機(jī)載惡劣環(huán)境下BGA芯片應(yīng)用研究

李喬楊

摘 要：當(dāng)前軍用飛機(jī)的性能提高對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)性能提出了更高的要求，為了提高性能、增加集成度，BGA芯片在機(jī)載領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。在機(jī)載惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間使用，BGA芯片脫焊問題不斷出現(xiàn)，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的可靠性。本文對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)中BGA芯片應(yīng)用進(jìn)行研究，以某型飛機(jī)任務(wù)計(jì)算機(jī)為例進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并最終給出應(yīng)用建議。

關(guān)鍵詞：BGA芯片、陶瓷封裝、散熱

1引言

當(dāng)前軍用飛機(jī)的功能日益增多，飛機(jī)性能不斷增強(qiáng)，機(jī)載計(jì)算機(jī)作為現(xiàn)代飛機(jī)的重要組成部分，要求其性能不斷提高，計(jì)算機(jī)的集成度逐漸增加。隨著微電子技術(shù)發(fā)展，單個(gè)芯片的IC數(shù)量呈爆炸性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，為了獲得高集成度，在芯片封裝領(lǐng)域BGA元件具有IO數(shù)量眾多，信號(hào)傳輸路徑短，信號(hào)衰減小的特點(diǎn)，在集成度增加的同時(shí)BGA元件擁有更小的體積，更好地散熱性能和電性能。為了增加計(jì)算機(jī)的集成度，BGA封裝芯片已成為機(jī)載計(jì)算機(jī)工程師共同的選擇。

機(jī)載計(jì)算機(jī)屬于惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)，其工作環(huán)境苛刻，可靠性要求高。BGA元件是一種溫度和濕度敏感器件，對(duì)焊點(diǎn)的可靠性要求嚴(yán)格，出現(xiàn)故障后，維修起來比較困難。BGA元件在惡劣環(huán)境使用易發(fā)生脫焊、鼓包等失效情況。本文已某型任務(wù)顯控計(jì)算機(jī)中處理器模塊為例，對(duì)機(jī)載惡劣環(huán)境中BGA芯片應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 事例概述

該處理器模塊包括兩個(gè)獨(dú)立的處理節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)。每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)采用一片PC7447A處理器芯片和一片Tsi109-200IL橋接器芯片（D3、D4）組成核心電路，兩個(gè)處理節(jié)點(diǎn)通過PCI總線進(jìn)行互聯(lián)，主單元作為PCI總線的主設(shè)備完成PCI總線的初始化和仲裁。VME總線的主控制器Tsi148芯片和MBI子卡通過連接在PCI總線上，該模塊作為整機(jī)中VME總線的主控制器，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)飛機(jī)任務(wù)管理和數(shù)據(jù)計(jì)算功能。模塊見圖1。

通過對(duì)故障模塊電裝工藝流程、器件烘烤、焊盤尺寸、印刷網(wǎng)板、焊接溫度清查，以及不同模塊工藝、動(dòng)力學(xué)仿真和熱仿真對(duì)比分析，故障模塊維修清查等幾個(gè)方面的清查和分析，最終確認(rèn)芯片脫焊的原因是：Tsi109-200IL為工業(yè)級(jí)塑封器件，長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下受到熱應(yīng)力影響，由于塑封器件自身散熱效果不好導(dǎo)致脫焊。

3情況分析

Tsi109-200IL為工業(yè)級(jí)塑封器件，最高工作溫度85℃，芯片尺寸為33mm*33mm，芯片底部為1023個(gè)低鉛焊球陣列。CPU模塊為VME規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)6U設(shè)計(jì)，整板最大功耗為35W。該模塊產(chǎn)品功耗大，塑封芯片散熱能力弱，芯片附近易產(chǎn)生熱堆積。對(duì)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)工作溫度測(cè)量，該橋接器芯片最高溫度達(dá)到82.9℃，該數(shù)值已接近工業(yè)級(jí)芯片可承受上限。長(zhǎng)時(shí)間使用易導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞脫焊。

飛機(jī)系統(tǒng)環(huán)境無法改變，解決問題需要模塊芯片具有良好的散熱能力和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。傳統(tǒng)陶瓷封裝芯片雖能解決以上兩點(diǎn)問題，但陶瓷封裝材料與PCB基材熱膨脹系數(shù)（TCE）相差較大，普通陶瓷TCE為6.8ppm/℃，F(xiàn)R4材料TCE為11-15ppm/℃。長(zhǎng)期使用容易發(fā)生熱應(yīng)力導(dǎo)致的芯片脫焊問題。

因此需要其熱膨脹系數(shù)與PCB相近，具有良好的散熱能力和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性的芯片。HITCE陶瓷封裝芯片可以滿足要求。

通常的陶瓷管殼包括氧化鋁和陶瓷材料，HITCE封裝中則額外包含了高熱膨脹率的HITCE LTCC材料，HITCE封裝的目的即是為了解決二次封裝熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的可靠性問題，同時(shí)又不失掉陶瓷封裝散熱好的優(yōu)良特性。

PC109MGH200LZH8為HITCE陶瓷封裝。通過對(duì)比分析，PC109MGH200LZH8和Tsi109-200IL（Y）在功能方面完全相同，質(zhì)量等級(jí)方面高于Tsi109-200IL（Y），從器件資料審核該芯片可原位替代。

因此采用PC109MGH200LZH8替換Tsi109-200IL（Y），進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)內(nèi)容：

試驗(yàn)驗(yàn)證的目的是驗(yàn)證替代芯片在溫度循環(huán)、低溫工作、高溫儲(chǔ)存、高溫工作、溫度沖擊、功能振動(dòng)、耐久振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)中功能是否滿足產(chǎn)品的要求。

試驗(yàn)選取2塊焊接陶封109芯片的模塊和2塊焊接塑封109芯片的模塊，4個(gè)模塊共使用8枚芯片在相同環(huán)境中，同步進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果：

兩塊焊接陶封109芯片的模塊以及一塊焊接塑封109芯片的模塊順利完成試驗(yàn)，無任何故障。另外一塊焊接塑封109芯片的模塊在完成溫度沖擊試驗(yàn)后出現(xiàn)故障，經(jīng)故障排查定位，確認(rèn)該模塊上D3位置橋接芯片TSI109-200IL脫焊。

5 結(jié)論：

通過驗(yàn)證試驗(yàn)可以看出在惡劣環(huán)境中，塑封BGA芯片雖然與PCB的熱適配性較好，但由于其較弱的散熱能力和對(duì)惡劣環(huán)境耐受力較弱，長(zhǎng)時(shí)間使用易出現(xiàn)焊點(diǎn)脫焊等故障。HITCE陶瓷封裝芯片具有散熱能力出眾，環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)，解決了普通陶瓷封裝芯片熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的可靠性問題，適合惡劣環(huán)境使用。最終的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果說明相對(duì)于普通陶封BGA芯片和塑封BGA芯片， HITCE陶瓷封裝芯片適合在惡劣環(huán)境中使用。