航空航天封裝材料的新寵兒---微彈簧圈

 

背景

為了更好地掌握空間交會(huì )對接技術(shù)，開(kāi)展地球觀(guān)測和空間地球系統科學(xué)、空間應用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫學(xué)等領(lǐng)域的應用和試驗，我國將于今年擇機發(fā)射神舟十一號飛船與天宮二號對接，進(jìn)行人在太空中期駐留試驗。在驚喜于國家航天航空技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，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(fā)射到太空，這對現有封裝技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的挑戰。

電子設備在發(fā)射過(guò)程中經(jīng)歷著(zhù)超重、失重、震動(dòng)及剪切應力等復雜的物理過(guò)程，容易出現連接失效問(wèn)題。微彈簧圈（Micro-coil Spring，MCS）封裝技術(shù)因應復雜、惡劣使用環(huán)境運而生，未來(lái)將在航天航空、軍事上發(fā)揮重要的作用。

微彈簧圈（MCS）

微彈簧圈封裝是在陶瓷柱陣列封裝（CCGA）基礎上進(jìn)行創(chuàng )新為適應復雜使用環(huán)境而生的一種封裝技術(shù)。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(gè)相鄰的閉合線(xiàn)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(yōu)良性能，其部分物理性能見(jiàn)表1。釬料鍍層部分目前使用較多的Sn60-Pb40（鍍層厚度2.5um）、Ni（鍍層厚度0.75-1.25um）/Au（鍍層厚度0.25um）等。

圖1 微彈簧圈3D結構示意圖及設計尺寸

 

表1 鈹銅合金性質(zhì)

名稱(chēng)	抗拉強度（Mpa）	密度（g/cm3）	彈性模量（Gpa）	硬度（HRC）	熱導率（W/m×k）20℃	電導率（IACS%）
鈹銅合金	1105	8.3	128	38-44	105	18

 

微彈簧圈的制備

圖2  MCS的生產(chǎn)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(guān)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(jīng)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(chuàng )新與性能體現，有關(guān)MCS與CCGA結構與性能對比將在下文敘述，螺旋彈簧由于于其外徑及絲材直徑較小，生產(chǎn)工藝和尺寸及誤差準確控制是難點(diǎn)；鍍釬料層工序是傳統工藝，較易實(shí)現，關(guān)鍵在于電鍍均勻性，以免存在應力集中區。

微彈簧圈的封裝

 

圖3  MCS產(chǎn)品封裝實(shí)物圖

 

圖4  MCS裝配及其焊點(diǎn)有限元模型

   圖3是MCS產(chǎn)品封裝實(shí)物圖片，圖4是MCS封裝及其焊點(diǎn)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(méi)有足夠的釬料進(jìn)行封裝，因此需要在PCB板上焊盤(pán)位置預置錫膏，錫膏的選擇應根據鍍層釬料、使用環(huán)境和母板材質(zhì)選擇。在圖4焊點(diǎn)有限元模擬中，MCS被分為兩部分：閉合線(xiàn)圈和活動(dòng)線(xiàn)圈。閉合線(xiàn)圈一般是埋藏在錫膏中，主要起固定作用；活動(dòng)線(xiàn)圈利用其高彈性及熱導率來(lái)維持連接出的機械完整性和熱穩定性。

微彈簧圈有限元分析與物理測試

P. Lall等人對MCS承受剪切應力和壓應力時(shí)的應力分布進(jìn)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(xiàn)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5  MCS分別承受剪切應力和壓應力的有限元模擬圖

    Allison Copus在其NASA的實(shí)習報告中寫(xiě)到，通過(guò)有限元模擬和物理實(shí)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(shí)習報告中給出的錫球和MCS物理測試結果。

 

圖6  Allison Copus 實(shí)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(pán)上熱電偶的溫度差值。

微彈簧圈焊點(diǎn)分析

 

   

圖7  MCS和CCGA封裝結構示意圖

 

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(yōu)點(diǎn)，如優(yōu)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(lǐng)域占據一席之地，然而實(shí)心柱體的設計優(yōu)勢有時(shí)反而成為了劣勢，那就是在惡劣的使用環(huán)境（比如大的剪切應力、壓應力、熱應力）下會(huì )使其發(fā)生不可恢復變形，從而導致較早焊點(diǎn)失效。而MCS封裝設計的螺旋彈簧結構不僅繼承CCGA的性能優(yōu)點(diǎn)，還能夠很好的通過(guò)一定的可恢復形變承受大的應力作用，從而保證焊點(diǎn)連接的完整性和功能性，極大的延長(cháng)元器件的使用壽命。

在封裝材料使用過(guò)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(jìn)而導致焊點(diǎn)失效的現象時(shí)常發(fā)生。脫胎于CCGA的MCS可以利用自身優(yōu)良的彈性很好解決這問(wèn)題，提高焊點(diǎn)的可靠性。圖8是MCS焊點(diǎn)在1500g跌落測試結果圖。

 

圖8  1500g跌落測試下的不變形、正、負撓曲結果圖

微彈簧圈失效形式

    MCS封裝的失效形式主要有兩種，如圖9所示。和CCGA的“S形”失效形式不同，前文我們提到MCS封裝最容易出現失效的位置在螺旋彈簧線(xiàn)圈上，如圖9中左圖，出現這種失效的主要原因可能是由于軸向應力、壓應力等過(guò)大，導致出現不可回復變形，最終出現斷裂；圖9中右圖是經(jīng)過(guò)多次熱循環(huán)后失效的組織金相圖，主要集中在氧化鋁陶瓷板端焊點(diǎn)處。

圖9  MCS封裝失效形式分析

展望

盡管MCS封裝也存在一些不足，但是其優(yōu)勢是顯而易見(jiàn)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(lái)會(huì )在航空航天、軍事、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。

 

參考文獻

Pradeep Lall, Kewal Patel, Ryan Lowe et al. Modeling and Reliability Characterization of Area-Array Electronics Subjected to High-G Mechanical Shock Up to 50,000g,2012

Allison Copus. Thermal Performance of Micro-springs in Electronic Systems,2009

S.M. Strickland, J.D. Hester. Micro-coil Spring Interconnects for Ceramic Grid Array Integrated Circuits,2011