本發明屬于電氣互聯結構，特別涉及一種陶瓷球柱柵陣列封裝結構及其工藝實現方法。

背景技術：

1、航空、航天領域創新性研制持續推進，其裝備的電子產品服役環境將愈加惡劣，需承受力-熱-高濕-電等多物理場載荷，發生失效的概率逐漸增加，對復雜環境下服役的電子產品提出了高可靠、長壽命等迫切需求。研究表明，電子產品失效的70％是由封裝過程引起的，因此，如何實現高可靠封裝是電子產品在復雜環境下長壽命服役的關鍵和基礎。

2、陣列封裝技術正逐漸取代傳統的引線鍵合和表面貼裝技術，成為電子行業中的主流封裝技術，并在航空、航天等前沿領域逐漸得到廣泛應用。陶瓷球柵陣列(cbga)封裝是通過焊球連接陶瓷基板和印制電路板的對應焊盤，具有較高的互聯密度和優異的電學性能(信號傳輸延遲小、寄生參數小和抗干擾能力強等)，是目前電子產品中最常用的陣列封裝形式。然而，由于陶瓷基板和印制電路板的熱膨脹系數存在較大差異，容易在焊點內部產生較大的熱應力，并在工作/停止的循環過程中不斷累計疲勞損傷，引起焊點內部裂紋萌生和擴展，進而導致電子產品失效。

3、陶瓷柱柵陣列(ccga)封裝是cbga封裝的衍生技術，其是用焊柱代替焊球，其可以利用細長焊柱的蠕變來釋放熱應力，有效解決了陶瓷基板和印制電路板熱膨脹系數不匹配引起的熱疲勞問題，顯著提升了電子產品熱疲勞壽命和可靠性。同時，ccga封裝增加了陶瓷基板和印制電路板的距離，使得其具有更好的散熱性能。在這一方面，已申請多項公開的專利：一種高精度ccga器件板級組裝方法(cn202311691033.0)、一種ccga封裝器件快速植柱方法(cn202111242846.2)和一種ccga-微波器件混裝印制板組件回流焊接方法及工裝(cn202111341564.8)等。然而，傳統焊柱型ccga對于機械振動等物理沖擊抗性較差，焊柱容易產生變形而引起電子產品失效報廢。王小強在其博士學位論文《高密度陶瓷柱柵陣列封裝失效分析及優化策略研究》中詳細分析了ccga焊柱在振動及熱振耦合環境下的應力失效情況及相應的機理。

4、由上可知，目前cbga和ccga封裝技術均可能在熱、振動等復雜載荷環境下發生失效。

技術實現思路

1、為了解決現有技術存在的上述問題，本發明的目的在于提供一種陶瓷球柱柵陣列封裝結構及其工藝實現方法，滿足大規模、高密度陣列封裝要求，且具有優異的抗熱疲勞能力、抗機械振動能力、散熱性能以及良好的焊點力學性能。

2、本發明所采用的技術方案為：

3、一種陶瓷球柱柵陣列封裝結構，包括陶瓷基板、印制電路板和由若干球柱引腳結構組成的球柱引腳陣列，球柱引腳結構包括縮頸段和設置于縮頸段的兩端的球狀接觸段，陶瓷基板和印制電路板上均設置有若干焊盤，球柱引腳結構的其中一個球狀接觸段與陶瓷基板的焊盤連接，球柱引腳結構的另一個球狀接觸段與印制電路板的焊盤連接。

4、采用精密金屬3d打印技術(如激光熔融沉積等)對球柱引腳結構進行一體化成型，打印完成之后進行電鍍鎳和電鍍錫處理，以使引腳具有可焊性。接下來，利用鋼網在陶瓷基板的焊盤上印刷sn63pb37焊膏，隨后將球柱引腳結構通過工裝上的通孔放置在焊盤表面，并將陶瓷基板、工裝、球柱引腳陣列一起放入回流爐中，冷卻固化后即可得到帶有球柱引腳陣列的陶瓷基板。最后，利用鋼網在印制電路板焊盤上印刷sn63pb37焊膏，隨后將陶瓷基板上的球柱引腳陣列與印制電路板表面焊盤對準，并一起放入回流爐中，冷卻固化后取下工裝即可得到本發明所提出的新型陶瓷球柱柵陣列封裝結構。

5、作為本發明的優選方案，所述焊盤的尺寸比球狀接觸段的球徑大10％～15％，以滿足球柱引腳陣列封裝需要。

6、作為本發明的優選方案，所述球柱引腳結構一體化成型，球柱引腳結構表面電鍍有鎳和錫。

7、作為本發明的優選方案，所述焊盤上涂覆有sn63pb37焊膏。

8、作為本發明的優選方案，所述焊盤上涂覆的sn63pb37焊膏的厚度0.12mm。

9、作為本發明的優選方案，還包括蓋板和底板，蓋板上設置有陣列的通孔，底板上設置有定位腔，連接陶瓷基板和球柱引腳陣列前，若干球柱引腳結構放置于蓋板陣列的通孔中，陶瓷基板放置于底板的定位腔中，蓋板和底板將陶瓷基板和球柱引腳陣列壓緊。

10、作為本發明的優選方案，所述蓋板上設置有定位孔，底板上設置有定位柱，定位柱插入定位孔內。

11、作為本發明的優選方案，所述球柱引腳結構的高度為1.5～2.5mm，球狀接觸段的球徑為0.6～0.8mm，縮頸段的最小直徑為球狀接觸段球徑的2/3～3/4。

12、作為本發明的優選方案，所述球柱引腳結構的縮頸段包括柱狀段和柱狀段兩側的過渡段，從球狀接觸段到柱狀段的方向上過渡段的直徑逐漸變小。

13、一種陶瓷球柱柵陣列封裝工藝實現方法，包括以下步驟：

14、s1：采用精密金屬3d打印技術對設計的球柱引腳結構進行一體化成型，打印完成之后進行電鍍鎳和電鍍錫處理；

15、s2：安裝陶瓷基板到底板的定位腔中，并在陶瓷基板表面焊盤上涂覆sn63pb37焊膏；

16、s3：安裝蓋板，并利用定位孔和定位柱進行定位和限位，隨后將球柱引腳結構通過蓋板上的通孔放置在陶瓷基板表面焊盤上；

17、s4：將放置陶瓷基板的底板、陶瓷基板、蓋板一起放入回流爐中，冷卻固化后取下蓋板，即可得到帶有球柱引腳陣列的陶瓷基板；

18、s5：在印制電路板表面焊盤上涂覆sn63pb37焊膏，并將陶瓷基板上的球柱引腳結構與印制電路板表面焊盤對準；

19、s6：將帶有球柱引腳陣列的陶瓷基板、印制電路板一起放入回流爐中，焊接溫度為200～210℃，冷卻固化后，即可得到陶瓷球柱柵陣列封裝結構。

20、本發明提供的球柱引腳結構高一致性制造技術、高可靠回流焊接互聯工藝方法，可有效保證陣列封裝的可靠性，滿足復雜工況環境下的電子產品高可靠、長壽命服役要求。

21、本發明的有益效果為：

22、1.優異的抗熱疲勞特性：本發明提出的球柱引腳結構由球狀接觸段、縮頸段組成，并進行一體化成型，兩段球狀接觸段分別與陶瓷基板和印制電路板對應焊盤焊接。球柱引腳結構可通過縮頸段的蠕變釋放焊點熱應力，有效解決陶瓷基板與印制電路板熱膨脹系數不匹配引起的熱疲勞失效問題，顯著提升封裝體的熱疲勞壽命。

23、2.良好的焊點力學性能：傳統陶瓷柱柵陣列封裝過程中，由于焊柱底面共面度難以保障，并且焊接界面助焊劑不易排出，進而導致回流焊過程中可能產生較大面積的空洞缺陷。本發明提出的新型陶瓷球柱柵陣列封裝結構利用兩端球狀接觸段分別與陶瓷基板和印制電路板互聯，焊膏可以沿著引腳側壁爬升，因而焊膏對引腳包裹面積較大，可有效分散焊錫接點應力，因此本發明的球柱引腳結構焊點具有良好的力學性能。

24、3.優異的抗機械振動特性：相較于目前的陶瓷柱柵陣列封裝采用的高鉛焊柱，本發明提出的球柱引腳結構選用強度更高、熔點更高的金屬材料，提升了其抵抗機械振動等物理沖擊的能力，可有效避免陣列封裝結構由于彎曲變形而引起的失效報廢。

25、4.優異的散熱性能：相較于目前的陶瓷球柵陣列封裝，本發明提出的新型陶瓷球柱柵陣列封裝結構的陶瓷基板與印制電路板的距離較大，同時球柱結構設計增加了焊柱陣列間的空氣占據的空間，有利于空氣流通，大大提升了對流的熱量傳遞效率，進而該封裝形式具有優異的散熱性能。

26、5.有效的球柱引腳工藝實現性：本發明提出的球柱引腳結構采用精密金屬3d打印技術(如激光熔融沉積等)進行一體化成型，打印完成之后需進行電鍍鎳和電鍍錫處理，以使引腳具有可焊性。同時，在對引腳結構進行電鍍之前進行激光或等離子活化，以增加電鍍金屬的粘附性。

27、6.有效的垂直互聯工藝實現性：本發明提出的新型球柱引腳陣列結構采用階梯回流焊工藝與陶瓷基板和印制電路板互聯，具體工藝流程如下：首先將球柱引腳陣列與陶瓷基板表面焊盤互聯，隨后將帶有球柱引腳陣列的陶瓷基板與印制電路板互聯在一起，兩次焊接過程均使用sn63pb37焊膏。