铜带缠绕型焊柱装联结构的板级热-机械可靠性研究

吕晓瑞，林鹏荣，王 勇，刘建松，杨 俊

（北京微电子技术研究所，北京 100076）

1 引言

陶瓷封装因其具有的高可靠性、优良的电气和热性能而被广泛应用于军事、航空和航天等领域的电子产品中[1]。采用陶瓷基板后，芯片与基板的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）得到了较好的匹配，但 FR4 印制电路板的 CTE 为 18×10-6~20×10-6/℃，是常规氧化铝陶瓷基板的3~4 倍。陶瓷柱栅阵列封装（Ceramic Column Grid Array，CCGA）采用高度较高的焊柱代替焊球，更好地缓解了板级装联时由于CTE 不匹配而产生的热疲劳应力问题，提高了组装的可靠性[2-4]。CCGA 封装更适用于高密度、大尺寸封装领域，能满足航天产品对器件高性能、高密度和高可靠性的应用需求，在军事、航空和航天电子制造领域具有良好的应用前景[3]。虽然与CBGA 焊球连接方式相比，CCGA 的长期可靠性寿命有了显著的提高，但在热冲击或机械冲击考核试验中，在焊柱与基板焊接界面、焊料包裹焊柱的端部仍会出现失效断裂现象，这与焊柱本身的结构有很大关系[4]。据统计，武器装备、运载火箭和航天器出现故障的原因，超过50%来源于振动，振动是航天器最难解决的技术难题之一。目前，国内外对电子封装中微互连焊点疲劳行为的研究多集中在热疲劳方面，对微焊点振动疲劳行为的研究相对较少。

传统的CCGA 封装器件采用材质本身较软、尺寸外形较长的高铅焊柱进行封装。这种焊柱结构在长期使用过程中在温度循环热应力作用下极易发生蠕变变形和开裂，在机械振动冲击作用下也极易在焊料包裹焊柱的界面发生开裂。……