柱栅阵列的无铅卡组装和返修,SMT,SMT技术文章-SMT 技术文章

IBM已将铜柱栅阵列（CuCGA）互连用作为陶瓷柱栅阵列(CCGA)上锡铅焊料柱的无铅替代品(见图1)。像CCGA一样，CuCGA提供一种高可靠性封装解决方案，可以使用具有优良的电性能和热性能的陶瓷芯片载体。

取消铅在微电子封装中的应用的行动增加了大尺寸、高I/O封装的制造复杂性。与新型封装互连结构的开发一致的可制造卡组装和返工工艺的开发对于技术的可接收性是至关重要的。

设计的铜柱栅阵列（CuCGA）互连可满足可制造性、可靠性和电性能等多方面的要求。可制造性的结构优化重点是在制造处理过程中保证柱的牢固性和具有便捷的卡组装工艺。最终卡上的焊点对于互连的可靠性是至关重要的。互连的几何形状还影响到电性能[1]。评估这些有竞争性因素决定着最后的柱设计[2]。

本文重点讨论了CuCGA卡组装和返工工艺的开发和可靠性评估。工艺开发的目的是将成功的SMT组装工艺用于CCGA，以便开发出标准的无铅SMT工艺。将CuCGA组装工艺成功地集成于锡—银－铜（SnAgCu，或者SAC）卡组装工艺的开发中，这对于贴装、再流和返修领域都将是一个挑战。本文将讨论通过可靠性评估说明这些工艺的优化和成功结果的实例。

关键词：CCGA、CuCGA、陶瓷柱栅阵列、铜柱栅阵列、无铅卡组装

大多数陶瓷柱栅阵列产品的尺寸范围为32.5-42.5mm，尽管在一些特殊的应用中采用了尺寸更小的(小至25mm)的；更大的（大到52.5mm）的封装。由于其具有成功地支持高互连和互连密度应用的能力，使用的陶瓷柱栅阵列主要有1.0mm间距，而1.27mm间距的封装也一直沿用至今。最初开发和认可的无铅产品主要是42.5mm和1.0 mm间距的封装。由此作为起点，这种技术可以很容易的拓展到不同的封装尺寸，并可达到1.27mm的间距。实际上，我们已对32.5mm封装尺寸进行了评估。

当陶瓷测试载体基板与相匹配的测试卡连接时，陶瓷测试载体基板（表1）就会与I/O焊盘成对连接，便于实施电阻监控。

32.5mm陶瓷 TV YV969(白铝)

陶瓷尺寸 32.5X32.5mm

陶瓷厚度 2.4mm，代表16层

柱阵列 31X31，总共937

42.5mm陶瓷 TV YV852(白铝)

陶瓷尺寸 42.5X42.5mm

陶瓷厚度 2.55mm，代表17层

柱阵列 41X41，总共1657

特别是由于存在着与无铅工艺相关的热性能的竞争，因此从两个方面评估封装密封工艺的兼容性是十分重要的。首先是确定是否高温对密封材料有不利的影响，第二是识别封装的热性能对卡组装和返修工艺是否有影响。

CCGA封装普遍采用的方式是无盖和直接盖连接（DLA）。顾名思义，无盖的封装是没有盖子的，不过，无盖的封装是有底部填料的，这样可使倒装芯片凸点阵列不会受到环境的影响，并且还可以提高凸点阵列的热疲劳寿命。DLA封装的盖子是扁平铝盖，铝盖连接于有底部填料的倒装芯片的背面。根据预测这两种方式的封装与无铅工艺是兼容的，也是此次评估的其中一项内容。

多年来，使用各种不同的焊料柱结构来提高焊点的高度，并将此作为克服由于环氧玻璃印制电路板(PCB)上的铝陶瓷芯片载体的热膨胀系数不匹配而导致应变的一种方法 [3-5]。以往的柱形焊点都是由含铅焊料合金构成的。一种无铅结构的替代产品必须在电气、机械和热疲劳可靠性等方面具有类似相同的性能。此外，使得CCGA的封装和卡组装制造更为简单易行，所以，必须将这种制造控制在无铅工艺高温要求范围内。

在基本结构方面，在最后连接的焊接工艺的柱（CLASP）焊料柱中发现采用了不同焊料柱和焊接凸缘材料的组合，对于用于CLASP工艺中的90Pb/10Sn焊料柱替代品而言，熔融的指标范围（300℃）中没有无铅焊料至少就不能选择无铅合金作为替代品。将铜选作为柱栅材料来代替高含铅量的90Pb/10Sn的焊料柱。在下面的段落中将论述调节铜柱特性的工艺，以便优化机械性能和疲劳特性。使用铜柱镀锡以保持封装和卡组装过程中铜柱的可焊性。

在铜柱栅阵列（CuCGA）封装的卡组装和返修过程中，为了确保其牢固性，使封装焊料凸缘的连接温度稍高于卡组装的温度，这是最基本的要求。这种焊接温度的分级结构要求根据陶瓷凸缘为铜柱选择合金。在选择卡组装合金时，应根据发表的SAC行业标准，为这种焊料凸缘选择熔融温度稍高一点儿的Sn/Ag合金。这种Sn/Ag合金的焊料液相温度体系是可制造性所要求的。图2中所示是CuCGA结构[6]的光学照片，而图3则是CuCGA结构的横截面图。

保持现存CLASP柱结构的类似方式，为高焊料柱设计的封装组装工艺可用于新的CuCGA结构。要保持使用基本的工艺流程：将焊料柱装到夹具上、丝网印刷、对位、贴装、再流焊、清洗。CuCGA工艺关键一点差别是取消削柱操作；铜柱的镀锡要求不允许将这些预镀的焊料柱削到最终的高度。

取消CuCGA切削工艺可改善焊料柱尖的一致性，以便提高与贴装设备视觉系统的兼容性。然而，取消切削工艺要求严格控制即将成形的焊料柱长度，所以，封装组装工艺生成的焊料柱阵列满足0.15mm的共面性技术规范（图4）。由于采用了这些控制，CuCGA封装呈现出良好的共面性。

在陶瓷封装上对CuCGA进行测试，在陶瓷封装上可产生最佳电性能的焊料柱的几何形状可与产生最佳可靠性的焊料柱的几何形状直接进行竞争。焊料柱的长度越短，直径越大，电性能也就越高，而热机械疲劳可靠性受益于较长、直径较小的焊料柱。

为了评估不同尺寸焊料柱的电性能，除了用于DC电阻和等同的环路电感的2.2×0.5mm（0.087×0.020"）和1.27×0.5mm（0.050×0.020"）CLASP焊料柱以外，将不同高度, 范围在0.64mm-2.2mm（0.025"—0.087"），不同直径，范围在0.25mm-0.5mm（0.010"—0.020"），进行组合模拟。制造的功能ASIC元件，尺寸为42.5mm，柱间距为1.0mm，具有1657个I/O，并对其进行测量，以便对经验数据与模拟结果进行比较[1]。根据电气模拟和测试，发现1.52mm（0.060"）长的CuCGA焊料柱的电性能等于、甚至好于CLASP焊料柱的电性能。

焊料柱在无疲劳损耗的情况下承受由于热循环所导致的张力的能力是机械特性和物理尺寸的函数。作为焊料柱几何形状选择工艺的一部分，优化铜的机械特性，以便在工艺和电性能限定范围内具有最大的循环寿命。早期的研究工作说明拉制铜比90Pb/10Sn焊料硬得多，可以用作替代产品，然而，与焊料柱不同，铜柱本身在热循环中不会失效。铜越硬，给焊料凸缘带来的应变就越大，焊料凸缘就会出现过早的的耗损，使其成为人们重点关注的问题。给导线退火看来是缓解这一问题的最好方法。

实施几种机械测试和数学模拟，以便选择最佳的退火温度[2]。尽管退火不能明显改变导线最终的延展性强度，但是，在低应变时就会出现软化。使用有限元模型包括非线性、依靠温度焊料特性，以及相应的应力应变拉特性预测可靠性，以便假设退火条件。将应变基（CoffinManson）的焊料疲劳模型用于简化工艺，而且根据模拟预测采用较高的退火温度，就会提高焊料凸缘的寿命。试验研究支持这一论点，选择退火温度来平衡改善的软化铜的可靠性，同时还能够提高较容易变形的金属线柱的工艺和处理的竞争力。

对于塑性应变而言，铜柱的长度和直径是关键的因素，塑性应变是由于热漂移过程中焊料凸缘所造成的。上一段讨论的模型说明较长、较细的焊料柱较容易变形，因此，必须提高焊料柱结构的疲劳寿命。试验循环数据证实较长焊料柱的疲劳寿命得到了明显的改善。在随后的电气、机械模型中以及热循环中，还对较小直径的焊料柱（0.20——0.23mm）进行了研究。根据热循环中的观察这些较小直径焊料柱的过分变形，可以考虑为焊料柱中的应变分布的变化而造成的这种偏差。

考虑到模型的趋向、实验数据、物理观察资料、电气要求，为特殊应用选择长度为1.52mm（0.060"）；直径为0.25mm（0.010"）最佳的焊料柱。采用独特电气和可靠性要求的其它应用受益于不同的焊料柱设计，可使用同样的分析和实验工具对其进行评估。

用于1.0mm间距的CuCGA测试卡的印制电路板布局规则和狗骨焊盘尺寸与为1.0mm间距的CLASP CCGA研制和优化的布局规则和焊盘尺寸相同。将0.7mm（27.5mil）的设计点用于该测试卡直径，结果是主要测试0.65－0.68mm（25.6-26.8mil）的焊盘直径，因此，布局规则需要0.20mm(8mil)直径的镀覆通孔。将表面保护涂层（OSP）用作为一种表面涂层。229X279mm（9X11in）测试卡的其它参数如表2所列，每块测试卡都布有5个元件。

32.5mmTV的PCB 8640776

测试卡横截面 6S4P

测试卡厚度 1.83mm

42.5mm TV PCB 8640789

测试卡横截面 12S10P

测试卡厚度 2.36mm

将免清洗类型3的焊膏用于可靠性认证测试载体的卡组装中，这种焊膏的比重为95.5Sn/3.9Ag/0.6Cu。直径最小的铜柱（0.25mm）要求对用于较大直径CLASP焊料柱（0.50mm）的丝网印刷的焊膏量的调节，以便使测试卡面的焊点凸缘保持相同的高度。

选择0.082mm³（5000mil³）标称尺寸，用于比较CLASP CCGA的0.057mm³（3500mil³）标称尺寸。将0.19mm（7.5mil）厚、0.71mm（28mil）开口的模板用于这种增加了焊膏量的丝网印刷。采用100%的焊膏量进行测量，焊膏量范围被控制在每个焊盘在0.057和0.106mm³（3500和6500mil³）之间。

在进行认证之前，对其它类似的免清洗和水溶基焊膏进行了成功的评估。

在大多数卡组装过程中，在贴装中的对位是使用陶瓷封装体轮廓。这种对位技术依靠的是焊料柱与金属化的I/O焊盘中心定位，以及I/O焊盘阵列与封装体（实际位置）的定位精度。对于一些早期的试验而言，没有设置I/O焊盘的角落用作对位。这种技术是比较精确的，因为对位是基于实际焊盘位置的，消除了焊盘阵列与封装体定位公差的误差。

使用实际柱阵列的对位是选用的另一种方法。不过，可用于测试卡组装生产线中的特殊的GSM工具受到10mil象素照相机的视觉能力的限制。这一分辨率不能满足10mil直径铜柱端点的一致性定位要求。在配有4mil象素点尺寸的照相机的GSM贴片机上实施的实验，以便评估视觉兼容性。使用最精确对位方法，这种增强型相机可识别柱端点，获得良好的贴装。

通过将位移加到GSM程序中，对在再流过程中柱阵列与PCB焊盘的自对位进行了研究，通过向X或Y方向偏移一定的量，有意使CuCGA偏移到卡定位位置。将焊料柱置放到卡焊盘边缘或卡焊盘边缘周边，以便确定在Pb/Sn CLASP CuCGA技术中观察到的相同的中心对位效应是否在新的CuCGA技术中也能看到。在这种新技术中，很少看到或就没有中心定位或同步引入的现象。可见，用高锡含量的SAC焊料的卡组装很少提供或不提供引用覆锡的铜柱。在再流焊接过程中，因为在220℃下使用90Pb/10Sn焊料柱，所以，铜柱没有软化。在不影响疲劳寿命的认证过程中，对组装到卡上的CuCGA封装进行热循环，其焊料柱是在卡焊盘的边缘。这样就可获得直径0.25mm相当小的焊料柱和直径0.7mm较大的卡焊盘，贴装精度不应是个问题。

对于所选择的焊膏而言，所推荐的再流焊峰值温度在230－250℃，在220℃以上的停滞时间为30－40秒，升温速率为2－3℃/秒。在150－190℃下预热90+/-30秒后，升温速率为2－4℃。J-STD-020B[7]对于测量的封装顶部的采用245℃峰值温度的大尺寸元件的再流极限值为曲线的选择提供另一种规定。对CuCGA认证所实行的指南是235（+5/－10）℃峰值温度，在217℃以上的温度下停滞45－100秒，尽可能提供最佳的焊膏推荐值，即J-STD-020B极限值和CuCGA封装的大热容量。将充有氮气的对流炉用于再流焊，从而获取均匀的加热（图5）和提高润湿度。最终形成的焊点凸缘呈现出焊料柱的一致性润湿 (图6)。

使用行业标准返工工具实施无盖和DLA封装上的卡返工，这些返工工具包括Summit SRT 2100和Air-Vac DRS26。返工工艺包括：1）通过采用焊料局部再流和机械抽取的方法拆除封装；2）对焊接区域进行修整，并整平残余焊料；3）对卡焊接区域进行丝网印刷，并沉积新焊膏；4）拾取、贴装、并对封装进行局部再流，重新贴放一个新的封装。具体步骤和工艺参数规定了使用SAC焊料实施CuCGA互连的返工，下面进行概括论述。返工的DLA组件的热疲劳测试结果在下面的可靠性认证一段中进行论述。

返工工艺开始是拆除封装。返修工艺的操作是使用热气喷嘴在高于焊料的液相温度下对封装进行局部加热，与此同时，使用热风工作站或“偏移凹口”将卡加热到低于再流焊接温度边缘温度。旨在限制卡和卡上相邻元件的热漂移，同时对返工的封装进行局部加热，以便使卡焊点溶融，从而在对返工的卡面没有物理损坏的情况下实现抽取。一旦加热到返工温度，可使用真空吸取头从卡上拆下封装，在实施自动到半自动操作中，上述的行业标准工具完全可以实施这些操作。

在测试过程中，通过监控热电偶样品卡的温度来开发返工曲线。应对特定封装的中心和两个相对的角以及卡中心进行监控。封装热电偶嵌入在CuCGA互连的卡面和基板面的焊点凸缘处，用胶粘带将卡热电偶简单地粘附于卡顶部。

SAC焊接的CuCGA返工的偏移凹口温度从共晶的Pb/Sn返工工艺到传统的Pb/Sn焊料和无铅SAC焊料之间不同的熔融温度绘制出曲线。根据工具和产品形式，CuCGA返工的偏差温度通常在抽取点从最初的160℃逐渐上升到180－210℃的峰值温度。

基于曲线监控结果（同样根据工具和产品形成因素），偏移曲线是一个良好的起始点，但是，要求±10℃的精度。这些曲线可使卡达到180－210℃的峰值温度。当偏移温度低在160℃时，可成功地拆除封装。然而，采用较低的偏移温度拆除封装只能在广泛地开发曲线后和采用边缘结果时才能实施。按比例的偏移温度适用于广泛的工艺窗口，因为其对降低卡面焊料凸缘和基板面焊料凸缘之间的温度差别是有帮助的，从而更好地利用CuCGA互连中焊料体系。

为了利用在CuCGA互连中设计的焊料体系而开发出热气喷嘴的温度曲线来利用焊料体系。下面是成功拆除CuCGA的总体指南：（1）吸取封装的最低温度是在卡面的焊料凸缘的最低温度为225－230℃（即；稍高于边缘值几℃的217℃的熔融温度）。（2）在给定的焊料柱上的基板面焊料凸缘和焊料柱凸缘之间的温度差别为低于5℃。（3）在整个封装上可采用达～10℃的温差。保持基板面焊料凸缘和焊料柱凸缘之间的温度差别在吸取点低于上述的5℃。根据这些指南一般会拆除封装上90%以上的焊料柱（图7），并对降低丝网印刷前的焊接区域的修整工作强度是有帮助的。

使用手动台式真空除焊工作站来修整返工的卡焊接区域。这种工艺是为了整平焊盘对焊盘上的多余的残留焊料，并为准备焊接区域的丝网印刷而去除其余残留的Cu柱。对非熔融Cu柱焊接区域的修整证明采用标准的去焊工具是不存在什么问题的。当与Pb/Sn的应用进行比较时，可能要求经常性地清理拆焊头。使用标准的焊烙铁和编织的焊接芯吸料，可成功地实施焊接区域的修整。然而，焊料芯吸的方法具有磨损卡焊盘和有机焊料掩膜材料的风险，因此建议不要使用这种方法。

通过卡上的小型不锈钢模板的丝网印刷实施在返工的焊接区域上的沉积焊膏。使用0.20mm（8mil）厚、模板直径为0.75mm（29.5mil）开口的小型模板进行手工丝网印刷，在最初的组装中可使焊膏使用量达到0.082mm³（5000mil³）。

使用返修仪器的分光对准功能，封装就可以与丝网印刷的焊膏对位。将封装置放到卡上，然后，使用返工工具进行局部再流。对再流曲线（图8）进行优化，以便完全满足焊膏供应商推荐的曲线要求。然而，返工工具的热极限值并不是一直都能达到焊膏供应商推荐的加热速率的要求。

无盖封装和DLA CuCGA封装已三次成功地通过了245℃温度下的再流焊，并被作为J-STD-020B(8) 湿度感应性等级（MSL）1的湿度感应性测试的部分内容。封装认证重点是无盖封装和DLA封装的完整性以及DLA封装的DLA底部填料的完整性。将C模式声显微扫描技术（CSAM）用于评估较高温度的无铅组装再流焊对底部填料脱层的影响，同时，在较高温度下，将电性能用于评估C4的完整性。CSAM，剪切强度的测量和失效机理分析应用于评估在无铅组装温度下DLA封装的热性能，机械强度和表面粘贴性。

在不同形式的因素下，450多个元件被用于底部填料完整性的评估，同时，在不同形式的因素下，350多个元件被用于评估DLA完整性。在初次的柱焊点形成后，JEDEC MSL 1预处理，并在245℃下进行三次再流，这些封装可成功地通过2000深层次的热循环（DTC,-55-125℃）。96个小时的高速应力测试（HAST,130℃, 相对湿度为85%），或1000小时的高温储存（HTS,150℃）。可靠性认证包括1×柱返工的制造支持。

在热循环之前，要对二分之一的主要卡组装（最初的柱粘附和最初的卡组装）进行冲击和振动预处理。在预处理过程中，要将实施了冲击和振动预处理的封装置于110克或170克的散热粘附装置中。在加速热循环（ATC）之前，要将散热装置移开，从而使其保持与其它组装的热量一致。选择110克的散热装置，以便使其与以往在CLASP组装上进行的测试匹配，而170克的散热装置主要用于拓展散热比重允许范围。

使用IPC 9701[8] 在0－100℃的ATC下每小时进行两次循环，并将其作为最初卡组装和返工工艺样品的垂直贴装指南，以便评估焊料柱互连的热疲劳寿命。定期拆除所有卡组装，以便使用100ohm或更大的故障判定标准测量台式工作台的四点电阻。此外，要对42.5mm重点组装进行电子监控，按照IPC 9701的要求，使用提高了电阻的故障判定标准来标记原位置的确切循环次数。

大多数可靠性评估使用了42.5mm测试载体。表3列出了不同测试的实验室热疲劳寿命。使用两种不同散热量的封装的结果都是相同的。失效适合于对数正态分布，以便计算N50和每组的Σ。根据机器的开/关闭循环和温度的应用条件下，可用这些信息进行CuCGA区域投射。

类别读出数量首次失效（周期） N50 Σ(cyc)

Prime* 原位置＃ 30 1410 2200 0.27

Prime* 工作台＃ 30 1660 2410 0.26

柱返工工作台 10 2700 2760 0.15

卡返工工作台 10 2360 2770 0.10

在总体评价中还使用了少量的32.5mm测试载体。这一组测试载体分为两类：一类是没有压缩载荷，与42.5mm测试载体的测试情况相同；另一类为每柱平均压缩载荷7g。使用用户可更换弹簧的常规设计的夹具来施加压缩载荷[9]。这种可更换的弹簧决定了施加于CCGA组装的压缩载荷。

这两组之间的疲劳寿命是没有统计差别的（表4）。根据当前建模实验表明，当与42.5mm的测试载体所获得的结果比较时，预期N50会相对地提高。

对CuCGA的每柱7g的压缩载荷（受到可使用弹簧的限制）的成功评估，这一数据明显地高于用于CLASP柱封装的推荐使用的1—3g压缩载荷极限值。

类别读出数量首次失效（周期） N50 Σ(周期)

无载荷台式 9 2700 3800 0.17

7g每个I/O 台式 6 3000 3990 0.18

表4：在0-100℃下的2 cph的ACT测试的42.5mm CuCGA热疲劳寿命ACT测试概况

图9所示是典型的疲劳失效模式。最初的失效模式是在基板面凸缘的堆焊中。在卡面凸缘中也会出现少量的裂缝。图9所示是高DNP（从中间点算起的距离）焊料柱的位置，由于热循环疲劳应力使铜柱产生严重的变形。

CuCGA的失效模式与CLASP或其它焊料柱技术的失效模式不同[5]。使用90Pb/10Sn焊料柱，通常这种焊料柱就会出现较严重的变形。尽管焊料凸缘中也会出现开裂的现象，但是CLASP的失效很可能是由于裂缝延伸到焊点凸缘附近的焊料柱所造成的。

倍数较高的基板面焊点凸缘，图10c所示是放大后的卡面焊点凸缘。

IBM开发出的新型无铅二级焊料柱互连提供的性能优势优于焊料锡铅产品，并与无铅卡组装和返工的行业标准一致。为达到电气性能和可靠的寿命而对焊料柱的几何形状（直径和长度）进行了优化，并对其进行了调整，以便满足特殊应用的要求。IBM优化CuCGA的的方法提供的电气性能与锡铅柱技术的电气性能相等或比锡铅柱技术的电气性能还要好，而其热疲劳寿命是无铅SAC CBGA热疲劳寿命的两倍[2]。

使用焊接温度体系设计无铅CuCGA封装，从而确保在卡组装和返工过程中的牢固性。最初的卡组装曲线有效地满足了当前行业标准的再流焊极限值，并确保了贴装精度。卡的成功返工，最终实现了卡的峰值温度保持在180℃—210℃情况下，90％以上的焊料柱从封装上拆除。

作者在此对Harvey Hamel和Chris Spring对电气模型和测量所做的工作，Lew Goldman对机械模型所做的工作，Jeff Coffin和Dave Welsh对封装无铅组装兼容性的认证所做的工作，Joseph Selig 和Margaret Jones对样品制备和SEM图片所做的工作表示感谢。

1. O’Connor,D.etal.”Electrical Modeling and Characterization of Packaging Solutions Utilizing Lead-Free Second Level Interconnects,” to be published in the Proceedings of the 53^rd Electronis Components and Technology Conference,IEEE,New Orleans,LA,May 2003.

2. Interrante,M.et al”Lead-Free Package Interconnections for Ceramic Grid Arrays,”Proceedings of Semicon West,7/2003,San Jose.

3. Master,R.etal,”Ceramic Column Grid Array for Flip Applications,:” Proceedings of 45^rd Electronis Components and Technology Conference,1995,IEEE,Piscataway,NJ,pp.925-929.

4. Ray,S.etal,:Ceramic . Grid Array for a high Performance Workstation Application”,” Proceedings of 47^rd Electronis Components and Technology Conference,1997,IEEE,Piscataway,NJ,pp.319-324.

5. Ray,s.et al,”CLASP Ceramic Column Grid Array for Flip Chip Carriers,” Proceedings of Semicon West,7/99,San Jose.

6. Interrante,M.et al”High Density Column Grid Array Connections and Method Thereof,”US Patent No 6,429,388,2002.

7. J-STD-020B,Maisture/Reflow Sensitity Classification for Nonbermetlc Solid State Surface Mount Derices,IPC/JEDEC,July 2002.

8. IPC 9701:Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments,Aug 2001,Northbrook,II,IPC.

9. M.cole,J.Jozwiak,E.Kastberg,G.Martin,”Compressive Load Effects on CCGA Reliability,”Proceeding of SMTA-International,9/02,Chicago,pp.285-289.