航天芯片的“擎天柱”——陶瓷柱栅阵列
马氏体
2023-07-30 19:40
芯片是精密而脆弱的，需要一套“铠甲”——封装（package，又称“管壳”）来提供保护，隔绝外界空气和水汽，起到机械支撑和散热的作用，还要实现与外部电路的连通。
对于民用芯片，最常用的是以树脂/玻璃纤维层压板制成的电路板为基板，用树脂包裹密封。为了满足数百个接头的接线需要，高端集成电路采用球珊阵列（BaII Grid Array，BGA）封装，即利用器件底面的面积，安置焊锡微球阵列，实现与下方的印刷电路板（PCB）的连接。
在军工、航空、航天等工作环境恶劣、对可靠性要求极高的场合，需要芯片封装具有更强的热性能、电性能和阻隔性能，则使用氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氧化铍（BeO）等陶瓷代替树脂作为封装材料，在陶瓷表面复合金属电路图形制成陶瓷基板，再种植焊锡微球构成陶瓷球栅阵列（Ceramic BaII Grid Array，CBGA）。
然而，陶瓷材料的热膨胀系数只有电路板树脂材料的三分之一左右，在极端环境温度、芯片工作发热的情况下，两者热膨胀不匹配，会使焊锡球承受极大的应力，导致焊点断裂、电路失效。
尤其是对于大尺寸的器件，越靠近器件的边缘，陶瓷基板和电路板的变形量差异越大，越容易导致焊接的失效。因此，CBGA无法满足大尺寸器件的高可靠性要求。
应对之道是用焊柱代替焊球。焊柱的高度比焊球更大，当上下两侧变形量之差相同时，焊柱所承受的应力比相同直径的焊球更小，能够更好地通过自身的变形来缓冲陶瓷基板和印刷电路板的热膨胀差异，从而极大地提升焊点的可靠性。这就是陶瓷柱栅阵列（Ceramic Column Grid Array，CCGA）。
在制造CCGA器件时，首先在基板底面印刷焊锡膏图形阵列（焊锡膏由焊锡粉和膏状助焊剂混合而成），再插上焊柱——这个过程被称为“植柱”，随后加热熔化焊锡膏，把焊柱焊接牢固。CCGA器件以贴装的方式与印刷电路板结合，即把焊柱阵列贴放到印刷电路板的焊盘阵列上（也要预先印刷焊锡膏），再加热焊接。焊锡膏一般是含37%铅的锡铅焊料，熔点183℃。为了避免焊柱熔化坍塌，焊柱由90%铅-10%锡或80%铅-20%锡的高铅焊料制成，熔点在300℃左右。
CCGA器件的规格用焊柱的数量表示，比较常见的有717和1144。717是27×27的阵列，扣除每个角的3根；1144是34×34的阵列，扣除每个角的3根（上图）。每根焊柱长2毫米左右，直径零点几毫米，间距1毫米左右。
以下摘自公开发表的论文——
“由于高等级的CCGA主要由国外个别公司把控，而国外对于CCGA的返修绝大多数是通过拆除问题器件，直接焊接新器件完成全部CCGA返修过程。针对国内引进的高等级器件，国外原厂并不提供植柱返修方面的技术支持，可查到的该领域资料也基本为零。”
“仅2011年使用量约为200-300片，以300万门电路报价15万/片计算，仅2011年使用CCGA 经济总量高达3000万。据不完全统计，近五年来，各厂所因返修导致报废样片近百片，因焊接工艺问题、焊点问题导致器件报废，造成损失多达数百万元。”
美国Actel（已被美国Microsemi美高森美公司收购）和Xilinx（赛灵思，已被美国AMD公司收购）是世界上主要的可编程门阵列（FPGA）芯片生产商，它们可用于军用的芯片受到严格管制。
对于航天所用的器件，由于价格昂贵，简单更换会造成很大的经济损失；更重要的是，由于供应链存在“卡脖子”风险，供货不及时无疑会影响航天发射。把有焊接问题的器件拆下来自行返修是无奈的对策。 这就需要重新植柱。
植柱离不开技师的一双巧手，以及常人难以想象的耐心，才能在一块硬币大小的器件上，植上1144根焊柱。
中央电视台曾经多次报道中国电子科技集团第二十九研究所的高级技师潘玉华的事迹。二十九所位于成都，是我国最早建立、专业从事电子战技术研究、装备型号研制和生产的国家一类系统工程研究所，多年来一直承担着国家重点工程、国家重大基础、国家重大安全等工程任务，能够设计开发和生产陆、海、空、天、弹等各种平台的电子信息系统装备。
“国内对 CCGA 植柱研究领域尚不成熟，返回专业厂商重新植柱成本较高，可行性差，同时也没有经返修的 CCGA 成功在航天领域应用。”但潘玉华接下了这项挑战。从一开始每个器件要花费4小时植柱、一口气做完4个器件后的全身僵硬，到后来每个器件只需1小时的驾轻就熟，潘玉华变不可能为可能，一次次保证重大项目按时完成。
对我国而言，不光要突破高端芯片的“卡脖子”问题，焊柱也是不可或缺的关键材料。
从上世纪70年代末美国IBM公司开发出圆柱形铅合金焊柱开始，1982年美国Raychem（瑞侃公司，现属于瑞士TE Connectivity泰科电子）用铜带缠绕铅合金柱的方式提供额外的支撑、导热、抗热冲击能力，2000年IBM又开发了镀铜焊柱，2012年美国NASA研发了具有更强的抗振、抗热应力性能的铜铍合金微线圈型焊柱，国外的焊柱技术在不断发展。
在不到十年前，我国还只能生产最简单的圆柱形焊柱（焊料拉成细丝以后切割得到），而在2022年发射的神舟十四号飞船上，已经应用了国产的铜带缠绕型焊柱。同样可喜的是，神舟飞船、北斗三号等所用的宇航级核心器件已实现自主可控。
一根根小小的焊柱，托举起的是大大的航天事业。
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参考资料和素材来源：
中央电视台. 《国防科工》20200222潘玉华 为预警机焊接“神经”.
https://tv.cctv.com/2020/02/22/VIDEDVDFOnT91yVXoydCkfPp200222.shtml
洛阳县区新闻. “洛阳创造”芯片关键材料护航“神十四”筑梦苍穹. 20220610
任康,刘丙金.陶瓷球栅阵列器件转变为陶瓷柱栅阵列器件.电子工艺技术,2018,39(01):19-21+52.
丁颖,周岭.CCGA器件的结构特征及其组装工艺技术.电子工艺技术,2010,31(04):205-208+218.
李守委,毛冲冲,严丹丹.CCGA用焊柱发展现状及面临的挑战.电子与封装,2016,16(10):6-10+18.
沈浩. CCGA返修植柱工艺及可靠性分析.哈尔滨工业大学,2018.
