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對接技術(shù)，開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學、空間應用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學等領域的應用和試驗，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，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)有航空航天設備發(fā)射到太空，這對現(xiàn)有封裝技術(shù)來說是一個極大的挑戰(zhàn)。

電子設備在發(fā)射過程中經(jīng)歷著超重、失重、震動及剪切應力等復雜的物理過程，容易出現(xiàn)連接失效問題。微彈簧圈（Micro-coil Spring，MCS）封裝技術(shù)因應復雜、惡劣使用環(huán)境運而生，未來將在航天航空、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(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(jié)構(gòu)示意圖及設計尺寸

 

表1 鈹銅合金性質(zhì)

名稱	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(guī)范化，國內(nèi)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(xiàn)，有關(guān)MCS與CCGA結(jié)構(gòu)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；鍍釬料層工序是傳統(tǒng)工藝，較易實現(xiàn)，關(guān)鍵在于電鍍均勻性，以免存在應力集中區(qū)。

微彈簧圈的封裝

 

圖3  MCS產(chǎn)品封裝實物圖

 

圖4  MCS裝配及其焊點有限元模型

   圖3是MCS產(chǎn)品封裝實物圖片，圖4是MCS封裝及其焊點有限元模型。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行封裝，因此需要在PCB板上焊盤位置預置錫膏，錫膏的選擇應根據(jù)鍍層釬料、使用環(huán)境和母板材質(zhì)選擇。在圖4焊點有限元模擬中，MCS被分為兩部分：閉合線圈和活動線圈。閉合線圈一般是埋藏在錫膏中，主要起固定作用；活動線圈利用其高彈性及熱導率來維持連接出的機械完整性和熱穩(wěn)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的應力分布進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的實習報告中寫到，通過有限元模擬和物理實驗表明，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 實習報告中給出的錫球和MCS物理測試結(jié)果。

 

圖6  Allison Copus 實習報告中給出的錫球和MCS物理測試結(jié)果  

左圖為錫球的物理測試結(jié)果；右圖為MCS的物理測試結(jié)果

注：圖中橫坐標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。

微彈簧圈焊點分析

 

   

圖7  MCS和CCGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖

 

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，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封裝領域占據(jù)一席之地，然而實心柱體的設計優(yōu)勢有時反而成為了劣勢，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）下會使其發(fā)生不可恢復變形，從而導致較早焊點失效。而MCS封裝設計的螺旋彈簧結(jié)構(gòu)不僅繼承CCGA的性能優(yōu)點，還能夠很好的通過一定的可恢復形變承受大的應力作用，從而保證焊點連接的完整性和功能性，極大的延長元器件的使用壽命。

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而導致焊點失效的現(xiàn)象時常發(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，提高焊點的可靠性。圖8是MCS焊點在1500g跌落測試結(jié)果圖。

 

圖8  1500g跌落測試下的不變形、正、負撓曲結(jié)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(xiàn)失效的位置在螺旋彈簧線圈上，如圖9中左圖，出現(xiàn)這種失效的主要原因可能是由于軸向應力、壓應力等過大，導致出現(xiàn)不可回復變形，最終出現(xiàn)斷裂；圖9中右圖是經(jīng)過多次熱循環(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，相信未來會在航空航天、軍事、民用等領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。

 

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