LGA塑封电路测试插座结构、材质及外观检验

李明远，史 君，王维维，刘利新，郭潇菲，闫 静

(北京微电子技术研究所，北京，100076)

1 引言

随着集成电路技术的飞速发展,因塑封电路具有成本低、体积小、重量低等优点,塑封集成电路在高可靠性领域应用越来越广泛。随着塑封电路逐步应用于军用产品中,对塑封工艺带来挑战的同时,也对塑封电路测试后的外观要求越来越苛刻。根据集成电路封装工艺要求,对塑封集成电路进行测试时集成电路生产过程中必不可少的关键工序之一,进行塑封集成电路测试就需设计及选用专用的测试插座,同时需保障塑封集成电路测试后的电路外观、质量及可靠性。在测试过程,需将电路放置在测试插座腔体内,保障电路与插座良好接触,同时避免因插座材质选取不当造成电路外观损伤,另通过电路外观检验方法来检验塑封电路的质量及判断塑封集成电路缺陷的依据。

2 LGA塑封电路

随着集成电路的设计和封装工艺制造要求越来越高,为满足缩小电路尺寸、增加引脚数量、提高散热等性能的要求,LGA塑封产品越来越多的采用有机基板的倒装芯片封装,倒装芯片塑封基本流程为有机基板制造、管芯贴装、整体塑封、基板切割分粒,按照流程最终形成LGA倒装塑封成品。LGA塑封电路采用超薄、高密度的多层封装有机基板作为芯片管芯和无缘器件载体,实现引脚接触面积大,排列密度高,比较适用于对集成度要求较高的系统应用场合[1]。

图1 LGA倒装管芯塑封结构图

3 测试插座

根据集成电路封装工艺要求,对封装后塑封电路需进行测试是集成电路生产过程中必不可少的关键工序之一,要进行电路测试以保证电路外观、质量及可靠性,就需要设计及选用专用的测试插座。专用测试插座是对电路的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及电路不良的必备试验装置,根据测试插座的应用环境、操作方式和特点,并且为了保证生产过程中电路的稳定性和电路的可靠性,同时避免人工手动测试造成的引线压伤、划伤、损伤等电路外观问题,需严格进行插座选型。

3.1 传统测试插座

LGA(Land Grid Array)是平面栅格阵列封装,底部是平整的焊盘,其与外部主板的电性连接采用的是点接触技术,即将电路防放入定制的专用测试插座腔体内,插座中的弹簧针与LGA底部平整的焊盘一一对应,形成点接触的连接。

在测试过程中,传统测试插座(如图2所示)主体与PCB板上的定位孔通过螺丝将测试插座与PCB板固定。弹簧信号针是以弹针接触体为核心的连接器,由信号针针尖、管壳本体、针尾三部分组成,针尖针尾设置于管壳本体一端用于插入插座,管壳本体另一端内侧设置有信号针针尖[3]。利用测试插座的限位功能及测试插座的旋转上盖施加一定的向下贴合压力,电路的引线与弹簧信号针针尖接触、PCB焊盘与弹簧针针尾接触。浮动导向板对待测电路进行限位和定位,电路放置浮动导向板内且电路受到旋钮上盖的压力后,弹簧信号针的针尖才与电路引线接触;反之,电路不受旋钮上盖的压力则弹簧信号针的针尖不与电路引线接触,避免造成电路引线划伤、扎伤等外观问题出现。

图2 传统测试插座结构

通过不同电路选用的管壳、盖板图纸及测试技术要求进行测试插座设计及选用，保障电路、弹簧信号针和PCB焊盘三者之间的精准定位接触，最终实现对电路性能的测试。同老化插座结构相比，该测试插座装拆简单、便捷，测试稳定、寿命长、节省焊接时间等特点。

3.2 测试插座材质

随着工程塑料用途的不断扩大,工程塑料应用在电子电器领域,对塑料的各种机械加工也越来越多,虽然机械加工的方法有多种多样,但考虑电气绝缘性、静电消散及热稳定定性,定制测试插座内腔体材质选用也趋向于工程塑料。目前,应用较为广泛的耐高温聚合物主要有聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚酰胺酰亚胺(PAI)等[4]。测试插座材料的选用需基于对测试环境、对电路外观的影响等方面进行综合考虑,其中军品电路测试环境温度范围在-55℃-+125内,商用及民用电路测试环境温度范围在-40℃-+80℃。综上所述,测试插座腔体材料选用型号为2204U-W (PEEK+TiO2)、Vespel® SP1SCP5000(PI)、ESD420 (PEI)、Tor Lon 5530(PAI)。常见制作插座的材料主要吸能简述见下表1:

表1 常见制作插座大材料主要性能

针对加工插座的材料,主要对PEEK+TiO2、PEEK+纤维、Tor Lon 5530进行详细说明:

3.2.1 Peek+TiO2

承载民生期盼，落实民生关切，进一步加强农田水利建设将采取哪些措施？陈雷部长在报告中给出答案：一是进一步加大农田水利投入力度，二是继续深化农田水利重点环节改革，三是全面实施大中型灌区节水改造，四是切实抓好小型农田水利重点县建设，五是大力发展节水灌溉和旱作农业，六是不断提高农业抗御洪涝干旱灾害能力，七是加快解决农村饮水安全问题，八是积极开展水土保持和农村水环境治理，九是着力加强农田水利建设与运行管理，十是加快农田水利法制化和规范化建设。

PEEK应用在精密加工中,采用填充改性的方法对聚醚醚酮(PEEK)进行改性,即在PEEK原材料中添加增强材料,提高其力学性能和摩擦学性能。通常用来改善摩擦、磨损性能的添加材料包括有金属化合物类、无机物类、有机类、稀土金属以及纤维类,其中有金属化合物包括Al2O3、TiO2、CuO、ZrO2和MoS2等,无机物包括石墨、氟化石墨和富勒烯,有机物的聚四氟乙烯,纤维包括碳纤和玻纤[4],其中PEEK原材料中添加的金属氧化物为耐磨颗粒,具有高强度、高脆性等特点。

测试插座腔体材料选用型号为2204U-W (PEEK+TiO2),材料成分占比为70%聚醚醚酮PEEK和30% TiO2二氧化钛陶瓷粉。即在PEEK原材料中,通过填充改性的方式,添加TiO2二氧化钛陶瓷粉,同时提高PEEK与金属化合物TiO2的相容性,改善PEEK的力学性能、摩擦及磨损性能,同时大幅度降低材料的成本。然而TiO2二氧化钛又称钛白粉,为白色颜料,其经过特殊处理,在采用湿磨方式去除其中的大颗粒,材料表面涂4%硅铝成分,使表面积最低吸油值。

3.2.2 Peek+纤维

碳纤维作为一种增强性材料,在制备过程中高温碳化或石墨化处理其表面呈化学惰性,易起毛丝、易脆断,而应用碳纤维上浆剂铺展在PEEK复合材料上,可以隔离空气中的灰尘、水分,并保持其表面活性,有效提高碳纤维的侵润性及表面活性。碳纤维(CF )增强的PEEK复合材料具有优异的性能,如刚度和高强度,良好的可加工性,低膨胀系数等[5],避免纤维件的摩擦,减少因纤维起毛丝、断裂而造成的力学性能损失,同时提高PEEK复合材料的摩擦性能。

测试插座腔体材料选用型号为ESD420/1000PEEK (PEEK+纤维),材料成分占比为80%聚醚醚酮PEEK和20%碳纤维,因碳纤维具有优异的性能,如高强度、高模量、质量低、热稳定性以及耐腐蚀性等,通过增强或者改性热塑性复合材料,可以满足航空航天、汽车工业以及机械工程等领域的要求。

3.2.3 Tor Lon 5530

在高分子聚合物的减摩耐磨复合材料中, PAI由于比其他材料具有更突出的耐热性、电绝缘性、力学性能以及化学稳定性所以受到更广泛的关注。PAI具有优异的机械性能、耐热性能、介电性,化学稳定性和较宽的使用温度范围,成为有机涂层的重要成膜物质[6]。

Torlon 5530是耐磨聚酰胺酰亚胺产品,易成型、具有极佳的耐磨性,高温操作条件下具有杰出的力学性能,优良的抗蠕变性、耐强酸和大多数的有机物,极佳的压缩强度和密封性能。

3.2.4 插座材质对比

插座材质型号为2204U-W (PEEK+TiO2),韧性和刚性兼备,在精加工的过程中,打孔更加干脆,而无毛刺或脱落物。型号为ESD420/1000PEEK(PEEK+纤维)的韧性较2204U-W的弱些,加工打孔的时间会有所延长,不会出现颗粒物,较2204U-W的价格稍微便宜些。而Torlon 5530材料的刚性和耐损性均要比陶瓷PEEK好[7],然而价格较陶瓷PEEK更贵一些,在湿度较大的环境中会出现少量的变形。

不同的使用寿命以及环境对于材料有不同的需求,如果使用不当,也会造成很大的测试隐患。然而在正常使用情况下,测试插座非外力受损,插座材料的使用寿命均能保证在整个产品测试周期内正常使用,然而测试插座的使用寿命主要取决于弹簧针的磨损情况。而在实际生产过程中,测试插座经过长时间使用,插座腔体内的材质本身存在颗粒物,在受温度、压力变化及使用磨损,导致颗粒物凸起至插座腔体表面,LGA塑封产品测试后可能造成电路外观损伤。针对此种情况有以下几种方式,一是插座选用颗粒物较少的材质,二是插座结构选用新型导电胶插座,三是对插座进行测前、测中及测后对腔体进行检验,增加风险识别的能力。

3.3 新型导电胶插座

新型导电胶插座(见图3)与传统弹簧针插座外围结构类似,区别在于导通结构不同。新型导电胶插座是以金粉柱替代传统弹簧针插座的工程塑料针孔和弹簧针,需要开模制作。导电胶具有弹性和绝缘性,应用导电胶由原弹簧针点接触方式变更为金粉柱柱面接触,提高与电路焊盘接触面积,减小接触阻抗,同时改善传统弹簧针插座中弹簧针的刚性结构(金属针尖)对焊盘的磨损与破坏,提高测试连接的稳定性。

图3 新型导电胶插座结构

相比传统测试插座,新型导电胶测试插座结构较传统测试插座结构具有以下优点:第一,测试距离短,损耗小,相比弹簧探针更适合高频测试;第二,与电路焊盘接触介质为金粉柱,相比弹簧探针对焊盘的损伤更小。同时新型导电胶测试插座也具有缺点,一是导电胶整体需要开模制作,即使只是一个管脚损坏也需整体进行更换;二是导电胶插座测试距离短,结构上无法设计物理限位,若对导电胶产生过压,则会导致其损坏;三是相比弹簧针使用寿命更短,加工成本更高。

3.4 传统测试插座优化

专用测试插座设计时,均会采用传统Guide Plate结构,即弹簧针针尖裸露于插座腔体表面,然而在手动测试的情况下,塑封LGA电路焊盘会出现划伤、扎伤等现象。为保障电路外观质量,同时基于导电胶的弊端,对传统Guide Plate结构测试插座进行优化,采用Floating plate结构,即插座腔体为浮动板,应用弹簧的弹力为浮动板提供浮动状态,使弹簧针针尖处于浮动板沉孔内。将塑封LGA电路置于插座腔体内,扣上插座上盖,电路及浮动板受压块的压力,弹簧针针尖露出与电路焊盘接触。当电路及浮动板不受压块的压力,弹簧针针尖不与电路焊盘接触,保障弹簧针针尖不会对焊盘造成损伤,改善及提升塑封电路外观质量。

4 外观检验

LGA塑封集成电路测试完成后,除区分LGA塑封集成电路的好坏外,还需在生产过程中进行质量控制。由于质量检验存在滞后性,当质量事故被发现时就为时已晚,无法得到有效的预防,缺少及时有效的生产过程监控,这也导致了生产时由各种质量缺陷导致的低良率事件不断地发生[8]。为避免或有效预防质量问题的发生,需进行生产过程质量控制。

4.1 塑封电路外观检验

质量控制主要是以质量检验为主,通过检验人员依照GJB548B-2005中方法2009.1进行塑封集成电路外观检验,通过外观检验确保试验项目和周期试验项目的合格,提高塑封电路的质量及判断塑封集成电路缺陷。在塑封集成电路测试整个过程,需对电路外观进行测前首检、测中自检、测后抽检,及时有效地侦测到电路质量缺陷的发生,而塑封电路外观需检验LGA塑封壳体,塑封电路外部目检缺陷判据研究如下:

①标志不清晰、标志内容或位置不符合使用的规范。②检验塑封基板焊盘是否露出镍层,严重的情况可能导致焊盘露出底部金属层;③检验塑封基板表面凹坑或缺损是否与焊盘相连;④检验塑封基板是否有长度、宽度或深度的缺损;⑤检验塑封基板表面是否有划伤、划痕等;⑥检验塑封基板表面或焊盘缺损露出底材;⑦检验塑封基板底部是否存有压痕,压痕严重可能导致基板内部结构发生形变;

4.2 测试插座外观检验

电路测试生产过程中,需将电路放入定制的专用测试插座腔体内,使LGA塑封电路焊盘与插座内弹簧针一一对应,形成点接触的连接方式。塑封电路受向插座上盖向下的压力,保证LGA塑封电路焊盘与弹簧针良性接触,提升电路测试稳定性,其中电路上表面受压块向下的压力,下表面及焊盘受插座腔体及弹簧针向上的弹力。故除需对电路外观进行检验外,还需对测试插座与塑封电路相接触的区域进行使用前、过程中、使用后检验,及时有效地侦查到测试插座外观异常情况。基于此,塑封电路测试插座外观检验判据要求如下:

①检验弹簧针是否针尖或针尾脱落、针尖受力变形和出现缩针现象;②检验弹簧针针孔是否存在粘锡堵孔现象;③检验测试插座导向框是否存在不同程度的压伤或损伤;④检验测试插座腔体内是否存有多余物,避免对电路下表面造成硌伤;⑤检验测试插座压块表面是否存在多余物、形变或损伤,避免对电路上表面造成压伤;

随着塑封集成电路越来越多地应用于国防高可靠领域,通过生产过程质量控制,对测试插座及电路进行外观检验,可有效提高塑封集成电路高质量、高可靠、高稳定的要求。

5 结论

随着芯片的需求日益增长,集成电路在国内的发展增长迅速,塑封集成电路材料、测试技术及检验要求不断地提高,通过对集成电路选取的专用测试插座的材质选取、对比,避免插座材质对塑封集成电路造成损伤。再通过塑封集成电路外观检验依据,提高塑封集成电路高质量、高精度、高可靠。