摘 要： 采用不同的固封方式，驗證了航天用CQFP封裝器件在嚴苛力學條件下的抗振效果，并通過熱循環試驗表明了不同膠黏劑由于熱膨脹系數的差異對焊點產生的影響。力學試驗表明，使用灌封S113膠+四角點封環氧6101和底填、四角點封均使用環氧55/9+引腳刷涂S113膠固封方式，兩者均能滿足力學加固的要求，力學試驗后器件和焊點均無損傷。但是溫度循環試驗表明，前者因熱失配更大，對CQFP器件的焊點造成了較大的損傷，而后者對焊點未造成明顯損傷。因此，針對CQFP器件的加固，應根據產品不同的使用工況進行區別對待。
關鍵詞： CQFP封裝器件；環氧膠；力學；熱循環；顯微組織
CQFP器件具有高密度、高可靠性以及優良的電性能等諸多優點在大規模集成電路中得到了廣泛應用，其常用的引腳數有256、240、228、208和172等，引腳間距一般為0.500 mm或0.635 mm，質量一般在8～20 g，器件實物如圖1所示。CQFP器件的焊點在實際應用中起著電氣連接和機械連接的雙重作用，一旦焊點失效，器件功能將無法實現。
影響CQFP器件焊點可靠性的因素除了焊點本身的質量外，還與器件的加固方式及器件所能承受的最大力學特性有密切關系。調研國內對CQFP器件的加固方式也各有不同，主要包括以下幾種[1-5]：1）在器件底部填充D04或GD414硅橡膠；2）在器件四角點封GD414硅橡膠；3）在器件四角點封E-44環氧膠；4）整體灌封QD231嵌段硅橡膠；5）四角點封GD414，灌封QD231嵌段硅橡膠；6）四角點封D04，灌封QD231嵌段硅橡膠；7）四角點封環氧6101，灌封聚氨酯S113膠等。以上加固方式均能滿足一定條件下的產品使用性能，但隨著航天電子產品對可靠性要求的不斷提升，特別是深空探測器所經歷的大量級振動和嚴酷的溫度變化環境，以及高集成度的CQFP封裝的SIP模塊（質量超過20 g）在航天電子產品中的應用逐漸增多，CQFP封裝器件如果加固不當，極易出現焊點開裂的問題。因此，有必要對現有CQFP封裝器件的加固效果做進一步的驗證和改進，以滿足復雜嚴苛空間環境對電子產品的需求。
1 試驗材料及過程
為了對比不同膠黏劑的加固效果，本文以CQFP228器件為研究對象，使用環氧6101、環氧55/9和聚氨酯S113作為加固材料，其中環氧55/9中添加了適量滑石粉，焊料使用Sn63Pb37焊錫絲，印制板2塊，每塊焊接4個芯片。具體試驗方案見表1。
試驗的操作流程如圖2所示。
1.1 芯片焊接
使用專用成形設備對芯片引腳進行成形處理，成形后保證器件引腳共面性不大于0.1 mm[6]，并在不低于30倍的放大鏡下檢查芯片本體及引線外觀應無損傷。為了防止焊接后焊點產生“金脆”現象，需去除芯片引腳的鍍金層。使用專用去金錫鍋去除引腳鍍金層，并在搪錫錫鍋內對芯片引腳進行二次搪錫處理。操作過程中注意避免器件引腳變形影響共面性。檢查CQFP器件焊盤，應無阻焊覆蓋，使用智能電烙鐵對印制板上需要焊接的CQFP器件焊盤進行搪錫，搪錫后再使用吸錫繩將焊錫吸除干凈，目視檢查處理后的焊盤應光滑、明亮和平整。
對于方案二中的芯片，定位前需要先在芯片底部中心區域填充環氧55/9膠黏劑，填充大小為內切圓直徑為D10～12 mm的正方形。填充后實物如圖3所示。
為保證焊接后器件引腳底部有一定高度的焊料填充，定位時對器件本體進行抬高處理。確保引腳和焊盤之間有0.08～0.10 mm的間隙。器件本體抬高后，在10倍放大鏡下對器件引腿進行對位，使器件引腿和焊盤位置充分重合。然后對器件進行四角定位，定位后使用30倍放大鏡檢查器件引腳和焊盤的對中情況。待芯片準確定位后，使用SP200智能電烙鐵對器件進行焊接，完成焊接待焊點充分冷卻后，使用異丙醇溶液對器件進行刷洗，用軟毛刷順器件引線方向從腳跟向腳尖移動進行刷洗。檢查焊點應光滑明亮、潤濕良好和無漏焊，器件外觀和引腳無損傷。
1.2 芯片固封
按照表1中的方案分別對A板和B板進行固封。A板使用環氧6101對器件四角進行點封，室溫固化24 h后，對器件底部灌封聚氨酯S113膠，并對器件抽真空以排除氣泡，室溫固化48 h。
B板使用環氧55/9對器件四角進行點封，晾置2 h后，在50 ℃烘箱內烘烤4 h（或室溫固化24 h），使環氧膠黏劑完全固化。然后對器件引腳刷涂少量聚氨酯S113膠，并在50 ℃烘箱內烘烤6～8 h完成固化。
固封后產品實物如圖4所示。
2 力學試驗及分析
2.1 力學試驗條件
將固封后的印制板裝入專用振動工裝內。選擇目前航天器型號中相對嚴苛的力學條件進行試驗，試驗條件見表2。
2.2 力學試驗后焊點金相分析
力學試驗后使用放大倍數不低于30倍的三維光學顯微鏡檢查A、B板焊點外觀，均未發現焊點有明顯損傷現象。然后對編號為A1、A2、B1、B2的芯片進行剖切，每個芯片選取4個焊點，使用掃描電子顯微鏡觀察焊點內部是否有裂紋產生，焊點顯微組織照片如圖5所示(部分)。通過金相分析結果可以看出，對于兩種固封方案，力學振動后，焊點均無裂紋，兩種固封方案對CQFP器件的加固均有明顯效果。焊點內部無氣孔，焊料和引腳之間以及焊料和焊盤之間形成了均勻連續的金屬間化合物層。
方案一中聚氨酯S113膠雖然是一種涂覆性材料，但經過灌封后S113膠對CQFP器件形成了一種包裹的作用，芯片底部的S113膠同時又起到了支撐器件的作用，芯片四角的環氧6101由于粘接強度較大，對芯片也起到了一定的支撐作用，在S113和環氧6101的共同作用下，有效降低了振動過程中焊點所受的應力，對焊點起到了保護作用。同理，環氧55/9作為底部填充材料和四角點封材料，其粘接強度大于S113膠和環氧6101，對芯片也起到了粘接和支撐的作用，可以有效地保護焊點在振動過程中不受損傷。
3 熱循環試驗及分析
3.1 熱循環試驗條件
參照ECSS相關標準，力學試驗后對剩余的A3、A4、B3、B4器件進行溫度循環試驗，溫度循環條件設定溫度從-55～100 ℃，200次取出檢驗，最大升降溫速率為10 ℃/min，誤差±5 ℃。在每個溫度極限下樣品的保溫時間為15 min。
3.2 熱循環試驗后焊點金相分析
熱循環后取出芯片，并使用放大倍數不低于30倍的三維光學顯微鏡檢查焊點外觀，均未發現焊點有明顯損傷現象。然后對芯片進行剖切，每個芯片選取4個焊點，使用掃描電子顯微鏡觀察焊點內部是否有裂紋產生，焊點顯微組織照片如圖6所示（部分）。
經測量裂紋長度，采用方案一時，器件在經歷熱循環試驗后，金相剖切的8個焊點中，5個焊點的內部裂紋長度超過了25%，不滿足ECSS標準的要求。采用方案二時，8個焊點的內部均未發現明顯裂紋。
方案一和方案二的最大區別在于固封的方式不同，通過力學試驗后的焊點金相分析，兩種固封方式均能經受規定的力學試驗考核，但溫度循環試驗后方案一的樣品不合格焊點比例占到了62.5%，方案二的樣品焊點全部合格，這說明焊點開裂是發生在溫度循環過程中，且不同的固封方式導致了試驗結果的巨大差異。在熱循環過程中，由于材料熱膨脹系數的不同（見表3），固封膠、金屬引腳及焊料之間會產生熱失配，無論是灌封的S113膠還是四角點封的環氧6101，和環氧55-9加填料相比，熱膨脹系數更大，在溫度交變過程中，S113膠和環氧6101產生的變形也更大，會對焊點施加較大的交變應力，可能會導致裂紋產生并擴展。
4 結論
針對航天用CQFP器件分別使用“灌封S113膠+四角點封環氧6101”和“底填、四角點封均使用環氧55/9+引腳刷涂S113膠”兩種固封方式進行了力學加固。力學試驗表明，兩者均能滿足力學加固的要求，力學試驗后器件和焊點均無損傷。溫度循環試驗表明，“灌封S113膠+四角點封環氧6101”的固封方式因熱失配更大，對CQFP器件的焊點造成了更大的損傷，而采用“底填、四角點封均使用環氧55/9、引腳刷涂S113膠”的固封方式，溫度循環試驗后，焊點未發現有明顯損傷。因此，在實際產品的應用中，可根據不同的工況選擇不同的加固方式，建議如下：1）對于短期工作和溫度交變不大的，可采用“灌封S113膠+四角點封環氧6101”的固封方式，以確保器件的抗力學效果。2）對于長期工作和溫度交變比較大的，可采用“底填和四角點封均使用環氧55/9，引腳刷涂S113膠”的固封方式，以降低S113膠因熱失配大帶來的負面影響。