刘洋，杨振涛，刘林杰
（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051）
近年来，随着芯片尺寸变得越来越大，与之匹配的陶瓷外壳尺寸也越来越大，这其中以航天、航空为代表的大尺寸、高密度、高可靠倒装芯片用陶瓷焊盘阵列外壳的需求尤其旺盛[1]，目前该类外壳最大尺寸已超过60 mm×60 mm，引出焊盘数量最多超过3 000个，倒装焊盘数量最多超过20 000 个。陶瓷外壳尺寸的增大和焊盘数量的增加给外壳加工和封装工艺带来了挑战[2-3]，其中之一就是陶瓷外壳焊盘的位置度问题。在大尺寸高密度陶瓷焊盘阵列外壳的封装过程中，外壳焊盘的位置度偏差过大会造成芯片封装后通断不合格或植球/植柱的位置偏移，影响整个封装的可靠性[4]。位置度就是被测要素的实际位置与理想位置的偏移程度。在航空、航天产品中，常见位置度的被测要素多为有装配要求的孔组、键槽等。对这类要素的位置度测量一般都是针对测量对象进行全点选取然后测量，在此基础上进行位置度的计算。倒装芯片用陶瓷焊盘阵列外壳的焊盘具有数量多、节距窄和厚度微小的特点，因此常规方法对于此类外壳焊盘的位置度测量并不完全适用。本文在分析国内外孔组位置度的相关标准和陶瓷外壳焊盘位置度的标注方法的基础上，提出适用于陶瓷外壳引出端焊盘和倒装焊盘位置度的标注和测量方法，并进行焊盘位置度的实测和外壳封装验证。
2.1 国内外标准中位置度公差的标注方法
目前国内与位置度公差标注和测量方法相关的标准主要有GB/T 1958-2017《产品几何技术规范（GPS）几何公差检测与验证》[5]、GB/T 1182-2018《产品几何技术规范（GPS）几何公差 形状、方向、位置和跳动公差标注》[6]，这些标准中的示例测量对象均为孔组等。
位置度的公差标注主要由理论正确尺寸、公差框格和基准部分组成。其中，理论正确尺寸是指各要素理想位置的尺寸，该尺寸不附带公差。基准是指确定被测要素方位的依据，可以是点、线、平面等。国标的孔组位置度公差标注如图1（a）所示，GB/T 1958-2017中的位置度公差是将各孔的实际轴心线限制在直径为0.1 mm 的圆柱面内，被测孔的轴线可以在圆柱面内水平移动或者倾斜摆动，该圆柱的轴线应处于基准C、A、B 与被测孔确定的理论正确位置。美标ASME Y14.5-2018 对于孔组位置度的公差标注与国标相比增加了最大实体要求，如图1（b）所示，其他与国标相同。
图1 国内外标准中孔组位置度的公差标注样例
2.2 国内外对于陶瓷外壳焊盘位置度的标注方法
国外某公司FC-CLGA160 陶瓷外壳引出端焊盘的位置度标注如图2 所示，采用了复合位置度标注法。复合位置度标注一般由上下2 个方框组成，上框格给出整组要素相对于其他要素的定位公差。下框格给出这组要素内各要素间的位置度公差，复合位置度公差标准法的特点是：（1）公差框格的每一行都必须有位置度公差符号；
（2）每一行的参照基准不允许完全重复上一行的参照基准；
（3）下一行框格中的公差值要小于上一行框格中的公差值；
（4）每一行都必须单独测量验证。这种标注方法既约束了每个焊盘相对于外形基准的位置偏差，又约束了各个焊盘间的位置度偏差，其中表示独立原则（RFS），意味着公差带的大小与被测焊盘的实际尺寸无关。
图2 中上框格“0.25”表示所有焊盘的实际轴线应位于间距为0.25 mm 且相互垂直的2 对平行平面内，2对平行平面的方向和位置由相对于基准A、X、Y 的被测焊盘的理论正确尺寸确定。其中基准A 为焊盘所在的陶瓷面，位置度参考基准A 表示焊盘的位置度公差带垂直于基准平面A，基准X 和基准Y 的基准符号与陶瓷体的外形尺寸线对齐，因此基准X 和基准Y 分别表示陶瓷体左右平面的中心平面和上下平面的中心平面，且第二基准X 与第一基准A 垂直，第三基准与第一基准A 和第二基准X 垂直。位置度公差框格的上框格如图3（a）所示，图中的方框表示公差带，焊盘的轴线可以在公差带内任意水平移动或倾斜摆动。位置度公差框格的下框格如图3（b）所示，图中方框表示公差带，焊盘的轴线可以在公差带内任意水平移动或倾斜摆动。图3（b）中下框格“0.15”表示每一个焊盘的实际轴线应位于间距为0.15 mm 且相互垂直的2 对平行平面内，2 对平行平面应位于相互的理想位置上，并垂直于基准平面A。
图2 国外某公司FC-CLGA160 引出端焊盘的位置度标注
图3 位置度的公差框格
国外某公司FC-CLGA160 陶瓷外壳倒装焊盘位置度的标注如图4 所示，与其引出端焊盘位置度明显不同的是其未采用复合位置度标准法，基准为倒装焊盘所在的陶瓷面，倒装焊盘位置度“0.10”表示每一个倒装焊盘的实际轴线应位于直径为0.10 mm 的圆柱平面内，圆柱平面应位于相互的理想位置上，并垂直于基准平面A。
图4 国外某公司FC-CLGA160 倒装焊盘位置度的标注
国内某公司FC-CLGA1738 引出端焊盘和倒装焊盘位置度公差标注如图5 所示。引出端焊盘位置度“0.30”表示每一个引出端焊盘的圆心应限定在边长为0.30 mm 的矩形内，矩形的方向和位置由焊盘所在平面的陶瓷外壳的外形几何中心所确定的理论正确尺寸确定。倒装焊盘位置度“0.10”表示每一个倒装焊盘的圆心应限定在直径为0.10 mm 的圆内，圆的位置由距离阵列中心最远的焊盘圆心所形成的矩形几何中心所确定的理论正确尺寸确定，公差原则采用了与国外相同的独立原则（独立原则符号在标注时可省略）。
图5 国内某公司FC-CLGA1738 引出端焊盘和倒装焊盘位置度公差标注
陶瓷外壳上的焊盘位置度标注是为了使外壳在封装时能够更好地满足倒装芯片装配和植球/植柱的需求，因此需要结合国内的实际封装设备和使用情况对标注方法进行具体分析。
对于陶瓷外壳引出端焊盘位置度标注来说，国外的复合位置度标注相对于国内的区别在于，在标注的第一行的基准中增加了焊盘所在的陶瓷面，在第二行增加了焊盘之间的位置度公差。当标注第一行的基准中增加了焊盘所在的陶瓷面时，是将焊盘看作圆柱体，焊盘的位置由圆柱体轴心所在的位置确定，公差带为垂直于焊盘所在陶瓷面的立方体。但是对于陶瓷外壳的焊盘来说，焊盘的底层结构是钨金属化层，钨表面再镀镍金，钨/镍/金结构的焊盘与其所在的陶瓷面的高度差只有10～20 μm，与其常规直径500～800 μm 不在同一数量级。若再将焊盘看作三维圆柱体，一是圆柱体的高度太低，提取其轴线的难度较大，二是此时焊盘的圆柱体轴心与焊盘表面的圆心基本重合，因此将焊盘看作二维的圆平面更加合理。此时焊盘的位置由焊盘的圆心所在位置确定，因此焊盘位置度在标注时不需要增加焊盘所在陶瓷面的基准。
国外的复合位置度标注在第二行还约束了焊盘之间的位置度公差，对于引出端焊盘来说，封装时首先将外壳放置到工装夹具中，之后先印刷焊膏，再将焊球或焊柱通过回流焊工艺焊接到焊盘上[7]。所有工序均是以陶瓷外壳的外形为基准进行操作，因此仅约束引出端焊盘相对于外形为基准的位置度已经可以满足使用要求，再约束引出端焊盘之间的位置度意义不大。对于引出端焊盘位置度，国内的标注方法更符合目前的实际装配情况。
对于倒装焊盘的位置度标注来说，国内外的区别在于国外的标注基准为焊盘所在的陶瓷面，而国内标注的基准为距离焊盘阵列中心最远的4 个焊盘。目前国内芯片倒装焊时定位的方法是将芯片上距离凸点阵列中心最远的几个凸点拟合成1 个矩形，然后求取矩形的中心坐标和角度信息，再将矩形的中心和角度与倒装焊盘的阵列中心和角度对齐进行装配[8]，为了尽可能保证装配的精度，倒装焊盘拟合中心的方法应与芯片凸点拟合中心的方法保持一致，焊接时最理想的位置是两者中心重合。因此，在标注中约束倒装焊盘相对于四角焊盘为基准的位置度更加符合目前的实际装配情况，也就是说，目前国内对于倒装焊盘位置度标注的方法能够更好地满足国内倒装芯片的装配要求。
现有的焊盘位置度测量的典型方法是对所有测量对象的理论和实际的位置偏差进行测量，取其中的最大值作为焊盘的位置度偏差，但是这种方法只适用于引出端数较少的陶瓷焊盘阵列外壳，随着I/O 数量与倒装芯片凸点数量的提高，如果还是采取对所有焊盘进行测量的方法，则存在测量效率低和测量准确度不高的问题，本文将对这些测量问题进行分析研究。
3.1 焊盘位置度测量方法
使用三坐标测量仪，基于国内对于引出端焊盘的标注来测量陶瓷外壳引出端焊盘的位置度偏差的步骤如下。
预备工作：将三坐标测量仪进行校准调平，之后将外壳水平放置在工作台上，将引出端焊盘朝上，方向与图纸视图方向保持一致。
（1）建立坐标系：引出端焊盘位置度的测量方法如图6 所示，分别提取焊盘所在的陶瓷面外形上下左右4 个边界线上的点，拟合出4 条边界线，之后用这4 条边界线拟合出左右边界的中分线和上下边界的中分线，即为基准线A 和基准线B，最后将拟合基准线A和基准线B 的交点作为焊盘坐标测量的基准点，并将基准点设置为坐标系的（0,0）点，将基准线B 作为坐标系的x 轴，基准线A 作为坐标系的y 轴。
图6 引出端焊盘位置度的测量方法
（2）提取：测量并提取所有焊盘的圆心坐标（xi，yi）（本步可用编程功能实现）。
（3）评估：根据图纸计算出当坐标系原点（0,0）位于陶瓷体几何中心时所有焊盘的理论坐标（xi0，yi0），每一个焊盘位置度误差值f 为：
（4）符合性比较：将得到的每一个焊盘的位置度偏差值与图纸中给出的公差值进行比较，判定焊盘的位置度是否合格。
使用三坐标测量仪，基于国内对于引出端焊盘的标注来测量陶瓷外壳引出端焊盘的位置度偏差时，其测量方法与引出端焊盘位置度的测量方法类似。与引出端焊盘一般为标准节距不同，倒装焊盘有时为不规则排列，阵列4 角没有焊盘，因此需找到1 个基准矩形，该矩形的4 个顶点位于距离整个阵列中心位置最远的4 个倒装焊盘的圆心，且该矩形的面积应为最大。倒装焊盘位置度的测量方法如图7 所示，在该阵列中可以找到基准矩形C 和基准矩形D，由于矩形D 的面积大于C，因此将矩形D 作为基准矩形。将基准矩形左右边界的中分线作为基准线X，上下边界的中分线作为基准线Y，将几何中心作为基准坐标系原点（0,0），倒装焊盘位置度偏差的计算公式如式（2）所示：
图7 倒装焊盘位置度的测量方法
其他步骤与引出端焊盘位置度测量相同。
3.2 位置度测量效率
以国内某公司生产的FC-CLGA1738 外壳为例，其引出端焊盘数量为1 738 个，倒装焊盘数量为4 586个。选取同一只样品，引出端焊盘的抽样数分别定为10 个、50 个、250 个、1 250 个、1 738 个，倒装焊盘的抽样数分别定为20 个、100 个、500 个、2 500 个、4 586个，采用上述方法进行焊盘位置度测量，不同抽样数下的焊盘位置度测量时间如表1 所示。
表1 不同抽样数下的焊盘位置度测量时间
从表1 可知，随着抽样数量的增加，测量时间急剧增加，且倒装焊盘位置度测量时单个焊盘的测量时间明显大于引出端焊盘位置度测量时单个焊盘的测量时间，这是测量设备导致的。当测量引出端焊盘位置度时，由于焊盘尺寸较大，一般选用光学镜头，光学镜头移动一次可同时捕捉镜头视野范围内的多个焊盘的中心位置，而测量倒装焊盘时，由于焊盘尺寸太小，光学镜头无法测量，只能选用激光镜头，激光镜头测量时一次只能捕捉一个焊盘的中心位置，因此测量效率更低。
3.3 焊盘位置度测量准确性
焊盘位置度误差为所有焊盘相对于理论位置偏差值中的最大值，因此理论上必须对所有焊盘的位置度偏差进行测量。但对于高密度倒装芯片用陶瓷焊盘阵列外壳来说，进行全焊盘测试的效率很低，且进行长时间的测量时环境温度及设备稳定性等都会有所波动，也会造成测量结果不准确。而理论上只要找出相对于理论位置偏差最大的焊盘，测量其位置度偏差，即可代表整个阵列的位置度误差，因此需对测量结果进行分析，找到效率和准确性兼顾的测量方法。
选取同一批次生产的FC-CLGA1738 陶瓷外壳样品10 只，对所有样品的全部引出端焊盘和倒装焊盘进行位置度测试，不同特征位置的引出端焊盘和倒装焊盘的位置度偏差如图8 所示，焊盘的位置度偏差均随着距离基准中心的增加而变大，中心部位的焊盘位置度偏差最小，四角部分的位置度偏差最大。这主要是由于陶瓷在烧结过程中不同的部位收缩率不一致，距离几何中心越远，收缩率越难控制。
图8 不同特征位置的引出端焊盘和倒装焊盘的位置度偏差
一般陶瓷件加工完成后四角部位形变最为严重，其位置度偏差最大。
由于四角部位的焊盘位置度偏差最大，中心部位的焊盘位置度偏差最小，为了同时得到最大与最小的焊盘位置度偏差数据，可选取四角部位与中心部位这5 个部位作为特征部位进行高密度焊盘阵列外壳的位置度测量。
为验证此抽样方法测量位置度的准确性，选取10只FC-CLGA1738 外壳，分别选取四角与中心部位各5个焊盘，与选取整个阵列的全部焊盘进行位置度误差测量并做比较，不同抽样方法焊盘位置度测量结果如表2 所示。从表中可知，2 种抽样方法测试得到的焊盘测量数据只相差2 μm。测量设备的合理误差为±2 μm，说明陶瓷外壳的焊盘阵列位置度偏差最大的焊盘就在所选特征位置的25 个焊盘之中，采用特征部位的25 个焊盘的抽样方法高效且合理。
表2 不同抽样方法焊盘位置度测量结果
为验证上述标注和测量方法的准确性，选取国内某公司生产的10 只同批次倒装芯片用陶瓷焊盘阵列外壳，其引出端焊盘数为1 513 个，倒装焊盘数为8 256 个。首先对外壳进行共面性测量，10 只外壳的引出端焊盘和倒装焊盘的共面性均合格。之后采用四角与中心部位各5 个焊盘分别进行引出端焊盘位置度和倒装焊盘位置度的测量，其中7 只外壳焊盘的位置度合格，3 只外壳焊盘的位置度不合格。对这10 只外壳采用相同的工艺进行倒装芯片的装配和植球，并对封装后的样品进行通断测试，结果7 只位置度合格的样品均通断合格，3 只位置度不合格的样品均出现了信号开路或短路的现象。
由上述验证试验可知，采用四角与中心部位各5个焊盘进行位置度测量的方法，能够准确得到高密度焊盘阵列外壳焊盘的位置度，从而保证倒装芯片的装配和植球/植柱封装的可靠性。
本文针对国内外对于高密度陶瓷焊盘阵列外壳位置度的标注方法进行了对比分析，经验证，国内标注法更加符合目前国内实际的装配情况；
分析了高密度外壳焊盘位置度在位置度测量中遇到的测量效率和测量准确性问题，通过分析提出了采用四角与中心部位各5 个焊盘进行位置度测量的方法。对采用该方法的陶瓷外壳进行封装验证，结果表明，该测量方法能够准确得到高密度陶瓷焊盘的位置度，保证了倒装芯片的装配和植球/植柱封装的可靠性。
