來源：航空航天封裝材料的新寵兒——微彈簧圈 發(fā)布時(shí)間：2017.05.02
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1背景
為了更好地掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，開展地球觀測(cè)和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和試驗(yàn)，我國(guó)將于今年擇機(jī)發(fā)射神舟十一號(hào)飛船與天宮二號(hào)對(duì)接，進(jìn)行人在太空中期駐留試驗(yàn)。在驚喜于國(guó)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(xiàn)有航空航天設(shè)備發(fā)射到太空，這對(duì)現(xiàn)有封裝技術(shù)來說是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。電子設(shè)備在發(fā)射過程中經(jīng)歷著超重、失重、震動(dòng)及剪切應(yīng)力等復(fù)雜的物理過程，容易出現(xiàn)連接失效問題。微彈簧圈(Micro-coil Spring,MCS)封裝技術(shù)因應(yīng)復(fù)雜、惡劣使用環(huán)境運(yùn)而生，未來將在航天航空、軍事上發(fā)揮重要的作用。
2微彈簧圈（MCS）
圖 1 微彈簧圈3D結(jié)構(gòu)示意圖及設(shè)計(jì)尺寸
微彈簧圈封裝是在陶瓷柱陣列封裝(CCGA)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新為適應(yīng)復(fù)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(jié)構(gòu)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(jí)彈性材料，具有很高的強(qiáng)度、彈性、硬度、疲勞強(qiáng)度、高導(dǎo)電等優(yōu)良性能，其部分物理性能見表1。釬料鍍層部分目前使用較多的 Sn60-Pb40(鍍層厚度 2.5mm)、Ni(鍍層厚度 0.75-1.25mm)/Au(鍍層厚度 0.25mm)等。
3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(guī)范化，國(guó)內(nèi)鈹銅合金牌號(hào)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(xiàn)，有關(guān)MCS與CCGA結(jié)構(gòu)與性能對(duì)比將在下文敘述，螺旋彈簧由于其外徑及絲材直徑較小，生產(chǎn)工藝和尺寸及誤差準(zhǔn)確控制是難點(diǎn)；鍍釬料層工序是傳統(tǒng)工藝，較易實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于電鍍均勻性，以免存在應(yīng)力集中區(qū)。
4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(jié)合圖3和圖4可知，MCS和銅核球一樣，由于封裝材料本身沒有足夠的釬料進(jìn)行封裝，因此需要在PCB板上焊盤位置預(yù)置錫膏，錫膏的選擇應(yīng)根據(jù)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：閉合線圈和活動(dòng)線圈。閉合線圈一般是埋藏在錫膏中，主要起固定作用；活動(dòng)線圈利用其高彈
性及熱導(dǎo)率來維持連接出的機(jī)械完整性和熱穩(wěn)定性。
5微彈簧圈有限元分析與物理測(cè)試
圖5 MCS分別承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的有限元模擬圖
P.Lall等人對(duì)MCS承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力時(shí)的應(yīng)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(xiàn)失效的部分在螺旋彈簧線圈上，圖5是MCS分別承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的有限元模擬圖。
圖6 Allison Copus實(shí)習(xí)報(bào)告中給出的錫球和MCS物理測(cè)試結(jié)果 左圖為錫球的物理測(cè)試結(jié)果；右圖為MCS的物理測(cè)試結(jié)果
注：圖中橫坐標(biāo)溫度值分別為取的是錫球和MCS與焊盤上熱電偶的溫度差值。AllisonCopus在其NASA的實(shí)習(xí)報(bào)告中寫到，通過有限元模擬和物理實(shí)驗(yàn)表明，在真空條件下MCS的散熱性能弱于傳統(tǒng)錫鉛合金釬料。圖6是Allison Copus實(shí)習(xí)報(bào)告中給出的錫球和MCS物理測(cè)試結(jié)果。
6微彈簧圈焊點(diǎn)分析
圖7 MCS和CCGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖
圖 8 1500g跌落測(cè)試下的不變形、正、負(fù)撓曲結(jié)果圖
圖7是MCS和CCGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中我們可以知道，MCS封裝結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)能夠保持一定的封裝空間而在3D封裝領(lǐng)域占據(jù)一席之地，然而實(shí)心柱體的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)有時(shí)反而成為了劣勢(shì)，那就是在惡劣的使用環(huán)境(比如大的剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力、熱應(yīng)力)會(huì)使其發(fā)生不可恢復(fù)變形，從而導(dǎo)致較早焊點(diǎn)失效。而MCS封裝設(shè)計(jì)的螺旋彈簧結(jié)構(gòu)不僅繼承CCGA的性能優(yōu)點(diǎn)，還能夠很好的通過一定的可恢復(fù)形變承受大的應(yīng)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(zhǎng)元器件的使用壽命。
在封裝材料使用過程中，陶瓷基板與PCB板之間因熱膨脹系數(shù)不匹配而引起變形進(jìn)而導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的現(xiàn)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題，提高焊點(diǎn)的可靠性。圖8是MCS焊點(diǎn)在1500g跌落測(cè)試結(jié)果圖。
7微彈簧圈失效形式
圖 9 MCS封裝失效形式分析
8展望
盡管MCS封裝也存在一些不足，但是其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。MCS封裝以其獨(dú)特的高的彈性和疲勞強(qiáng)度為復(fù)雜惡劣的使用條件下的電子封裝提供了解決方案，相信未來會(huì)在航空航天、軍事、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。（本文由廣華群崴、重慶群崴電子材料有限公司授權(quán)提供，不代表本公司立場(chǎng)。原作者如有任何疑問，請(qǐng)與我們聯(lián)系。）
關(guān)于重慶群崴電子材料有限公司：是廣華群崴股份有限公司旗下一家專業(yè)從事電子封裝材料研發(fā)和生產(chǎn)的高新技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)。公司擁有多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)專利，是臺(tái)灣和大陸霧化成型BGA 錫球技術(shù)專利持有人。公司目前與國(guó)內(nèi)多所高校保持合作關(guān)系，并設(shè)有研發(fā)中心，具有專業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)能力，可生產(chǎn)BGA 錫球、銅核球、錫柱、增強(qiáng)型錫柱、錫絲、錫膏、預(yù)成形焊片等封裝產(chǎn)品，并能進(jìn)行客制化研發(fā)與生產(chǎn)。
