用于GHz芯片级封装的高密度插座

选择一种插座进行测试、老化、开发或者生产并不像想象的那么简单，它不仅取决于系统的功能，还要取决于系统的运行参数，如性能、功耗、热管理方式以及系统运行环境等。本文向大家介绍一种可满足高速、高密度元器件电气性能和体积要求的低成本GHz芯片级封装(CSP)插座。

在电子互连设计中，系统运行速度是一个非常重要的考虑因素。随着高时钟速度(GHz以上)、细引脚密度(间距小于0.8mm)以及高引脚数(大于500)在如今集成电路中越来越普遍，更是要求这类器件的封装必须具备良好的互连性及电气和热特性。
插座的优点
IC使用插座主要是出于节约成本和技术的考虑。成本上的好处是IC不必永久性固定在印刷电路板(PWB)上，而是将插座永久(焊接)或半永久(采用非焊接方式)固定在PWB上，IC从插座中插入或拔出都不响线路板的连接。

技术上的原因是PWB和它上面安装的IC封装之间可能存在热性能不匹配。一般的球栅阵列器件(BGA)采用陶瓷材料进行封装，然后组装在标准的线路板材料(FR4)上，由于热膨胀系数(CTE)不同，封装和线路板之间的焊点内部将产生很大应力，随着时间推移，会逐渐导致失效。此外，插座还能降低贵重IC的存货，帮助对整个系统进行测试、评估和检查，同时插座也有利于在使用现场对系统进行维护、测试、更换或升级。
一般插座都采用冲压引脚，具有多种触点形式，如“Y”型、“夹”型、“叉”型等，但这些方式只可用在低密度封装中，不能照搬用于非常精密的微间距高密度芯片级封装。

只可用在低密度封装中，不能照搬用于非常精密的微间距高密度芯片级封装。
弹簧探针触点曾经成功地用于细间距封装插座，但是它成本太高目前无人问津，并且这种触点会在焊球上形成一个永久性印记，当器件最后通过回流焊焊接到板子上时将造成污染和不良焊点。此外，各种冲压引脚触点结构还使得信号路径更长，在高速情况下降低运行的效率。

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导电人造橡胶技术
一种低成本CSP插座方案是利用导电人造橡胶来实现高密度和高速度。Ironwood Electronics一直在从事这种导电人造橡胶技术的研究，取得了一种可制作高速、高密度CSP插座的GHz级CSP插座材料，其应用范围可以从非常小巧的生产型插座一直到耐用的测试和老化等场合。
图1是插座设计的示意图，它可以使压力均匀地施加在IC顶部，将焊球推入一个非常高速的Z轴人造橡胶连接介质内，图2是CSP在橡胶上加压前后的情况。散热螺孔和插座本身起到了为插座内IC散热的作用，精密的IC和焊球导轨可以使元件定位以实现准确的连接。
用在插座中的Z轴人造导电橡胶属于低阻抗(小于0.01Ω)连接材料，它是一种细间距镀金导线阵列，以63°角嵌入绝缘的软硅橡胶层中。在500V直流电压下导线之间的阻抗为1,000MΩ，这对需要薄型高密度各向异性连线的大电流应用(50mA/线)极为理想。镀金的铜丝从硅片顶部和底部会伸出几微米，导电橡胶的工作温度范围为-35℃～150℃。图3为导电橡胶的电子显微镜扫描(SEM)图。

功能测试
我们用三种不同厚度的导电橡胶样品(0.5mm、1mm、2mm)进行了一些功能测试。
◆电气特性 第一个测试检查导电橡胶连续阻抗与压缩量的关系。结果见图4a，图中可见连续阻抗都低于25mΩ且压缩越大其值越低。
第二个测试用于确定导电橡胶的电流承载能力，结果见图4b。从图中可见电流在10A和5A
时温度在第一分钟呈指数上升，然后保持不变。
下一步进行老化测试，将插座与一个20Ω的电阻串联，再与一个5V直流电源并联，然后一天二十四小时不间断地施以250mA电流，记录下连续阻抗的变化。结果发现，在整个二十四小时老化期内连续阻抗始终保持不变。
◆机械特性 第四个测试主要侧重于插座的应力分析。导电橡胶必须受到均匀的压力才能得到可靠的连接。我们对厚度为0.5mm、1.0mm和2.0mm的导电橡胶样品进行了测试，试验发现压力与压缩量成正比，同时还能很清楚地得出厚度为2.0mm的样品所需要的压力最小，这种特性会影响焊球在1,000个以上的封装。如果封装的共面性差异太大，则需要更厚的导电橡胶。
下面测试导电橡胶的耐久性。以压缩一秒再放松一秒的速度施以275g/mm2的压力，结果经过100,000次压缩后连续阻抗仍然保持不变。机械测试结果表明人造橡胶是要求具有100,000次压缩寿命的最佳介质，如果还需要进行更多次压缩，对其更换也是很容易的。

插座结构
采用高速导电橡胶的插座有表面贴装和非焊装两种结构。
◆表面贴装型 表面贴装插座无需工艺孔就能装到印刷线路板上，插座直接焊在电路板的焊盘上，仅比CSP封装周边多出2.54mm的空隙。可使用标准的表面封装件组装方法，利用低温共晶焊球将插座焊接到线路板上，然后将IC放入插座的底座，用带螺钉的封盖压紧。
◆非焊装结构 如同表面贴装结构一样，非焊装插座也只占极小的板面空间，它需要在线路板上增加工艺孔并用机械方式将插座和底板固定到板上，这样就无需再用助焊剂处理和回流焊，是一种半永久性固定工艺。Z轴导电介质是IC焊球和电路板焊盘之间的唯一介质，这种非焊装直接连接插座允许的运行速度最高可到6GHz。使用夹钳可以快速地取下和更换CSP，与直接用CSP具有一样的尺寸、设计效率和电气性能。这种坚固的直接连接设计可提供极高的运行速度且适用于自动操作设备。

对于高密度CSP用户来说，主要考虑的是要控制成本、优化现有的产能以及尽量缩短产品面市时间，使用人造导电橡胶技术的GHz CSP插座能够解决很多高速、高密度应用问题。
从测试结果中可得出互连介质的电气和机械特性，另外插座的设计比较简单，符合成本效益且可利用现有技术装配线路板，应用插座还使得更换和重新利用元器件变得更为简便。

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