陶瓷柱栅阵列器件引脚去氧化技巧

陶瓷柱栅阵列器件引脚去氧化技巧

刘宇

天津航天机电设备研究所，天津300000

摘要：随着电子产品不断小型化、集成化、高可靠性方向发展，已经有越来越多的陶瓷柱栅阵列封装（ Ceramic Column Grid Array , CCGA ）器件，应用于高可靠性电子产品中。然而此类高端器件大都从国外进口，运输及存放周期较长，器件引脚表面易出现氧化现象，导致其辉端可悍性下降。本文主要从操作角度讲述了该类器件的去除氧化层方法及技巧，以提高焊接可靠性。

关键词： CCGA 引脚保护罩去除氧化

1．概述

       随着电子产品不断小型化、集成化、高可靠性方向发展，已经有越来越多的陶瓷柱栅阵列封装（ Ceramic Column Grid Array , COGA ）器件，应用于高可靠性电子产品中 CCGA 器件简介：结构特征

 CCGA 器件由基板、芯片、导热胶和焊柱组成。基板的主要材料是多层氧化铝陶瓷，适用高温和化学处理。信号层、电源层和地层分别设置在单独的层上，经过打孔和丝印形成高温印制线和连接孔，叠加后在高温下烧结成型。 CCGA 基板的层数一般为7~40层，厚度为1.40~5.75 mm 。。 CCGA 基板的层数一般为7~40层，厚度为1.40~5.75 mm 。氧化铝陶瓷的热膨胀系数 CTE ( coefficient of thermal expansion ）为6.5x10-6/℃，硅芯片的 CTE 为3.0~4.1x10-6/°℃，两者较为接近。因此，芯片可以采用倒装在基板上的安装形式，这种形式缩短了信号通路，降低了寄生效应，使信号速度和品质得到提高。更重要的是，芯片正下方可以连接焊柱，实现了全阵列和引脚数量的提高，使得电性能得到提升。环氧填充胶主要用于芯片底部填充，以进一步提高芯片连接的可靠性，导热脂主要用于将芯片耗散热量传递到金属顶盖上。焊柱直径约0.5 mm ，高度为1.27 mm 或2.2 mm 。根据材料不同，焊柱材料是90Pb10Sn，另一种焊柱材料是80Pb20S并在焊柱外螺旋包裹了一层铜箔。

  CCGA 器件由于引脚密度非常高，导致其焊接难度很大，在以前的生产过程中曾经出现过焊接端润湿不够良好的现象。

       经过仔细的检查发现，有部分 COGA 器件焊柱表面存在白色的斑点，而在组装完成后，这部分器件的焊点不够饱满光亮，甚至未形成合格焊点，大大影响了产品的可靠性。经多次讨论并进行试验验证，大家一致认为，这种白斑现象是由于器件引脚上形成了氧化层，焊端可焊性下降，最终导致了焊端润湿不够良好的现象。

      本文根据 CCGA 器件的结构特点，提出了一种去除 CCGA 器件焊接端面氧化膜的方法，同时为保护 CCGA 器件引脚，设计了去氧化保护工装，在应用于生产中后，起到了良好的效果。

2．一些焊接不良的案例

       某产品中CG717封装的器件焊接后，出现了引脚偏出焊盘并形成虚焊点的问题，根据 ESSC - Q -70-38C的要求：栅阵列器件引脚偏出焊盘15％为不合格焊点。在后续观察过程中，发现该器件引脚表面存在大量的白斑现象，经分析认为，这些白色斑点状物质为焊柱表面被氧化而产生的氧化膜。正是由于氧化膜的存在，导致器件焊端可焊性变差，最终导致焊点不合格。

      某产品中 COGA 器件焊接后，引脚发生严重歪斜，其大半部分偏移出对应的焊盘，对焊点外观进行仔细观察，并进行分析后认为，焊柱表面发生氧化是导致焊点缺陷的主要原因。

3．焊柱去氧化方法与工装设计

3.1焊柱去氧化思路

       由于 CCGA 器件焊柱表面形成的氧化膜，覆盖在焊柱表面，与焊柱结合良好，经多次尝试无法使用酒精等溶剂擦除。在清洗工具包中发现一种带有软质金属丝的毛刷，由于金展丝直径非常细小，柔软而带有韧性，因此决定尝试用该金属毛刷去轻轻刮擦 CCGA 器件的焊端，通过此方法将焊柱表面的氧化膜破坏掉，以实现去氧化的目的。

         但是由于 CCGA 器件的焊柱直径小，但长度较长，导致焊柱整体的刚度较低。在使用金属毛刷刮擦焊柱的过程中，易折弯焊柱，因此决定设计一种去氧化辅助工装，以加固焊柱，使其在去氧化过程中不被折弯。

3.2辅助工装的设计

       由于 CCGA 器件具有阵列式的引脚，引脚分布非常规则，因此计划设计一种薄片状工装，在其上加工与焊柱分布特征相同的通孔，在去氧化操作前，将该工装套在 CCGA 引脚上，仅仅露出最终需要与焊锡润湿的部分，该部分长度约为0.5mm.

         经过查找器件手册，发现CG717器件外形尺寸为35x35mm，共有27x27行引脚，引脚中心间距为1.27mm。每根焊柱长度为2.21mm，直径为0.51mm。据此设计薄片状工装的厚度为1.2mm，在工装上的圆孔直径为0.7mm，为方便讲器件引脚插入通孔内，在工装一侧加工倒角。

3.3去氧化操作方法

      去氧化方法:

1)   将器件放在防静电工作台上，打开离子风机吹离子风。

2)    清洁器件去氧化保护罩，显微镜下检查器件保护罩孔壁无毛刺，孔距、孔位一致。

3）  将器件保护罩对位无误后套入引脚内部，套入过程注意引脚不能碰歪。若有偏斜及时调整。采用防静电金属刷擦拭焊柱氧化层，进行 X 方向和 Y 方向分别依次擦拭处理氧化层。在擦拭过程中用左手固定住器件，在固定过程中只能接触器件本体陶瓷，不能接触器件引脚，防止器件引脚歪斜。右手拿住防静电金属刷顺 X 方向或 Y 方向匀速直线擦拭，在擦拭过程中力度要适中，用力过猛容易造成引脚歪斜和损伤器件引脚，用力太轻氧化层去除不干净。防静电金属刷在器件引脚上沿直线运动，这样不容易造成器件引脚歪斜。引脚擦拭完成后在显微镜下检查引脚焊接面是否擦拭干净，如若有引脚未擦拭干净，则按照上述方法在擦拭一遍。

4）  用防静电金属刷 X 方向和 Y 方向分别依次擦拭处理氧化层，整面引脚擦拭完成后，90度旋转器件再次擦拭器件，直至四面引脚均擦拭处理氧化层。切记不可来回擦拭，以免焊柱变形、受力。

5）所有引脚擦拭干净以后用防静电刷子清理干净上器件多余残渣。

6）引脚效正，在45倍显微镜下观察引脚偏斜情况。若焊柱有变形用保护的单面刀片校正引脚，确保引脚位于孔的中心位置。

7)   校正完成后，将工装从器件引脚上垂直拆卸。

3.4去氧化效果

      去完氧化的CCGA器件焊柱焊接面表面光滑、明亮、无发黑现象，焊柱无歪斜、焊柱之间无多余物。

3.5焊接

       焊接后的器件引脚与焊盘有良好的润湿角，焊点光滑、明亮、大小一致。

4．总结

       去氧化保护罩的设计与推广使用，不仅保证了引脚不再歪斜，同时有效提高了器件引胸去氧化的效果。焊接前加强了对器件引脚氧化层的去除，严格了对焊盘的检验和清洁工作，增加了各工序最终状态留照片的步骤，做到了步步有据可查，对操作过程起到了督导作用。杜绝了因焊点润湿不够良好而造成虚焊的隐患，大大提高器件焊接的可靠性。