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航空航天封裝材料的新寵兒---微彈簧圈

瀏覽次數(shù):0 　更新時(shí)間:6/22/2019 12:50:00 PM　發(fā)布人：admin

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(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

。

微彈簧圈（MCS）

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2.5um）、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(shè)計(jì)尺寸

表1 鈹銅合金性質(zhì)

名稱	抗拉強(qiáng)度（Mpa）	密度（g/cm³）	彈性模量（Gpa）	硬度（HRC）	熱導(dǎo)率（W/m×k）20℃	電導(dǎo)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(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)。

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

。

微彈簧圈有限元分析與物理測(cè)試

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5 MCS分別承受剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力的有限元模擬圖

Allison Copus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

。

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。

微彈簧圈焊點(diǎn)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(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）下會(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

。

圖8 1500g跌落測(cè)試下的不變形

、正、負(fù)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(yīng)力

、壓應(yīng)力等過大，導(dǎo)致出現(xiàn)不可回復(fù)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(diǎn)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(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

。

參考文獻(xiàn)

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

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