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航空航天封装材料的新宠儿——微弹簧圈

  • 2019-05-25
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来源:航空航天封装材料的新宠儿——微弹簧圈       发布时间:2017.05.02

技术分享 | 航空航天封装材料的新宠儿——微弹簧圈
 
1背景
 
为了更好地掌握空间交会对接技术,开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验,我国将于今年择机发射神舟十一号飞船与天宫二号对接,进行人在太空中期驻留试验。在惊喜于国家航天航空技术快速发展的同时,我们不由得想起那么多失败的尝试,而这其中与电子元器件连接失效的案例不胜枚举。如何在不损害电子元器件完整性的条件下,将现有航空航天设备发射到太空,这对现有封装技术来说是一个极大的挑战。电子设备在发射过程中经历着超重、失重、震动及剪切应力等复杂的物理过程,容易出现连接失效问题。微弹簧圈(Micro-coil Spring,MCS)封装技术因应复杂、恶劣使用环境运而生,未来将在航天航空、军事上发挥重要的作用。 
 
2微弹簧圈(MCS) 
 
 
图 1 微弹簧圈3D结构示意图及设计尺寸
 
微弹簧圈封装是在陶瓷柱阵列封装(CCGA)基础上进行创新为适应复杂使用环境而生的一种封装技术。MCS由本体螺旋弹簧和钎料镀层组成,其结构3D示意图如图1。从图1中可知,MCS的两端分别存在一个相邻的闭合线圈(2-3 圈)。它的本体螺旋弹簧部分是由铍铜合金制成,铍铜合金是铜合金中性能最好的高级弹性材料,具有很高的强度、弹性、硬度、疲劳强度、高导电等优良性能,其部分物理性能见表1。钎料镀层部分目前使用较多的 Sn60-Pb40(镀层厚度 2.5mm)、Ni(镀层厚度 0.75-1.25mm)/Au(镀层厚度 0.25mm)等。
 
3微弹簧圈的制备
 
图2 MCS的生产工艺流程图图
2是铍铜合金MCS的制备工艺流程图。从图2中可知,MCS制备的关键在铍铜合金制备、螺旋弹簧制备及镀钎料层三道工序。铍铜合金制备目前已经形成规范化,国内铍铜合金牌号有QBe2/QBe1.7等;螺旋弹簧制备是铍铜合金 MCS的核心工序,也是MCS较CCGA创新与性能体现,有关MCS与CCGA结构与性能对比将在下文叙述,螺旋弹簧由于其外径及丝材直径较小,生产工艺和尺寸及误差准确控制是难点;镀钎料层工序是传统工艺,较易实现,关键在于电镀均匀性,以免存在应力集中区。
 
4微弹簧圈的封装
 
图 3 MCS产品封装实物图
 
图4 MCS装配及其焊点有限元模型图
3是MCS产品封装实物图片,图4是MCS封装及其焊点有限元模型。结合图3和图4可知,MCS和铜核球一样,由于封装材料本身没有足够的钎料进行封装,因此需要在PCB板上焊盘位置预置锡膏,锡膏的选择应根据镀层钎料、 使用环境和母板材质选择。在图4焊点有限元模拟中,MCS被分为两部分:闭合线圈和活动线圈。闭合线圈一般是埋藏在锡膏中,主要起固定作用;活动线圈利用其高弹
性及热导率来维持连接出的机械完整性和热稳定性。
 
5微弹簧圈有限元分析与物理测试 
 
图5 MCS分别承受剪切应力和压应力的有限元模拟图
P.Lall等人对MCS承受剪切应力和压应力时的应力分布进行有限元分析模拟后指出,在这种条件下,MCS出现失效的部分在螺旋弹簧线圈上,图5是MCS分别承受剪切应力和压应力的有限元模拟图。
 
图6 Allison Copus实习报告中给出的锡球和MCS物理测试结果 左图为锡球的物理测试结果;右图为MCS的物理测试结果 
注:图中横坐标温度值分别为取的是锡球和MCS与焊盘上热电偶的温度差值。AllisonCopus在其NASA的实习报告中写到,通过有限元模拟和物理实验表明,在真空条件下MCS的散热性能弱于传统锡铅合金钎料。图6是Allison Copus实习报告中给出的锡球和MCS物理测试结果。
 
6微弹簧圈焊点分析
 
图7 MCS和CCGA封装结构示意图
 
图 8 1500g跌落测试下的不变形、正、负挠曲结果图
图7是MCS和CCGA封装结构示意图。从图中我们可以知道,MCS封装结构和CCGA封装相似,这也使其具有了CCGA封装的优点,如优良的电气和热性能,高的可靠性和 I/O密度等。CCGA因其柱体设计能够保持一定的封装空间而在3D封装领域占据一席之地,然而实心柱体的设计优势有时反而成为了劣势,那就是在恶劣的使用环境(比如大的剪切应力、压应力、热应力)会使其发生不可恢复变形,从而导致较早焊点失效。而MCS封装设计的螺旋弹簧结构不仅继承CCGA的性能优点,还能够很好的通过一定的可恢复形变承受大的应力作用,从而保证焊点连接的完整性和功能性,极大的延长元器件的使用寿命。
在封装材料使用过程中,陶瓷基板与PCB板之间因热膨胀系数不匹配而引起变形进而导致焊点失效的现象时常发生。脱胎于CCGA的MCS可以利用自身优良的弹性很好解决这问题,提高焊点的可靠性。图8是MCS焊点在1500g跌落测试结果图。
 
7微弹簧圈失效形式
 
图 9 MCS封装失效形式分析
8展望
 
尽管MCS封装也存在一些不足,但是其优势是显而易见的。MCS封装以其独特的高的弹性和疲劳强度为复杂恶劣的使用条件下的电子封装提供了解决方案,相信未来会在航空航天、军事、民用等领域发挥着举足轻重的作用。(本文由广华群崴、重庆群崴电子材料有限公司授权提供,不代表本公司立场。原作者如有任何疑问,请与我们联系。)
 
关于重庆群崴电子材料有限公司:是广华群崴股份有限公司旗下一家专业从事电子封装材料研发和生产的高新技术创新型企业。公司拥有多项相关技术专利,是台湾和大陆雾化成型BGA 锡球技术专利持有人。公司目前与国内多所高校保持合作关系,并设有研发中心,具有专业的产品研发能力,可生产BGA 锡球、铜核球、锡柱、增强型锡柱、锡丝、锡膏、预成形焊片等封装产品,并能进行客制化研发与生产。