LGA塑封電路測試插座結構、材質及外觀檢驗

李明遠，史 君，王維維，劉利新，郭瀟菲，閆 靜

(北京微電子技術研究所，北京，100076)

1 引言

隨著集成電路技術的飛速發展,因塑封電路具有成本低、體積小、重量低等優點,塑封集成電路在高可靠性領域應用越來越廣泛。隨著塑封電路逐步應用于軍用產品中,對塑封工藝帶來挑戰的同時,也對塑封電路測試后的外觀要求越來越苛刻。根據集成電路封裝工藝要求,對塑封集成電路進行測試時集成電路生產過程中必不可少的關鍵工序之一,進行塑封集成電路測試就需設計及選用專用的測試插座,同時需保障塑封集成電路測試后的電路外觀、質量及可靠性。在測試過程,需將電路放置在測試插座腔體內,保障電路與插座良好接觸,同時避免因插座材質選取不當造成電路外觀損傷,另通過電路外觀檢驗方法來檢驗塑封電路的質量及判斷塑封集成電路缺陷的依據。

2 LGA塑封電路

隨著集成電路的設計和封裝工藝制造要求越來越高,為滿足縮小電路尺寸、增加引腳數量、提高散熱等性能的要求,LGA塑封產品越來越多的采用有機基板的倒裝芯片封裝,倒裝芯片塑封基本流程為有機基板制造、管芯貼裝、整體塑封、基板切割分粒,按照流程最終形成LGA倒裝塑封成品。LGA塑封電路采用超薄、高密度的多層封裝有機基板作為芯片管芯和無緣器件載體,實現引腳接觸面積大,排列密度高,比較適用于對集成度要求較高的系統應用場合[1]。

圖1 LGA倒裝管芯塑封結構圖

3 測試插座

根據集成電路封裝工藝要求,對封裝后塑封電路需進行測試是集成電路生產過程中必不可少的關鍵工序之一,要進行電路測試以保證電路外觀、質量及可靠性,就需要設計及選用專用的測試插座。專用測試插座是對電路的電性能及電氣連接進行測試來檢查生產制造缺陷及電路不良的必備試驗裝置,根據測試插座的應用環境、操作方式和特點,并且為了保證生產過程中電路的穩定性和電路的可靠性,同時避免人工手動測試造成的引線壓傷、劃傷、損傷等電路外觀問題,需嚴格進行插座選型。

3.1 傳統測試插座

LGA(Land Grid Array)是平面柵格陣列封裝,底部是平整的焊盤,其與外部主板的電性連接采用的是點接觸技術,即將電路防放入定制的專用測試插座腔體內,插座中的彈簧針與LGA底部平整的焊盤一一對應,形成點接觸的連接。

在測試過程中,傳統測試插座(如圖2所示)主體與PCB板上的定位孔通過螺絲將測試插座與PCB板固定。彈簧信號針是以彈針接觸體為核心的連接器,由信號針針尖、管殼本體、針尾三部分組成,針尖針尾設置于管殼本體一端用于插入插座,管殼本體另一端內側設置有信號針針尖[3]。利用測試插座的限位功能及測試插座的旋轉上蓋施加一定的向下貼合壓力,電路的引線與彈簧信號針針尖接觸、PCB焊盤與彈簧針針尾接觸。浮動導向板對待測電路進行限位和定位,電路放置浮動導向板內且電路受到旋鈕上蓋的壓力后,彈簧信號針的針尖才與電路引線接觸;反之,電路不受旋鈕上蓋的壓力則彈簧信號針的針尖不與電路引線接觸,避免造成電路引線劃傷、扎傷等外觀問題出現。

圖2 傳統測試插座結構

通過不同電路選用的管殼、蓋板圖紙及測試技術要求進行測試插座設計及選用，保障電路、彈簧信號針和PCB焊盤三者之間的精準定位接觸，最終實現對電路性能的測試。同老化插座結構相比，該測試插座裝拆簡單、便捷，測試穩定、壽命長、節省焊接時間等特點。

3.2 測試插座材質

隨著工程塑料用途的不斷擴大,工程塑料應用在電子電器領域,對塑料的各種機械加工也越來越多,雖然機械加工的方法有多種多樣,但考慮電氣絕緣性、靜電消散及熱穩定定性,定制測試插座內腔體材質選用也趨向于工程塑料。目前,應用較為廣泛的耐高溫聚合物主要有聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)、聚醚酰亞胺(PEI)和聚酰胺酰亞胺(PAI)等[4]。測試插座材料的選用需基于對測試環境、對電路外觀的影響等方面進行綜合考慮,其中軍品電路測試環境溫度范圍在-55℃-+125內,商用及民用電路測試環境溫度范圍在-40℃-+80℃。綜上所述,測試插座腔體材料選用型號為2204U-W (PEEK+TiO2)、Vespel? SP1SCP5000(PI)、ESD420 (PEI)、Tor Lon 5530(PAI)。常見制作插座的材料主要吸能簡述見下表1:

表1 常見制作插座大材料主要性能

針對加工插座的材料,主要對PEEK+TiO2、PEEK+纖維、Tor Lon 5530進行詳細說明:

3.2.1 Peek+TiO2

承載民生期盼，落實民生關切，進一步加強農田水利建設將采取哪些措施？陳雷部長在報告中給出答案：一是進一步加大農田水利投入力度，二是繼續深化農田水利重點環節改革，三是全面實施大中型灌區節水改造，四是切實抓好小型農田水利重點縣建設，五是大力發展節水灌溉和旱作農業，六是不斷提高農業抗御洪澇干旱災害能力，七是加快解決農村飲水安全問題，八是積極開展水土保持和農村水環境治理，九是著力加強農田水利建設與運行管理，十是加快農田水利法制化和規范化建設。

PEEK應用在精密加工中,采用填充改性的方法對聚醚醚酮(PEEK)進行改性,即在PEEK原材料中添加增強材料,提高其力學性能和摩擦學性能。通常用來改善摩擦、磨損性能的添加材料包括有金屬化合物類、無機物類、有機類、稀土金屬以及纖維類,其中有金屬化合物包括Al2O3、TiO2、CuO、ZrO2和MoS2等,無機物包括石墨、氟化石墨和富勒烯,有機物的聚四氟乙烯,纖維包括碳纖和玻纖[4],其中PEEK原材料中添加的金屬氧化物為耐磨顆粒,具有高強度、高脆性等特點。

測試插座腔體材料選用型號為2204U-W (PEEK+TiO2),材料成分占比為70%聚醚醚酮PEEK和30% TiO2二氧化鈦陶瓷粉。即在PEEK原材料中,通過填充改性的方式,添加TiO2二氧化鈦陶瓷粉,同時提高PEEK與金屬化合物TiO2的相容性,改善PEEK的力學性能、摩擦及磨損性能,同時大幅度降低材料的成本。然而TiO2二氧化鈦又稱鈦白粉,為白色顏料,其經過特殊處理,在采用濕磨方式去除其中的大顆粒,材料表面涂4%硅鋁成分,使表面積最低吸油值。

3.2.2 Peek+纖維

碳纖維作為一種增強性材料,在制備過程中高溫碳化或石墨化處理其表面呈化學惰性,易起毛絲、易脆斷,而應用碳纖維上漿劑鋪展在PEEK復合材料上,可以隔離空氣中的灰塵、水分,并保持其表面活性,有效提高碳纖維的侵潤性及表面活性。碳纖維(CF )增強的PEEK復合材料具有優異的性能,如剛度和高強度,良好的可加工性,低膨脹系數等[5],避免纖維件的摩擦,減少因纖維起毛絲、斷裂而造成的力學性能損失,同時提高PEEK復合材料的摩擦性能。

測試插座腔體材料選用型號為ESD420/1000PEEK (PEEK+纖維),材料成分占比為80%聚醚醚酮PEEK和20%碳纖維,因碳纖維具有優異的性能,如高強度、高模量、質量低、熱穩定性以及耐腐蝕性等,通過增強或者改性熱塑性復合材料,可以滿足航空航天、汽車工業以及機械工程等領域的要求。

3.2.3 Tor Lon 5530

在高分子聚合物的減摩耐磨復合材料中, PAI由于比其他材料具有更突出的耐熱性、電絕緣性、力學性能以及化學穩定性所以受到更廣泛的關注。PAI具有優異的機械性能、耐熱性能、介電性,化學穩定性和較寬的使用溫度范圍,成為有機涂層的重要成膜物質[6]。

Torlon 5530是耐磨聚酰胺酰亞胺產品,易成型、具有極佳的耐磨性,高溫操作條件下具有杰出的力學性能,優良的抗蠕變性、耐強酸和大多數的有機物,極佳的壓縮強度和密封性能。

3.2.4 插座材質對比

插座材質型號為2204U-W (PEEK+TiO2),韌性和剛性兼備,在精加工的過程中,打孔更加干脆,而無毛刺或脫落物。型號為ESD420/1000PEEK(PEEK+纖維)的韌性較2204U-W的弱些,加工打孔的時間會有所延長,不會出現顆粒物,較2204U-W的價格稍微便宜些。而Torlon 5530材料的剛性和耐損性均要比陶瓷PEEK好[7],然而價格較陶瓷PEEK更貴一些,在濕度較大的環境中會出現少量的變形。

不同的使用壽命以及環境對于材料有不同的需求,如果使用不當,也會造成很大的測試隱患。然而在正常使用情況下,測試插座非外力受損,插座材料的使用壽命均能保證在整個產品測試周期內正常使用,然而測試插座的使用壽命主要取決于彈簧針的磨損情況。而在實際生產過程中,測試插座經過長時間使用,插座腔體內的材質本身存在顆粒物,在受溫度、壓力變化及使用磨損,導致顆粒物凸起至插座腔體表面,LGA塑封產品測試后可能造成電路外觀損傷。針對此種情況有以下幾種方式,一是插座選用顆粒物較少的材質,二是插座結構選用新型導電膠插座,三是對插座進行測前、測中及測后對腔體進行檢驗,增加風險識別的能力。

3.3 新型導電膠插座

新型導電膠插座(見圖3)與傳統彈簧針插座外圍結構類似,區別在于導通結構不同。新型導電膠插座是以金粉柱替代傳統彈簧針插座的工程塑料針孔和彈簧針,需要開模制作。導電膠具有彈性和絕緣性,應用導電膠由原彈簧針點接觸方式變更為金粉柱柱面接觸,提高與電路焊盤接觸面積,減小接觸阻抗,同時改善傳統彈簧針插座中彈簧針的剛性結構(金屬針尖)對焊盤的磨損與破壞,提高測試連接的穩定性。

圖3 新型導電膠插座結構

相比傳統測試插座,新型導電膠測試插座結構較傳統測試插座結構具有以下優點:第一,測試距離短,損耗小,相比彈簧探針更適合高頻測試;第二,與電路焊盤接觸介質為金粉柱,相比彈簧探針對焊盤的損傷更小。同時新型導電膠測試插座也具有缺點,一是導電膠整體需要開模制作,即使只是一個管腳損壞也需整體進行更換;二是導電膠插座測試距離短,結構上無法設計物理限位,若對導電膠產生過壓,則會導致其損壞;三是相比彈簧針使用壽命更短,加工成本更高。

3.4 傳統測試插座優化

專用測試插座設計時,均會采用傳統Guide Plate結構,即彈簧針針尖裸露于插座腔體表面,然而在手動測試的情況下,塑封LGA電路焊盤會出現劃傷、扎傷等現象。為保障電路外觀質量,同時基于導電膠的弊端,對傳統Guide Plate結構測試插座進行優化,采用Floating plate結構,即插座腔體為浮動板,應用彈簧的彈力為浮動板提供浮動狀態,使彈簧針針尖處于浮動板沉孔內。將塑封LGA電路置于插座腔體內,扣上插座上蓋,電路及浮動板受壓塊的壓力,彈簧針針尖露出與電路焊盤接觸。當電路及浮動板不受壓塊的壓力,彈簧針針尖不與電路焊盤接觸,保障彈簧針針尖不會對焊盤造成損傷,改善及提升塑封電路外觀質量。

4 外觀檢驗

LGA塑封集成電路測試完成后,除區分LGA塑封集成電路的好壞外,還需在生產過程中進行質量控制。由于質量檢驗存在滯后性,當質量事故被發現時就為時已晚,無法得到有效的預防,缺少及時有效的生產過程監控,這也導致了生產時由各種質量缺陷導致的低良率事件不斷地發生[8]。為避免或有效預防質量問題的發生,需進行生產過程質量控制。

4.1 塑封電路外觀檢驗

質量控制主要是以質量檢驗為主,通過檢驗人員依照GJB548B-2005中方法2009.1進行塑封集成電路外觀檢驗,通過外觀檢驗確保試驗項目和周期試驗項目的合格,提高塑封電路的質量及判斷塑封集成電路缺陷。在塑封集成電路測試整個過程,需對電路外觀進行測前首檢、測中自檢、測后抽檢,及時有效地偵測到電路質量缺陷的發生,而塑封電路外觀需檢驗LGA塑封殼體,塑封電路外部目檢缺陷判據研究如下:

①標志不清晰、標志內容或位置不符合使用的規范。②檢驗塑封基板焊盤是否露出鎳層,嚴重的情況可能導致焊盤露出底部金屬層;③檢驗塑封基板表面凹坑或缺損是否與焊盤相連;④檢驗塑封基板是否有長度、寬度或深度的缺損;⑤檢驗塑封基板表面是否有劃傷、劃痕等;⑥檢驗塑封基板表面或焊盤缺損露出底材;⑦檢驗塑封基板底部是否存有壓痕,壓痕嚴重可能導致基板內部結構發生形變;

4.2 測試插座外觀檢驗

電路測試生產過程中,需將電路放入定制的專用測試插座腔體內,使LGA塑封電路焊盤與插座內彈簧針一一對應,形成點接觸的連接方式。塑封電路受向插座上蓋向下的壓力,保證LGA塑封電路焊盤與彈簧針良性接觸,提升電路測試穩定性,其中電路上表面受壓塊向下的壓力,下表面及焊盤受插座腔體及彈簧針向上的彈力。故除需對電路外觀進行檢驗外,還需對測試插座與塑封電路相接觸的區域進行使用前、過程中、使用后檢驗,及時有效地偵查到測試插座外觀異常情況?；诖?塑封電路測試插座外觀檢驗判據要求如下:

①檢驗彈簧針是否針尖或針尾脫落、針尖受力變形和出現縮針現象;②檢驗彈簧針針孔是否存在粘錫堵孔現象;③檢驗測試插座導向框是否存在不同程度的壓傷或損傷;④檢驗測試插座腔體內是否存有多余物,避免對電路下表面造成硌傷;⑤檢驗測試插座壓塊表面是否存在多余物、形變或損傷,避免對電路上表面造成壓傷;

隨著塑封集成電路越來越多地應用于國防高可靠領域,通過生產過程質量控制,對測試插座及電路進行外觀檢驗,可有效提高塑封集成電路高質量、高可靠、高穩定的要求。

5 結論

隨著芯片的需求日益增長,集成電路在國內的發展增長迅速,塑封集成電路材料、測試技術及檢驗要求不斷地提高,通過對集成電路選取的專用測試插座的材質選取、對比,避免插座材質對塑封集成電路造成損傷。再通過塑封集成電路外觀檢驗依據,提高塑封集成電路高質量、高精度、高可靠。