航空航天封装材料的新宠儿---微弹簧圈

 

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。

微弹簧圈（MCS）

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2.5um）、Ni（镀层厚度0.75-1.25um）/Au（镀层厚度0.25um）等。

图1 微弹簧圈3D结构示意图及设计尺寸

 

表1 铍铜合金性质

名称	抗拉强度（Mpa）	密度（g/cm3）	弹性模量（Gpa）	硬度（HRC）	热导率（W/m×k）20℃	电导率（IACS%）
铍铜合金	1105	8.3	128	38-44	105	18

 

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。

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。

微弹簧圈有限元分析与物理测试

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5  MCS分别承受剪切应力和压应力的有限元模拟图

    Allison Copus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。

 

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。

微弹簧圈焊点分析

 

   

图7  MCS和CCGA封装结构示意图

 

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）下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。

 

图8  1500g跌落测试下的不变形、正、负挠曲结果图

微弹簧圈失效形式

    MCS封装的失效形式主要有两种，如图9所示。和CCGA的“S形”失效形式不同，前文我们提到MCS封装最容易出现失效的位置在螺旋弹簧线圈上，如图9中左图，出现这种失效的主要原因可能是由于轴向应力、压应力等过大，导致出现不可回复变形，最终出现断裂；图9中右图是经过多次热循环后失效的组织金相图，主要集中在氧化铝陶瓷板端焊点处。

图9  MCS封装失效形式分析

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。

 

参考文献

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