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(huì)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(chǎng)的廣泛認(rèn)可，其可提供完整的系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案，不僅簡(jiǎn)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(chǎng)。然而，有些需要面對(duì)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(chǎng)需求呈現(xiàn)出“各自為政”的態(tài)勢(shì)，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(duì)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(duì)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(zhǎng)。通過強(qiáng)制采用 SnPb 涂層，相關(guān)公司有時(shí)還會(huì)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(cè)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(duì)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(duì)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(zhǎng)期使用，而且它們同時(shí)還擁有符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。
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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(duì)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(duì) BTC 的試驗(yàn)。
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