普遍降低。上述現(xiàn)象表明，相較于印制板光板位置，距離CCGA 器件邊緣1 mm以內(nèi)位置熱容量高，且CCGA 封裝器件整體高度4～4.2 mm（焊錫柱高度2～2.2 mm；陶瓷本體厚度2 mm），將控溫點(diǎn)放置在器件底部或緊鄰器件一側(cè)，溫度傳導(dǎo)需一定時(shí)間，器件底部焊盤溫升的滯后效應(yīng)導(dǎo)致控溫點(diǎn)溫度滯后，此時(shí)返修臺(tái)上加熱區(qū)持續(xù)加熱，導(dǎo)致超溫；而距離器件邊緣2 mm 以外位置印制板基材熱容小、升溫快，控溫點(diǎn)若距離器件較遠(yuǎn)，該點(diǎn)較早達(dá)到設(shè)備設(shè)置溫度，返修臺(tái)上、下加熱模塊功率提前降低，實(shí)際焊盤溫度達(dá)不到焊接要求。

圖2 控溫點(diǎn)距器件邊緣不同位置情況下實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.2 Measured temperature curves of temperature-control-point at different positions

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，使用紅外熱風(fēng)混合性返修臺(tái)時(shí)落焊CCGA封裝器件控溫點(diǎn)位置距離器件1～2 mm為最佳，可有效反應(yīng)器件焊接溫度。

1.2 降低返修核心區(qū)以外溫度措施

本文提出在落焊部位或需重點(diǎn)防護(hù)部位周圍增加熱流擋板，吸收部分高溫區(qū)傳導(dǎo)熱量，將183 ℃以上溫度范圍縮小至器件周圍8 mm 內(nèi)。本方法主要利用鋁箔高熱導(dǎo)率［（200～250）W/（m·K）］特性，焊接過程中熱量由高溫區(qū)流向低溫區(qū)時(shí)通過導(dǎo)熱擋板，部分熱流傳導(dǎo)至導(dǎo)流板上，本文中導(dǎo)流擋板材質(zhì)為鋁箔制作，尺寸為35 mm×15 mm，厚度3 mm 左右，使用過程中鋁箔一側(cè)與印制板緊密貼合，并使用耐高溫膠帶輔助固定?，F(xiàn)使用CCGA 測(cè)試板進(jìn)行測(cè)溫試驗(yàn)。

1.2.1 增加導(dǎo)流鋁箔板對(duì)各點(diǎn)溫度的影響

導(dǎo)流擋板距離CCGA 器件一側(cè)邊緣5 mm 左右，見圖1（b）中陰影部分，現(xiàn)使用圖2（c）返修臺(tái)溫度測(cè)試曲線，控溫點(diǎn)距離器件邊緣2 mm，測(cè)量圖1（b）中6個(gè)測(cè)試點(diǎn)實(shí)際溫度。圖3為不加導(dǎo)流鋁箔板和增加導(dǎo)流鋁箔板兩種狀態(tài)下各點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度曲線。

圖3 實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.3 Measured temperature curves

通過各測(cè)溫點(diǎn)峰值溫度對(duì)比，器件中心（Tc1）和一側(cè)邊中點(diǎn)（Tc2）溫度基本無(wú)變化。從圖3可以看出，Tc3～Tc6 位置峰值溫度出現(xiàn)了不同程度的下降。其中Tc4、Tc5 點(diǎn)印制板表面溫度直接由210 ℃以上降低到180 ℃以下，證明在焊接過程中，增加導(dǎo)流鋁箔板可顯著降低周圍印制板面的峰值溫度。

1.2.2 某產(chǎn)品測(cè)試板實(shí)際測(cè)試

以上實(shí)驗(yàn)針對(duì)CCGA 工藝器件和工藝板進(jìn)行測(cè)試，除CCGA工藝件以外周圍并無(wú)其他器件。為驗(yàn)證導(dǎo)流擋板對(duì)減低周圍器件引腳受熱溫度的有效性，現(xiàn)進(jìn)行某測(cè)試板實(shí)際控溫效果測(cè)試。圖4（a）（c）為產(chǎn)品測(cè)溫點(diǎn)位置圖，測(cè)溫點(diǎn)Tt1 和Tt2 位于QFP 器件兩角位置，Tt3 和Tt4 分別位于器件QFP 位置左右兩側(cè)SOJ 封裝器件引腳部位（距離QFP 器件邊緣8～9 mm位置處）。

圖4（b）（d）分別為增加鋁箔前、后印制板上各點(diǎn)溫度曲線，可見在不影響Tt1和Tt2位置溫度情況下，增加鋁箔導(dǎo)流擋板Tt3 位置溫度由174.4 ℃降低至163.3 ℃，Tt4 位置峰值溫度由184.4 ℃降低至172.2 ℃。整體降溫幅度在12～13 ℃。

圖4 某產(chǎn)品導(dǎo)流鋁箔板控溫效果測(cè)試Fig.4 Temperature-control effect test results of the heat conduction baffles

該產(chǎn)品測(cè)試板上排布多個(gè)貼片器件，整板熱容量（由比熱和質(zhì)量決定）較大。未增加導(dǎo)流擋板情況下該測(cè)試板距離加熱位置8 mm 的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)峰值溫度（185、175.4 ℃）明顯低于CCGA 測(cè)試板周圍測(cè)溫點(diǎn)峰值溫度（＞220 ℃）。Q為加熱功率：

式中，c為比熱容，m為質(zhì)量，ΔT為溫差。在加熱功率Q一定的情況下，該測(cè)試板返修位置以外部位的熱容量大，返修周邊位置升溫ΔT小于CCGA測(cè)試板。

增加導(dǎo)流擋板后，在落焊返修部位該產(chǎn)品測(cè)試板QFP 器件周圍8 mm 位置處器件焊點(diǎn)上降溫幅度（12～13 ℃）僅為CCGA 測(cè)試板的1/4～1/5。QC為焊接過程中導(dǎo)流板吸熱量：

式中，器件比熱容Cq、質(zhì)量mq、印制板比熱Cpcb、印制板質(zhì)量mpcb，導(dǎo)流擋板質(zhì)量ml、導(dǎo)流擋板比熱容Cl。假設(shè)導(dǎo)流擋板吸熱量QC不變，未增加導(dǎo)流擋板時(shí)此部分熱量全部由周圍器件和印制板吸收，由式（2）和式（3）可看出CCGA 測(cè)試板降溫溫差ΔTCCGA高于ΔTtest。由此可見，周邊器件熱容量的增加，導(dǎo)致增加鋁箔擋板后該測(cè)試板周邊器件溫度降低幅度小于CCGA 測(cè)試板。該測(cè)試證明增加鋁箔導(dǎo)流擋板吸收了部分由加熱核心區(qū)流向周邊器件和印制板的熱量，有利于降低周圍器件或焊點(diǎn)的受熱溫度。

2 落焊、可靠性試驗(yàn)

現(xiàn)使用返修臺(tái)溫度上限曲線（實(shí)際溫度曲線見圖5）、下限曲線焊接CCGA 樣件，下限曲線見圖2（c）。使用此兩條曲線焊接CCGA 樣件并參照航天標(biāo)準(zhǔn)QJ 3086A—2016《表面和混合安裝印制電路板組件的高可靠性焊接》進(jìn)行溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)等可靠性試驗(yàn)，見表2。

圖5 溫度上限實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.5 Measured upper limit temperature curves

表2 試驗(yàn)工藝芯片狀態(tài)、試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.2 CCGA chip status and test items

圖6可知，焊后X 光檢查焊點(diǎn)空洞率滿足標(biāo)準(zhǔn)中焊點(diǎn)空洞率小于15%要求，焊后參照QJ3086A—2016第7節(jié)進(jìn)行焊接可靠性試驗(yàn)。

圖6 焊后空洞率檢測(cè)X光照片F(xiàn)ig.6 X-ray pictures of void ratio detection in solder joint

3 焊點(diǎn)可靠性測(cè)試結(jié)果分析

可靠性試驗(yàn)后對(duì)器件進(jìn)行切片，分析焊點(diǎn)微觀組織和形成過程（SEM/EDS），分析可靠性試驗(yàn)后焊點(diǎn)內(nèi)裂紋情況。

3.1 焊點(diǎn)顯微組織及形成過程分析

使用掃描電鏡觀察焊點(diǎn)微觀組織，并對(duì)金屬間化合物（IMC）層和兩側(cè)組織成分進(jìn)行EDS能譜分析。圖7為各樣件焊點(diǎn)的SEM 顯微組織圖和EDS 成分測(cè)試結(jié)果。其中A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)分別位于CCGA 錫柱側(cè)、IMC 層和PCB 焊盤上。焊點(diǎn)IMC 層上（各圖中B點(diǎn)）EDS 原子分?jǐn)?shù)結(jié)果表明，1#～4#樣件IMC 層成分為Cu6Sn5，且IMC 層成分均勻（IMC 層平均厚度在0.89～2.2 um左右），沒有出現(xiàn)Cu3Sn脆化物。

圖7 各樣件顯微組織、IMC層及成分分析Fig.7 Microstructure，IMC layer，and composition analysis of ceramic column grid array package samples

從圖7和錫鉛合金共晶相圖（圖8）中可分析焊點(diǎn)形成過程［7-8］。共晶焊料焊接后應(yīng)形成均勻致密層片狀或條狀共晶合金，而圖中Sn63Pb37 焊料部位微觀組織呈片狀、塊狀，且組織粗大。

圖8 錫鉛合金相圖及顯微組織變化過程Fig.8 Analysis of phase diagram of Sn-Pb alloy and microstructure change process

分析原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）本試驗(yàn)中CCGA 器件使用焊芯柱材料為Pb80Sn20 亞共晶化合物，即圖8（a）中Sn20%所處位置，此類錫柱外側(cè)有焊接螺旋銅帶，具備較強(qiáng)的剛性、抗彎及抗疲勞斷裂能力，其室溫主要相為α+β、α、βⅡ相。印制板上印刷Sn63Pb37 焊錫膏。實(shí)際焊接過程中當(dāng)溫度超過共晶點(diǎn)183 ℃，雖未完全達(dá)到Pb80Sn20 熔點(diǎn)（260～280 ℃左右），錫柱中α+β 相已熔化，高鉛α 相尚且保持固態(tài)，在熔融的部分中移動(dòng)。焊接過程中高鉛焊錫柱與熔融焊料（Sn63Pb37）接觸，引腳上部分Pb 原子由高鉛部位向熔融焊料內(nèi)移動(dòng)，隨后冷卻過程中，形成高鉛亞共晶化合物。

（2）焊接過程中印制板上印刷的Sn63Pb37 焊錫膏熔化，Sn 元素和焊盤Cu 元素結(jié)合，形成Cu6Sn5（即IMC 層），由于Pb 和Cu 無(wú)法形成金屬間化合物，也無(wú)法形成固溶體，Sn與Cu的結(jié)合導(dǎo)致焊料一側(cè)Sn原子減少，液態(tài)金屬中Pb原子逐漸富集，冷卻過程中在緊鄰IMC 層的焊錫柱一側(cè)產(chǎn)生“串狀、米粒狀”富Pb 過共晶化合物。

3.2 染色試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9為CCGA 樣件進(jìn)行染色試驗(yàn)后器件和印制板圖。器件拔除后斷裂位置有3種：引腳連帶印制板焊盤整體脫落［圖9（a）］；引腳焊錫柱印制板一側(cè)斷裂［圖9（b）］；引腳焊錫柱印制板一側(cè)斷裂［圖9（c）］。3種情況焊點(diǎn)內(nèi)均無(wú)滲透染色現(xiàn)象；圖9（b）從焊點(diǎn)處斷裂，且焊點(diǎn)內(nèi)存在顯著的空洞痕跡，即焊點(diǎn)內(nèi)空洞影響了焊點(diǎn)強(qiáng)度，但在可靠性試驗(yàn)后周圍并未出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象（無(wú)染色現(xiàn)象）。

圖9 染色試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Dyeing-infiltration test results

從以上分析可知使用溫度上限和溫度下線兩條曲線焊接的CCGA 器件焊點(diǎn)微觀組織、IMC 層厚度、以及經(jīng)歷可靠性篩選試驗(yàn)后焊點(diǎn)均未出現(xiàn)裂紋，所使用的焊接曲線、峰值溫度范圍、操作規(guī)范、溫度控制措施合理有效，焊點(diǎn)質(zhì)量可靠。

4 結(jié)論

本文使用HR600/2 型紅外熱風(fēng)返修臺(tái)對(duì)CCGA工藝件進(jìn)行落焊及可靠性測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）提出航天產(chǎn)品CCGA落焊過程中降低落焊核心區(qū)外受熱溫度新方案，通過在受熱核心區(qū)外圍增加導(dǎo)熱擋板，在不影響落焊器件受熱溫度的前提下，將本文中使用的印制板高溫區(qū)（＞183 ℃）控制在落焊位置周圍8 mm范圍內(nèi)；

（2）規(guī)范紅外熱風(fēng)混合性返修臺(tái)落焊CCGA（717引腳）封裝芯片操作流程：落焊過程中控溫點(diǎn)位置距離CCGA 器件邊緣最佳距離為1～2 mm；確定了返修臺(tái)焊接溫度曲線上下限范圍；落焊峰值溫度控制在215～230 ℃范圍內(nèi)；

（3）可靠性試驗(yàn)后焊點(diǎn)顯微鏡檢查、染色試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)內(nèi)存在裂紋，因此本文確定溫度上下線范圍焊接CCGA 封裝芯片可靠性滿足航天產(chǎn)品使用要求；

（4）對(duì)CCGA 高鉛焊錫柱（Pb80Sn20）焊點(diǎn)進(jìn)行成分及焊點(diǎn)形成過程分析，焊點(diǎn)IMC 層焊錫柱側(cè)因高鉛焊錫柱材料微觀組織呈塊狀，IMC層成分未出現(xiàn)Cu3Sn 脆化物，且IMC 層厚度在合理范圍內(nèi)。證明此溫度控制工藝有效，可應(yīng)用于落焊過程中。