錫鉛 BGA 封裝 μModule 產(chǎn)品 適合軍事和航天應(yīng)用

引言

每年，軍用和航天領(lǐng)域都會要求成本更低、準(zhǔn)確度更高和速度更快的系統(tǒng)。日益嚴(yán)格的尺寸、重量和功耗限制條件，再加上大型 FPGA 嚴(yán)苛的電源要求，導(dǎo)致業(yè)界果斷地轉(zhuǎn)向 POL (負(fù)載點(diǎn)) 電源架構(gòu)。

旨在滿足上述需求的一種解決方案，凌力爾特的 μModule? (微型模塊) 技術(shù)已經(jīng)得到了市場的廣泛認(rèn)可，其可提供完整的系統(tǒng)級封裝解決方案，不僅簡化了設(shè)計(jì)，同時(shí)也最大限度地減小了外部組件。

圖 1：μModule 產(chǎn)品構(gòu)造

μModule 開關(guān)穩(wěn)壓器最初選用的封裝技術(shù)是 LGA (平面網(wǎng)格陣列)，這種封裝很好地適應(yīng)在廣泛的市場。然而，有些需要面對非常嚴(yán)酷之環(huán)境的應(yīng)用則傾向于使用 BGA (球柵陣列) 互連，凌力爾特為滿足此類要求開發(fā)了相應(yīng)的封裝。

圖 2：LGA 和 BGA 封裝互連

在本文中，我們將更加細(xì)致地研究 LGA 和 BGA 封裝的比較性能，并討論金或錫鉛 (SnPb) 合金以及無鉛組件涂層的優(yōu)點(diǎn)。

組件端子涂層

在考慮組件涂層時(shí)，歐洲的軍用和航天市場需求呈現(xiàn)出“各自為政”的態(tài)勢，有些公司全部采用無鉛涂層，而其他一些公司卻采取完全避免使用無鉛涂層的策略，更常見的情況則是根據(jù)個(gè)別項(xiàng)目的特定需要采取兼用的方式。

造成這種狀況的一個(gè)重要因素是軍用和航天設(shè)備繼續(xù)被排除在必須執(zhí)行 RoHS II (有害物質(zhì)限制) 指令的范圍之外，允許其使用 SnPb 組件涂層。人們最關(guān)心的是采用純錫電鍍所形成的錫須對可靠性產(chǎn)生的不利影響，其將導(dǎo)致由于細(xì)間距相鄰導(dǎo)體的短路而引發(fā)潛在的設(shè)備故障。在鍍錫時(shí)加入鉛 (Pb) 仍然是業(yè)界用于抑制晶須形成的標(biāo)準(zhǔn)方法。

對于SnPb 涂層的使用而言，需要權(quán)衡考慮的因素是組件供貨的可行性、分銷庫存的短缺和交付時(shí)間的延長。通過強(qiáng)制采用 SnPb 涂層，相關(guān)公司有時(shí)還會放棄使用更多僅限無鉛涂層的新型組件。雖然這可以由那些提供剝離和重新電鍍或植球工藝的第三方公司來克服，但是額外的熱循環(huán)和重新測試過程中面臨的困難，加之由此帶來的關(guān)聯(lián)成本等則使其成為不太理想的方法。

在采用無鉛組件的同時(shí)，另一種經(jīng)常被業(yè)界所使用的錫須抑制形式是運(yùn)用諸如 Parylene (聚對二甲苯) 或 Arathane? (敵螨普) 等聚合物保形涂層，多年來，它們已經(jīng)表現(xiàn)出了阻止錫須侵入的作用。

互連的考慮

面對前一節(jié)所討論的多樣化需求，凌力爾特采用 LGA 封裝的 μModule 產(chǎn)品提供了一種通用的解決方案，這是因?yàn)殄兘鸷副P在軍用和航天系統(tǒng)中得到了長期使用，而且它們同時(shí)還擁有符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢。

然而，采用鍍金組件時(shí)需要關(guān)注的一個(gè)問題是金的脆性，而且這一點(diǎn)對于那些承受嚴(yán)酷環(huán)境條件的大型 BTC (底部端子組件) 來說尤為突出。在回流焊過程中，金溶化到焊點(diǎn)中，并在結(jié)晶結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生弱界面，金錫 IMC (金屬間化合物) 薄片與周圍焊料之間的 CTE (熱膨脹系數(shù)) 差異會導(dǎo)致焊點(diǎn)的龜裂，并在組件反復(fù)進(jìn)行溫度循環(huán)時(shí)最終出現(xiàn)開路。作為業(yè)界的一條長期的經(jīng)驗(yàn)法則，建議焊點(diǎn)中金的重量百分比不要超過約 3% 的門限值，而凌力爾特的 LGA μModule 產(chǎn)品則滿足了這項(xiàng)要求 (對于 SnPb 和 SAC305 焊膏均是如此)。為此，有些公司在具代表性的 PCB 和環(huán)境條件下使用特殊的菊鏈?zhǔn)交ミB樣本自行開展了針對 BTC 的試驗(yàn)。

增加至 PCB 的一個(gè)接合點(diǎn)和間隔柱中的焊膏量可通過使接合點(diǎn)更加柔順而改善互連的可靠性。軍工和航天業(yè)所做的測試得出了這樣的結(jié)論：在很可能遇到嚴(yán)酷環(huán)境條件的場合 (特別是機(jī)載系統(tǒng)) 中，BGA 封裝通常比 LGA 封裝更受青睞。BGA 封裝還有一個(gè)額外的優(yōu)勢是清洗工作變得更加容易，從而減少了對于污染的擔(dān)心。

由于這些原因，目前 μModule 穩(wěn)壓器除了提供 LGA 封裝之外也可提供 BGA 封裝。 BGA 封裝的缺點(diǎn)是熱效率略有下降 (約 0.5oC/W) 且組件高度總體增加了 0.6mm。凌力爾特的 BGA μModule 穩(wěn)壓器的標(biāo)準(zhǔn)級產(chǎn)品采用 SAC305 無鉛配置，特定的產(chǎn)品則可根據(jù)需要提供錫鉛 Sn63Pb37 焊球。

可靠性測試和特性

恰當(dāng)?shù)靥幚磉@些關(guān)注點(diǎn)是很重要的，凌力爾特對采用 LGA 和 BGA 配置的μModule 產(chǎn)品之互連可靠性均進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。

按照背景，我們應(yīng)該把組件測試和互連測試區(qū)別開來，前者在初始鑒定及后續(xù)的可靠性監(jiān)視中使用，而后者則是針對選定 PCB 配置、裝配工藝和溫度循環(huán)參數(shù)所做的實(shí)際性能特性分析。

大量的組件級 μModule 產(chǎn)品測試顯示可靠性水平達(dá)到了異常高的 0.72 FIT (1 FIT = 10億個(gè)器件操作小時(shí)中發(fā)生一個(gè)故障)，然而由于篇幅的限制，本文將著重介紹互連級測試。

完成了以下三類互連測試;

1) 菊鏈測試：該測試中，μModule 穩(wěn)壓器中的每個(gè)焊盤連接至下一個(gè)焊盤以形成完整的電路，并在溫度循環(huán)過程中依據(jù) IPC-9701 和 JESD22-A104 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。這種方法可確保每個(gè)焊盤都經(jīng)過測試，而且由于許多焊盤在應(yīng)用中是并聯(lián)連接的，因此相比于功能測試，人們通常優(yōu)先選擇菊鏈測試。

表 1：LTM4601A 菊鏈測試結(jié)果 (LGA 和 BGA 封裝)

注 (1)：當(dāng)采用韋伯 (Weibull) 分布曲線圖對表 1 中的 5 個(gè)不合格產(chǎn)品進(jìn)行分析時(shí)，其預(yù)計(jì)一個(gè) 1% 的故障點(diǎn) (在 1780 個(gè)周期)。

注 (2)：采用 SAC305 (無鉛) 焊膏進(jìn)行的更多后續(xù) LGA 產(chǎn)品測試 (至 6000 個(gè)周期) 顯示：在總共 240 個(gè)其他不同的 μModule 產(chǎn)品樣本中故障率為零。

注 (3)：所有的 BGA 封裝均采用 SAC305 焊球。

2) 功能測試：該測試中，μModule 穩(wěn)壓器在一塊評估板上進(jìn)行溫度循環(huán)和測試以驗(yàn)證其運(yùn)作的正確性。很多測試是針對 LGA 封裝 μModule 穩(wěn)壓器進(jìn)行的，并比較了采用 SnAgCu 無鉛焊膏與 SnPb 焊膏時(shí)的情況。不過，測試將最大周期數(shù)限制在 2000 次，因此使用任一焊膏都未產(chǎn)生任何故障。

3) 隨機(jī)振動(dòng)測試：按照 MIL-STD-202G 規(guī)范的 214A 方法在 50Hz 至 2000Hz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，這是一項(xiàng)非常嚴(yán)苛的測試。采用 LGA-133 封裝的 LTM4610A 的測試通過了測試規(guī)格 “Letter C” (在 9.26g RMS)，但對于測試規(guī)格 “Letter F” (在 20.71g RMS) 則未通過 Z 軸測試。對采用 BGA 封裝的 LTM4601A 進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果羅列在下面的表 2 中。在使用 SnPb 和 SAC305 (無鉛) 焊膏時(shí)均獲得了優(yōu)良的結(jié)果，在 20.71g RMS 條件下通過了測試。

表 2：BGA-133 封裝的隨機(jī)振動(dòng)測試

結(jié)論

在可以預(yù)見的未來，軍事和航天應(yīng)用很可能將繼續(xù)要求使用各種組件涂層，而致力于服務(wù)此類市場的制造商則必須保持對于 SnPb 組件涂層的支持。諸如凌力爾特 μModule 產(chǎn)品等采用鍍金 LGA 封裝的 BTC 擁有經(jīng)過驗(yàn)證的可靠性和廣泛的業(yè)界認(rèn)可度。現(xiàn)在，μModule 產(chǎn)品可提供作為 LGA 封裝替代方案的 BGA 封裝版本，以適合那些環(huán)境特別嚴(yán)酷的應(yīng)用。

已經(jīng)證明：具有符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)的 SAC305 (無鉛) 焊球并采用 SAC305 和 SnPb 焊膏的 BGA 封裝非常可靠，并能經(jīng)歷 6000 次以上的溫度循環(huán)而不發(fā)生故障。對于那些強(qiáng)制要求采用SnPb 涂層的應(yīng)用，凌力爾特如今可提供一種 SnPb BGA 的出廠封裝選項(xiàng)。