CSOP封装芯片高可靠性电装焊接工艺技术研究

航天科工集团三院33所惯性公司

张亚妹、林蓉、宋翔宇

摘要：介绍了陶瓷封装SOP芯片(CSOP) 的封装特点，制定离可靠性电装的工艺技术要求。

关键词：CSOP封装芯片;高可靠性电装;工艺技术要求

引言：

 近年来，由于进口元器件的供应及保障困难等，国产化集成电路的应用和发展日趋紧迫，大力推进芯片国产化已是必然趋势。CSOP封装是塑封SOP封装的国产化替代，用陶瓷壳体代替塑料封装，其封装形式具有耐高温、性能稳定等特点，已逐渐应用于航空航天领域。

本文基于实际应用情况，详述了陶瓷封装CSOP器件(Ceramic Small 0utline Package, 陶瓷小外形封装，为进口塑封SsoP封装芯片的国产化替代封装)的结构特征，分析并提出了改善其装配质量的工艺方法和要求，在实践中取得了良好效果，为行业内研究和从事CSOP器件焊接的工程技术人员借鉴或参考。

1、器件结构

塑封SOP器件(Small Out Line Package小外形封装)，主要采用塑封工艺，将芯片安装在塑封基板上，最终采用模塑料对于芯片实施灌封，主引线从壳体中部引出，器件外观如图1所示(规格HCPL 0631厂家Avago)。塑封结构的封装气密性、内部热特性、贮存等方面有较为严格的要求。

陶瓷CSOP器件(Ceramic Small Outline Package 陶瓷小外形封装)。采用陶瓷封装小外形外壳进行陶瓷封装，在陶瓷体的上端面或下端面布设主焊盘，主引线从主焊盘连接引出，引线为表面镀金，器件外观如图2所示(为图1器件的国产化替代封装器件)。陶瓷外壳封装气密性高，温度循环可靠性高。

陶瓷 CSOP 器件引线多为从陶瓷体的底部两侧引出，引出线类型分为两种:一种为底部直接引出，无引线弯曲，如图3所示:一种为翼型引线，类似于塑封SOP，如图4所示，翼型引线有利于吸收外壳与PCB之间的机械应力和因温度变化所产生的热应力，提高电路安装的可靠性。其中翼型引线出线类型封装又分为壳体底座置有热沉和不置热沉两种，热沉在陶瓷芯腔背面，热沉和芯片直接接触，起到固定芯片和导热的作用，如图5所示。通过对比，塑封 SOP和陶瓷CSOP器件封装外形结构差异情况见表1。

2、组装关键技术

CSOP 封装器件耐湿性、绝缘性和气密性好，相对于塑封体SOP 器件，在制程上不需要烘烤去湿。综合CSOP 封装器件的封装材料，引线材质，出线类型，出线方式以及实际应用等，其特占和组装关键技术如下.(1)CSOP 器件引线为表面金，在制程上 CSOP 表贴器件的金引线在接前须进行除金外理，目右必要进行两次搪锡。

而在实际应用中多种CSOP 器件塘锡后搪锡高度难以控制，如图6所示，为某0.635mm pitch的CSOP器件使用静态锡锅搪锡后的效果，多根引线焊料爬升高度不一致，部分引线捷锡位置不够，部分引线搪锡位置过高。对于此类密间距如 0.65mm pitch 及以下间距的器件捷锡高度往往很难控制，且搪锡一致性差,甚至搪锡后焊料延伸至陶瓷体底部的引线之间，使相邻引线发生桥连，如图7所示。因此解决 CSOP 器件搪锡位置不一致、引线间桥连问题尤为关键。

图6、0635mmpitch器件锡效果图     图705mmpitch器件焊锡桥连图

(2)在应用时，多种陶瓷 CSOP 器件来料时引线未经过处理，长度与焊盘不死配。不能直接装配使用如图8所示，为了满足器件贴装焊接要求，需要对引线进行切割，引线剪切时容易发生引线切制过短、一致性差、共面性不合等问题，因此解决引线剪切规范性问题非常重要。

图8、陶瓷CSOP引线剪切前后示意图

图9、0.65mm pitch器件锡连图(器件外侧，外部可视)

图10、05mmpitch器件锡连图(器件底部，外部不可视)

(4)通过常规的视觉检验，对于 CSOP 陶瓷体底部的引线间桥连，并不具备检出能力，因而往往在测试阶段才得以暴露器件的焊接短路问题，所以，关于 CSOP 器件焊接后的可检性是不容忽视的问题。

3、组装关键技术分析

(1)镀金引线搪锡一致性差、易连锡问题分析

按照QJ3267-2006《电子元器件塘锡工艺技术要求》扁平封装集成电路引线塘锡部位为如图11所示的焊接部分的线段。

器件的捷锡位置直接关系到器件的捷锡质量，若器件塘锡不足，会形成AuSn4 金脆焊点，若捷锡位置过高，由于 CSOP 器件封装出线方式的特殊性，则容易引起器件底部引线间连锡，或者爬升至陶瓷体，所以搪锡位置过高或过低都会对焊点的质量造成很大的负面影响。由于 CSOP 器件引线为陶瓷体底部出线，整条主引线从封装体底部表而的主焊舟一直延伸至与印制板结合处，不同于传统的SOP 结构，CSOP 器件要搪锡的线段由于倾斜部高度值小，使得 CSOP 想要搪锡的线段在浸到锡液里后，蔓延的位置及其容易超过第一个折弯处，并越过倾斜部到达第二个折弯处，甚至到达封装体底部的主焊盘位置的线段。以0.635m间距的CSOP 封装为例，如图12 所示，倾斜部站高值高，而其原 SOP 封装，如图13 所示，倾斜部站高值低:对于CSOP 封装底部直出型引线，甚至没有所描述的倾斜部，0J3267 所述的图11的捷锡部位则不再适用于概括此种出线类型，因而因封装引线数量多、引出线倾斜部站高值差异，导致了捷锡焊料可爬升窗口的限制，决定了CSOP 器件搪锡一致性差、难度大。

图12、CSOP封装尺寸

图13、SOP封装尺寸

(2)CSOP器件引线剪切问题分析

CSOP 封装要进行剪线则需要考虑设置合适的引线保留长度，量化工艺参数，并且要解决引线剪切时存在的引线过短、尺寸不一致和共面性等问题

(3)焊接后引线桥连问题分析

CSOP 器件焊接锡连的根本原因为锡量过多，为了解决锡连问题，通过改变悍锡膏印刷的体积来减少传锡量，而焊膏的体积和印刷钢网开孔的面积和厚度有关。对于 SOP 封装业内传统的印刷钢网开孔方案为开孔长度与焊盘长度为 1:1，即钢网的开孔与印制板焊盘设计长度相同。塑封 SOP 的本体中部出线，引线为鸥翼型，有引线根部，焊锡在再流熔融时，顺着引线爬升至脚跟位置，形成根部填充，如图14所示，而CSOP 陶瓷封装结构不同于塑封 SOP，引线从器件底部引出，贴装后可见脚位置近乎无弯折，焊锡只能顺着引线和焊盘爬至本体外侧或者器件底部，如图14 所示，无可延伸的焊锡蔓延，只能聚集在引线间，则形成了锡连短路。

图14、焊点形态实物图

(4)焊接后检验可视性问题分析

通过对 CSOP 封装芯片的制程研究，对于密间距的芯片，焊接后连锡风险较高，为了提高交付质量，在前期CSOP 芯片应用过程中，有效的检测手段很重要。通过对连锡的位置分析，结合封装特点，则需要借助X光射线检测，以保证器件底部的连锡不良可以被检出。

此外由于 CSOP出线方式的特殊性，最终形成的焊点形态与传统的 SOP 封装有所不同，在 IPC-A-610CN中对于扁平鸭翼型引线的根部填充高度要求(3 级)为:最小根部填充高度为焊料厚度加连接侧的厚度:最大根部填充高度为焊料根部填充超过引线厚度，但未爬升至引线上方弯曲处。如图15所示。

图15焊料填充示意图

而对于CSOP封装，一种情况为底部直出型引线则无法形成IPC其所描述的“根部填充”，另一种情况由于从CSOP引线的主焊盘出线位置顶部到元器件底部焊接位置的间距很小,杏阅手册基本在0.15mm以下如图12，这种端子结构引起的焊料填充不可避免的触及陶瓷元器件的本体处的主焊盘位置，因而无法达到原本的“最大根部填充高度为焊料根部填充超过引线厚度，但未爬升至引线上方弯曲处”的要求。因而在检验制程上，需要更细化包含底部直出型CSOP 封装引线的焊点形态的可接受标准。

4、CSOP可靠性电装要求

基于以上CSOP 器件现存电装关键技术及分析，必须充分了解 CSOP 封装器件的结构特点，电装焊接工艺要点，规范工艺流程，量化工艺参数，并给予严格的过程检测，以确保器件可靠性焊接。

4.1、规范焊盘设计

通过对陶瓷CSOP 芯片应用研究，由于底部鸡翼型倾斜部引线站高值小，不利干煤锡量控制，所以在焊盘设计上应予以调整。焊盘的长度、器件引线的相对位置应该与器件的封装尺寸相匹配。如图16 所示以某密间距 CSOP 器件为例，焊盘内侧应不进入本体底部，焊盘内侧端位置的设计有助于焊锡截留，有利于控制焊锡量过多深入器件底部形成短路。

图16同位替代图

4.2、规范器件出厂加工

在装联过程中元器件本体需要承受一定的温度和机械应力，器件与印制板形成良好的装联结构能力也是焊接质量可靠性的重要指标之一。通过有限元软件对 CSOP 陶瓷底部出线封装结构进行分析模拟，如图17 所示，机械应力集中在本体出线与印制板接触之间的线段，当底部出线为直出型，没有鸥翼型结构时，应力则直接作用在与底部出线纤焊的焊点上。

图17、机械应力模拟图

在器件制造商关于陶瓷小外形外壳及功率器件封装说明中，也给出了翼型引线更有利于吸收外壳与PCB 板之间的应力，可靠性更强的说明。并且主引线成型高度大，易吸收 PCB 与外壳之间的热应力，适用于陶瓷宽度方向尺寸较大的瓷件。底部出线结构，主引线成形高度低，或者底部直出型的无成形高度的吸收应力能力弱，适用于瓷件宽度方向尺寸较小的结构。所以设计在选用元器件，进行初步设计的时候应实施应力-强度分析，对于应力环境或热应力较严峻的情况下，谨慎或避免选用壳体较大较重的底部直龇碍型引线芯片。

此外，引线的成形对于申装可实施性差，如图18 所示，引线的引出端顶部拐角位于封装体底部，而此拐角多为器件厂在引线与主焊盘连接之前完成，而对于器件出厂后，在电装前想要制造这样的拐角几乎是难以实现的，所以设计选用器件时应和器件供应厂商达成协议，将引线在出厂前应完成成形及剪切，有利于降低器件的预处理难度，提高装配可靠性。

引出部项部拐角斜部底部拐角焊接

图18引线弯曲形态

4.3、规范剪引线剪切工艺要求

QJ3267《电子元器件搪锡工艺技术要求》6.7.1.4规定，扁平封装成电路引线应先成型再搪锡。而对于剪腿的扁平封装电路不需要引线成型的，但部分需要剪切引线的，应该先剪腿再搪锡。此处在制程上应规定搪锡和剪腿的先后顺序，且工艺规范要求为:CSOP 封装电路引线应先剪腿再搪锡，引线剪切的工艺要求:

(1)按照0J3171《航天电子电气产品元器件成形技术要求》4.1.1.2要求，扁平引线搭接在焊盘上的长度，最小应为3倍引线的宽度，最大为5倍引线的宽度，引线剪切后的端面离焊盘边缘至少为 0.25mm。在扁平引线宽度小于0.5mm时，扁平引线的搭接长度不应小于1.25mm。如图19所示。

(2)剪切处应无裂痕等缺陷，各引腿长度保持一致，按照 QJ165B-2014《航天电子电气产品安装通用技术要求》5.16表面安装器件引线共面性应不大于0.1mm。

图19引线成形要求

(3)013171标准中为封装形式为引线从本体两侧引出，焊接面长度为鸭翼形引脚与焊盘重合的平直部分，如图9左所示，对于陶瓷CSOP 封装引线从底部伸出，焊接面长度应进行重新定义。由于引线为底部出线，位于器件底部引线所在部分为引线和基材的结合端，我们不希望形成的焊锡过多的延伸到器件底部，所以希望形成的焊点长度为本体外侧的平直部分与焊盘的重合部分，如图20所示。

图20CSOP焊接部示意图在得出引线保留长度值后，为了实现引腿的剪切，笔者提出了一种如图22所示的引线剪切限位工具，通过对工装的使用实现了 CSOP 器件剪腿的标准化避免了器件剪腿长度不一致、引腿变形等。

图22剪腿限位工装图示

4.4、规范捷锡要求

对于CSOP 陶瓷器件出线位置为器件底部，整条引线与焊盘重合，位于器件底部的引线部分，难以通过电烙铁或者锡锅进行搪锡处理，且不是我们所希望的焊点形成部分，我们所希望的焊点形成部分为从器件外侧引线部分算起，为此需要重新定义底部出线芯片的搪锡部位。如图23所示。

图23、CSOP捷锡部位图

如图23所示搪锡部位是我们所希望的搪锡部位。但由于底部出线封装希望搪锡的最前段距离器件基材没有类似鸥翼型的隔离段，或者鸥翼隔离段距离本体很近，如图 16 所示，这使目前的锡变的困难。通常的双锡锅的静止浸锡法搪锡过程都是人为控制，搪锡的时间和搪锡的高度不好把握，有时候需要对未塘彻底的器件进行修复，搪锡效率比较低。而流动浸锡法是采用流动的液面对引线进行一次搪锡，热冲击相对较小，无机械性损伤，去金比较彻底，一致性也相对较好。

在搪锡完成后，器件上残留助焊剂较多，应进行清洗，去除助焊剂，避免贴装后回流焊接焊锡过多蔓延至本体或器件底部。

器件塘锡清洗完成后需要对引脚进行检查，对千引脚间距小千0.65m的器件，应使用放大进行检查，引线间不应有桥连元器件外观应无损伤、无裂痕，表面镀层应完好。搪锡部位的表面应光滑明亮，无拉尖毛刺现象，锡层厚薄应均匀，无残渣和焊剂粘附。

4.5、规范焊膏印刷及器件贴装

为了不破坏钢网整体的厚度适应性，不对厚度进行改变，对开孔的面积进行缩减实施。焊锡桥连位置为靠近器件本体材料的外侧和位于器件底部的引线之间，原因为此位置区域超出了正常焊锡形成的量，所以去除靠近本体侧的一部分焊锡，以达到减少焊膏印刷量的目的。以某密间距 CSOP器件为例，如图24示，将焊盘内侧开孔遮蔽一部分，经验证，大大降低了锡连率。

图24钢网印刷模板开孔示意图

4.6、规范检验标准

(1)对于密间距的CSOP 陶瓷封装器件，应增加使用X-Ray 设备对进行检验，逐一检验引线间不应有短路。尤其应关注器件底部引线间的连锡。CSOP 器件检验及不良见表2示例。

表2密间距CSOPX光检验效果

此外，CSOP陶瓷封装器件引线的焊料填充应当满足如下要求:对于底部直出型 CSOP 陶瓷引线，最小侧面连接:焊料在垂直方向上等于本体外侧边缘;最大侧面连接长度:焊料到达器件底部的主焊盘上，但不应引起相邻主焊盘或引线的锡连。如图25 所示。注:焊料爬升位置往往与焊盘的设计参数尺寸有关。

图25焊点质量要求图例

对于底部鸥翼型 CSOP 陶瓷引线，最小根部填充高度:等于焊料厚度加连接侧的引线厚度;最大根部填充高度:焊料爬升至陶瓷体底部的主焊盘，但未接触陶瓷体。如图 26 所示。注:焊料爬升至陶瓷体底部时尤其应该关注 X光射线检测引线间短路。

图26焊点质量要求图例

5、结论

由于CSOP 封装芯片特殊的封装结构，其高可靠性电装焊接面临严峻的挑战，本文结合实际应用，从CSOP 器件结构的特殊性出发，详细论述了CSOP 器件焊接的相关问题及过程控制，首次从电装工艺角度提出了CSOP 封装类型的分类，提出了改善CSOP 电装可靠性的工艺方法和要求，可供研究和从事CSOP器件焊接的工程技术人员借鉴或参考。

主要参考文献

GJB1420B-2011《半导体集成电路外壳总规范》

QJ3267-2006《电子元器件塘锡工艺技术要求》

《S0、QFP封装表面器件镀金引线搪锡工艺方法研究》 33 所任建华

《0.4mm节距的主引线陶瓷小外形外壳及及功器件》中国电子科技集团公司第十三所

IPC-A-610CN中子组件的可接受性