柱栅阵列试验方法研究

卢思佳，王斌，江凯

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

0 引言

在电子制造业中，面阵封装是目前制造电子元器件时所采用的主流封装形式，它包括球栅阵列（BGA：Ball Grid Array）封装和柱栅阵列 （CGA：Column Grid Array）封装。CGA封装是在BGA封装的基础上发展起来的，作为一种高密度面阵排布的表面贴装封装形式，近年来被广泛地应用于航空航天领域中的高可靠电子产品的封装中。

陶瓷柱栅阵列 （CCGA：Ceramic Column Grid Array）是CGA封装的一种封装形式，也是目前CGA器件唯一的封装形式，它与陶瓷球栅阵列（CBGA：Ceramic Ball Grid Array）工艺的区别在于器件的球栅焊点变为柱栅焊点。与BGA封装相比，CGA器件由于封装焊柱在Z轴方向上的增高，因而散热性更好，在热失配钎料互连中引起的剪切应变也更小，具有更高的可靠性，CBGA与CCGA封装对比情况如图1所示。

图1 CBGA与CCGA封装对比典型图

现阶段CGA封装的检测主要是采用GJB 7677中给出的BGA的检测方法进行，目前国内还没有针对CGA焊柱封装制定专门的检测标准及检测方法。本文将从焊柱结构尺寸 （共面性）、焊柱拉脱强度和焊柱剪切强度3个方面进行CGA试验方法的研究，以期能够填补CGA封装检测技术的空白。

1 试验方案

本论文选取1.27 mm节距CCGA717封装电路（焊柱直径为0.51 mm）、1.27 mm节距CCGA672封装电路 （焊柱直径为0.56 mm）和1.00 mm节距CCGA1144封装电路 （焊柱直径为0.51 mm）3种样品，他们均是高钎焊柱通过回流焊的方式焊接而成的，其他详细参数如表1所示。采用MFM1500键合剪切强度试验系统和OPTIV PERFORMANCE 443型光学影像测量系统 （复合式）进行焊柱结构尺寸 （共面性）试验、焊柱拉脱强度试验和焊柱剪切强度试验。

表1 试验样品参数

2 结构尺寸 （共面性）方法的研究

参考GJB 7677-2012《球栅阵列 （BGA）的试验方法》，模拟实际装配焊接的情况，采用基准平面法检测CGA封装焊球的共面性。对标记每个引出端在Z方向相对于起始面 （植柱面）的最大高度，即确认每个引出端Z方向极值点。Z方向最高点标定方式主要有：接触式测量法、圆心法、明暗区域法和区域阵列法，如图2所示。图2中Z方向最高点标注方法从左到右分别是接触式测量法、圆心法、明暗区域法和区域阵列法。

图2 Z轴不同测量方法典型图

选取1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路，分别采用明暗阴影法、圆心法、区域阵列法和接触式测量法4种不同的方法进行试验对比，所得到的结果如图3所示。

图3 共面性试验实际操作典型图

通过试验对比可知明暗阴影法、圆心法、区域阵列法和接触式测量法这4种测试方法均适用于柱栅阵列Z轴方向的测量，并通过测量焊柱的高度，最终确定了基准平面并得到了共面性的结果。明暗阴影法需要白光的自动对焦和自动选点，是通过光强度的对比来选择最高点的，所以必须保证焊柱端面的清洁，否则污染物会干扰测试结果；圆心法有一定的局限性，测试前必须先用肉眼检查一遍焊柱是否有明显的凹凸不平或倾斜现象；区域阵列法较圆心法更准确，但是选点的编程需要一定的时间，测试时间是圆心法的几倍；接触式测量法采用的是探针接触式测量，探针会对引出端施加一定的压力，有可能会对引出端造成不可逆的损伤，因此接触式测量的结果一般无法复现，在实际的鉴定检验中一般不推荐使用接触式测量。

从多次测量的稳定性和均值考虑，各种测量方法的优劣顺序为：明暗阴影法＞区域阵列法＞接触式测量法＞圆心法；从检测时间的长短来考虑，各种测量方法的优劣顺序为：区域阵列法＞接触式测量法＞明暗阴影法＞圆心法。

3 抗拉强度 （焊线柱抗拉强度）试验方法研究

3.1 拉脱速率对焊柱抗拉强度性能的影响研究

分别采用1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路进行试验，在相同的焊柱夹持高度 （焊柱总高度的10%，焊柱的根部）下，采用拉力爪分别在 50、 100、200、 500、 1 000 μm/s 拉伸速率下对焊柱进行抗拉强度试验，每个速率随机地选取4个象限的40个焊柱，记录数据结果，将5种速率下焊柱抗拉强度的数据绘制成曲线图进行对比，结果如图4-6所示。

从图4-6的试验结果中可以看出，随着拉脱速度的增加，拉力力值呈加大和稳定的趋势。1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路的试验结果基本一致，在拉脱高度一定的情况下，拉脱速率从50 μm/s增大到1 000 μm/s的过程中，抗拉强度增大了约4%，增大拉脱速率，对抗拉强度的影响不大，建议拉脱速率可为50～1 000 μm/s。

图4 1.27 mm节距CCGA717封装电路试验结果

图5 1.27 mm节距CCGA672封装电路试验结果

图6 1.00 mm节距CCGA1144封装电路试验结果

3.2 拉脱高度对焊柱抗拉强度性能的影响研究

分别采用1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路进行试验，在相同的拉脱速率（拉脱速率为100 μm/s）下，采用拉力爪分别在焊柱总高度的5%、10%、20%、30%和50%处进行拉脱试验，每个高度随机地选取4个象限的40个焊柱，并记录数据结果，将5种高度下焊柱抗拉强度的数据绘制成曲线图进行对比，结果如图7-9所示。

图7 1.27 mm节距CCGA717封装电路试验结果

图8 1.27 mm节距CCGA672封装电路试验结果

图9 1.00 mm节距CCGA1144封装电路试验结果

通过对图7-9的试验数据进行分析可知，随着拉脱高度的增加，拉力力值呈减小和稳定的趋势。1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路的试验结果基本一致，在拉脱速率一定的情况下，拉脱高度从焊柱高度的5%增大到焊柱高度的50%的过程中，抗拉强度减小了约13%，失效位置基本位于焊柱根部，若抗拉高度从焊柱高度的10%增大到焊柱高度的50%，抗拉强度减小约3%，可见焊料的抗拉强度远大于焊柱焊接端面的抗拉强度，因此建议试验时抗拉高度为10%～50%，并且不低于焊料高度。

3.3 试验焊柱的选取对焊柱抗拉强度性能的影响研究

对于大规模窄节距封装的多引出端样品，按相关标准随意地抽取少量的引出端或对所有的引出端都进行试验都是不合理的。因为引出端会分布到很大的面积区域，受加工制作工艺的限制而存在一定的偏向性，本文根据上述情况作了相关研究，对1.27 mm节距CCGA717封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路在拉脱速率为100 μm/s，拉脱高度为焊柱高度的10%的条件下进行焊柱抗拉强度试验，把所有能进行试验的焊柱全部拉脱下来。把1.27 mm节距CCGA717封装电路数据分为4个象限，对各个象限的数据求和，结果如表2所示，从表2中的数据可以发现第四象限的数据偏小；把1.00 mm节距CCGA1144封装电路数据分为4个象限，对各个象限的数据求和，结果如表3所示，从表3中的数据可以发现第三象限的数据偏大。因此，对于大规模封装的多引出端样品，在进行抗拉强度试验时，在保证抽样方案不变的情况下，可改变抽样方法，从原来的随机抽样改为有方向性的抽样，如把CGA样品焊柱分为4个象限，从每个象限内随机抽样进行试验，同时考虑到边角问题，也应该尽量对边角区域进行选择性试验。

表2 1.27 mm节距CCGA717封装电路焊柱抗拉强度数据4个象限求和的结果

表3 1.00 mm节距CCGA1144封装电路焊柱抗拉强度数据4个象限求和的结果

4 引出端强度 （焊柱剪切强度）试验方法研究

4.1 剪切速率对焊柱剪切强度性能的影响研究

分别采用1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路进行试验，测试时规定相同的焊柱剪切高度 （焊柱高度的10%），采用拉力爪分别在 50、 100、 200、 500、 800 μm/s剪切速度下对焊柱进行剪切试验，每个速度随机地选取4个象限共40个焊柱。在每次运行期间，记录数据，将5种速度下焊柱剪切强度的数据绘制成曲线图进行对比，结果如图10-12所示。

图10 1.27 mm节距CCGA717封装电路试验结果

图11 1.27 mm节距CCGA672封装电路试验结果

图12 1.00 mm节距CCGA1144封装电路试验结果

通过对图10-12的数据进行分析可知，随着剪切速率的增加，拉力力值呈增大和稳定的趋势。1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路的试验结果基本一致，在剪切高度一定的情况下，拉脱速率从50 μm/s增大到800 μm/s的过程中，剪切强度增大了20%；拉脱速率从100 μm/s增大到800 μm/s的过程中，剪切强度增大了10%，失效点基本位于焊柱根部。因此拉脱速率较慢，会造成 “层层切”的假象，影响试验结果，建议试验时剪切速率为100～800 μm/s，具体可根据实际试验的目的进行选择。

4.2 剪切高度对焊柱剪切强度性能的影响研究

分别采用1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路进行试验，在相同的焊柱剪切速率100 μm/s下，剪切高度分别在焊柱高度的2%、5%、10%、20%处进行剪切试验，每个高度随机选取4个象限的40个焊柱。记录数据，将4种速度下焊柱剪切强度数据绘制成曲线图进行对比，结果如图13-15所示。

通过对图13-15的试验结果和试验数据进行分析可知，随着剪切高度的增加，拉力力值呈减小和稳定的趋势。1.27 mm节距CCGA717封装电路、1.27 mm节距CCGA672封装电路和1.00 mm节距CCGA1144封装电路的试验结果基本一致，在焊柱剪切速率一定的情况下，剪切高度从焊柱高度的2%增大到20%，剪切强度减小了50%，可见焊料的剪切强度要远高于焊接端面的剪切强度和高钎焊料的剪切强度，而当剪切高度大于20%时，焊柱弯曲的同时，试验失效，所以不考虑剪切高度大于20%的情况。因此建议焊柱剪切强度试验的剪切高度选为焊柱高度的10%，焊柱根部，避开焊料的位置。

图13 1.27 mm节距CCGA717封装电路试验结果

图14 1.27 mm节距CCGA672封装电路试验结果

图15 1.00 mm节距CCGA1144封装电路试验结果

5 结束语

本文从焊柱结构尺寸 （共面性）、焊柱拉脱强度和焊柱剪切强度3个方面对CGA的试验方法进行了研究。从焊柱结构尺寸 （共面性）试验可以得出如下的结论：从多次测量的稳定性和均值的角度考虑，明暗阴影法最优，但圆心法检测所需的时间最短；从焊线柱抗拉强度试验可以得出如下的结论：拉脱速率对焊柱抗拉强度性能影响不大，抗拉高度的选择、不同象限试验焊柱的选取对焊柱抗拉强度性能有所影响；从焊柱剪切强度试验可以得出如下的结论：拉脱速率较慢会影响试验结果，剪切高度应选为焊柱高度的10%。通过这些试验结果的积累，为柱栅阵列CGA检测试验方法的选择提供了一定的参考依据。