航天芯片的“擎天柱”——陶瓷柱柵陣列_風聞

马氏体-07-30 19:40

2023-07-30

芯片是精密而脆弱的，需要一套“鎧甲”——封裝（package，又稱“管殼”）來提供保護，隔絕外界空氣和水汽，起到機械支撐和散熱的作用，還要實現與外部電路的連通。

對於民用芯片，最常用的是以樹脂/玻璃纖維層壓板製成的電路板為基板，用樹脂包裹密封。為了滿足數百個接頭的接線需要，高端集成電路採用球珊陣列（BaII Grid Array，BGA）封裝，即利用器件底面的面積，安置焊錫微球陣列，實現與下方的印刷電路板（PCB）的連接。

在軍工、航空、航天等工作環境惡劣、對可靠性要求極高的場合，需要芯片封裝具有更強的熱性能、電性能和阻隔性能，則使用氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氧化鈹（BeO）等陶瓷代替樹脂作為封裝材料，在陶瓷表面複合金屬電路圖形制成陶瓷基板，再種植焊錫微球構成陶瓷球柵陣列（Ceramic BaII Grid Array，CBGA）。

然而，陶瓷材料的熱膨脹係數只有電路板樹脂材料的三分之一左右，在極端環境温度、芯片工作發熱的情況下，兩者熱膨脹不匹配，會使焊錫球承受極大的應力，導致焊點斷裂、電路失效。

尤其是對於大尺寸的器件，越靠近器件的邊緣，陶瓷基板和電路板的變形量差異越大，越容易導致焊接的失效。因此，CBGA無法滿足大尺寸器件的高可靠性要求。

應對之道是用焊柱代替焊球。焊柱的高度比焊球更大，當上下兩側變形量之差相同時，焊柱所承受的應力比相同直徑的焊球更小，能夠更好地通過自身的變形來緩衝陶瓷基板和印刷電路板的熱膨脹差異，從而極大地提升焊點的可靠性。這就是陶瓷柱柵陣列（Ceramic Column Grid Array，CCGA）。

在製造CCGA器件時，首先在基板底面印刷焊錫膏圖形陣列（焊錫膏由焊錫粉和膏狀助焊劑混合而成），再插上焊柱——這個過程被稱為“植柱”，隨後加熱熔化焊錫膏，把焊柱焊接牢固。CCGA器件以貼裝的方式與印刷電路板結合，即把焊柱陣列貼放到印刷電路板的焊盤陣列上（也要預先印刷焊錫膏），再加熱焊接。焊錫膏一般是含37%鉛的錫鉛焊料，熔點183℃。為了避免焊柱熔化坍塌，焊柱由90%鉛-10%錫或80%鉛-20%錫的高鉛焊料製成，熔點在300℃左右。

CCGA器件的規格用焊柱的數量表示，比較常見的有717和1144。717是27×27的陣列，扣除每個角的3根；1144是34×34的陣列，扣除每個角的3根（上圖）。每根焊柱長2毫米左右，直徑零點幾毫米，間距1毫米左右。

以下摘自公開發表的論文——

“由於高等級的CCGA主要由國外個別公司把控，而國外對於CCGA的返修絕大多數是通過拆除問題器件，直接焊接新器件完成全部CCGA返修過程。針對國內引進的高等級器件，國外原廠並不提供植柱返修方面的技術支持，可查到的該領域資料也基本為零。”

“僅2011年使用量約為200-300片，以300萬門電路報價15萬/片計算，僅2011年使用CCGA 經濟總量高達3000萬。據不完全統計，近五年來，各廠所因返修導致報廢樣片近百片，因焊接工藝問題、焊點問題導致器件報廢，造成損失多達數百萬元。”

美國Actel（已被美國Microsemi美高森美公司收購）和Xilinx（賽靈思，已被美國AMD公司收購）是世界上主要的可編程門陣列（FPGA）芯片生產商，它們可用於軍用的芯片受到嚴格管制。

對於航天所用的器件，由於價格昂貴，簡單更換會造成很大的經濟損失；更重要的是，由於供應鏈存在“卡脖子”風險，供貨不及時無疑會影響航天發射。把有焊接問題的器件拆下來自行返修是無奈的對策。這就需要重新植柱。

植柱離不開技師的一雙巧手，以及常人難以想象的耐心，才能在一塊硬幣大小的器件上，植上1144根焊柱。

中央電視台曾經多次報道中國電子科技集團第二十九研究所的高級技師潘玉華的事蹟。二十九所位於成都，是我國最早建立、專業從事電子戰技術研究、裝備型號研製和生產的國家一類系統工程研究所，多年來一直承擔着國家重點工程、國家重大基礎、國家重大安全等工程任務，能夠設計開發和生產陸、海、空、天、彈等各種平台的電子信息系統裝備。

“國內對 CCGA 植柱研究領域尚不成熟，返回專業廠商重新植柱成本較高，可行性差，同時也沒有經返修的 CCGA 成功在航天領域應用。”但潘玉華接下了這項挑戰。從一開始每個器件要花費4小時植柱、一口氣做完4個器件後的全身僵硬，到後來每個器件只需1小時的駕輕就熟，潘玉華變不可能為可能，一次次保證重大項目按時完成。

對我國而言，不光要突破高端芯片的“卡脖子”問題，焊柱也是不可或缺的關鍵材料。

從上世紀70年代末美國IBM公司開發出圓柱形鉛合金焊柱開始，1982年美國Raychem（瑞侃公司，現屬於瑞士TE Connectivity泰科電子）用銅帶纏繞鉛合金柱的方式提供額外的支撐、導熱、抗熱衝擊能力，2000年IBM又開發了鍍銅焊柱，2012年美國NASA研發了具有更強的抗振、抗熱應力性能的銅鈹合金微線圈型焊柱，國外的焊柱技術在不斷發展。