CQFP专用测试插座选型及定位设计_李明远.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|77电子元器件与材料CQFP专用测试插座选型及定位设计李明远北京微电子技术研究所，北京，100076摘要：陶瓷四面扁平封装是目前国内常用的封装形式，根据集成电路封装工艺要求，对封装后电路进行测试是集成电路生产过程中必不可少的关键工序之一，要进行电路测试以保证电路的外观、质量及可靠性，就需要设计并选用专用的测试插座。本文详细叙述了带陶瓷绝缘连筋CQFP-FR电路外形结构、专用测试插座结构、插座的选型及定位设计，可根据需求选择适用的插座定位方式。关键词：CQFP；专用测试插座；插座选型；定位方式中图分类号:TM13文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2023.1.018 0引言随着大规模和超大规模集成电路的飞速发展1，陶瓷四面扁平封装是目前国内常用的封装形式，引线节距越来越小（其节距现有1.27mm、1.00mm、0.80mm、0.635mm、0.50mm等），每种节距均有多种引线数2。根据半导体集成电路外形尺寸中规定的半导体集成电路的封装形式及外形尺寸3，CQFP-FR封装电路节距为0.50mm，引线数最高为240。根据集成电路封装工艺的要求，对封装后电路进行测试是集成电路生产过程中必不可少的关键工序之一，同时对集成电路测试的要求日益增加，老化插座的技术要求已无法满足当前电路的测试要求，为满足电路的测试指标、测试精度及测试的稳定性，需要选用专用的测试插座。为了保证绝缘连筋的CQFP封装电路的产品质量、外观及测试的可靠性，就需要设计及选用专用的测试插座，本文主要介绍了带陶瓷绝缘连筋CQFP电路结构、专用测试插座结构、插座选型及插座定位方式设计。1CQFP电路外形结构陶瓷四面扁平封装作为一种先进的集成电路封装形式，外形结构如图1所示，由陶瓷基板、镀金引线、外框陶瓷绝缘连筋及金属盖板四部分组成。以陶瓷材料为封装载体，用来包裹内部的裸芯片，金属盖板提供密封且在最恶劣的环境中延长电路的使用寿命。外层的封装为内部的裸芯片提供电路连接的引线与接触点，同时保护内部的裸芯片免受冲击、划伤、摩擦等物理因素的破坏，为测试过程中的芯片进行散热。随着引线密度越来越高、引线节距越来越小，引线宽度也随之变小，其引线为细长的“一”字形，安装时非常容易变形，为了避免封装件在加工过程中变形，将此类管壳设计为带绝缘连筋结构，四周设计有固定引线的绝缘边框4。陶瓷基板一般采用高温共烧，在烧结过程中，陶瓷浆料在较大的温差范围内会发生较大变形，使得其公差值难以控制。而塑封电路是在框架内进行树脂填充，金属件一般是成形后再进行精细化加工，因此塑封体和金属件的尺寸较易作者简介：李明远，男，吉林公主岭，本科，工程师，研究方向：集成电路测试及工装夹具设计。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术78|控制，使其公差值较小。一般情况下，陶瓷体长度和宽度的公差按照公称值的1%进行控制，厚度公差按照公称值的10%进行控制。基于上述可得出陶瓷四面扁平封装的外框及陶瓷体外形均存在公差。图 1带陶瓷绝缘连筋的 CQFP 电路外形结构2CQFP专用测试插座2.1CQFP专用测试插座整体方案测试插座是对电路的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及电路不良的必备试验装置，根据测试插座的应用环境、操作方式和特点，为了保证生产过程中电路的稳定性和电路的可靠性，同时避免人工手动测试造成的引线压伤、划伤、损伤等电路外观问题，采用pogopin（弹簧信号针）的接触方式的专用测试插座方案，专用测试插座主要由插座主体、弹簧信号针、浮动导向板及旋钮上盖组成，插座结构如图2所示。在测试过程中，测试插座主体与PCB板上的定位孔通过螺丝将测试插座与PCB板固定。弹簧信号针是以弹针接触体为核心的连接器，由信号针针尖、管壳本体、针尾三部分组成，针尖针尾设置于管壳本体一端用于插入插座，管壳本体另一端内侧设置有信号针针尖5。利用测试插座的限位功能及测试插座的旋转上盖施加一定的向下贴合压力，使电路的引线与弹簧信号针针尖接触、PCB焊盘与弹簧针针尾接触。浮动导向板实现对待测电路限位和定位的功能，与插座主体通过四个弹簧实现浮动结构，使得电路放置在浮动导向板内且电路受到旋钮上盖的压力后，弹簧信号针的针尖才与电路引线接触，反之电路不受旋钮上盖的压力则弹簧信号针的针尖不与电路引线接触，这样就避免了电路引线划伤、扎伤等外观问题的出现。通过不同电路选用的管壳、盖板图纸及测试技术要求进行测试插座设计及选用，保障电路、弹簧信号针和PCB焊盘三者之间的精准定位接触，最终实现对电路性能的测试。同老化插座结构相比，该测试插座具有装拆简单便捷、测试稳定性好、寿命长、节省焊接时间等特点。图 2CQFP 测试插座结构2.2CQFP专用测试插座选型pogopin的接触方式的专用测试插座均为定制，采用机加工模式，均为非标准件或货架产品，通常根据所提供的管壳图纸、盖板图纸进行插座设计及选型，之后再进行加工，常规测试插座选型的主要技术要求包括频率要求、电流要求、温度要求、材质要求，其中频率要求、电流要求及温度要求均与弹簧信号针的选用有密切的关系。2.2.1频率要求插座内部的弹簧信号针有不同的型号规格，弹簧针的频率范围可达数百MHz至数十GHz6。不同电路的测试频率不尽相同，对于不同的电路要特别注意电路的最高测试频率，然后根据最高测试频率再选择适合的弹簧信号针。2.2.2电流要求通常测试插座选用的弹簧信号针耐电流的要求在12A6。若被测电路的单个引出端最大持续电流超出此范围，则需选用耐电流能力更大的弹簧信号针制作专用测试插座。2.2.3温度要求集成电路需要经历三温环境的测试试验（即对电路进行常温、低温及高温测试），测试温度范围为-55+125，保障电路在较大的 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|79电子元器件与材料温度范围内有较高的稳定性7。专用测试插座选型的温度范围应覆盖测试环境的温度，选型的温度范围应为-60+150。2.2.4材质要求测试插座的材质能否达到高、低温的要求也是测试插座选型的重要指标之一。除此之外，插座材质中均添加耐磨损添加剂，其作用是改善材质的摩擦及磨损性能。材质中耐磨损添加剂为金属化合物，在使用过程中，因受温度、压力变化及磨损，形成颗粒物凸起，造成电路外观损伤。为避免电路外观出现损伤，电路引线与浮动导向板腔体接触的材质应选用耐磨损、杂质少且避免吸潮变形的材质。除上述选型技术要求外，为避免电路引线根部与插座浮动导向板接触造成引线划伤金属，需对电路根部引脚进行避让及悬空设计。2.3CQFP专用测试插座设计为避免测试插座设计不当，造成电路引线的压伤、变形以及测试稳定性等问题，需要注意专用测试插座的出针位置、弹簧针针尖形状、插座上盖结构及插座定位方式。2.3.1插座出针位置根据陶瓷四面扁平封装电路外形结构，综合测试详细规范及外观质量等因素，CQFP专用测试插座的弹簧针通常与陶瓷四面扁平封装电路接触的位置，在电路陶瓷绝缘连筋上的引线、陶瓷基板下方处的引线根部和陶瓷基板至陶瓷绝缘连筋二者之间的引线处，保证电路测试连接稳定性及可靠性。若电路无特殊需求的条件，专用测试插座的出针位置一般设置在电路陶瓷绝缘连筋下方，避免电路测试完成后造成引线的划伤、扎伤。若电路对传输信号及出针位置敏感或测试需兼容陶瓷四面扁平封装切筋成形电路，则将测试插座的出针位置设计在陶瓷基板下方处的引线根部。在测试生产过程中，为避免电路反复测试、插座的弹簧针与电路引线反复接触，造成接触位露金属或露镍，而且为避免电路陶瓷绝缘连筋受插座上盖压块的压力导致绝缘连筋断裂，CQFP专用测试插座出针位置在陶瓷基板至陶瓷绝缘连筋二者之间的引线且靠近绝缘筋处，避免电路切筋成形后引线仍留存弹簧针接触后的扎痕。2.3.2弹簧针针尖形状弹簧信号针是以弹针接触体为核心的连接器，由信号针针尖、管壳本体、针尾三部分组成，按针尖的种类可分为皇冠针、尖头针、平头针、U形针。在设计插座过程中，不同的封装形式的电路根据测试要求及外观质量要求，选用不同种类的弹簧针。皇冠针、尖头针作为专用测试插座应用最广的弹簧针，可应用于大多数封装形式的专用测试插座（CCGA、BGA、CBGA专用测试插座除外），其中陶瓷四面扁平封装专用测试插座常规条件下选用皇冠针，若测试过程中出现连接异常或不稳定的情况，可用同型号规格的尖头针替代，同时尖头针的选用需避免针尖扎伤电路引线。平头针通常应用于陶瓷柱阵列（CCGA）封装电路的专用测试插座，要保证电路焊柱与弹簧针之间的有效接触，还需避免弹簧针针尖对焊柱的顶端面造成扎痕和损伤，提高电路焊柱的外观质量8；U形针通常应用于球阵列（BGA/CBGA）封装电路的专用测试插座，要保证电路焊球与弹簧针之间的有效接触，避免弹簧针针尖挂锡引起测试良率降低，同时避免弹簧针针尖对焊球的顶端面造成扎痕和损伤，提高焊球的外观质量。2.3.3插座上盖结构专用测试插座上盖与底座结构分为连体、连体带旋钮、分体、分体带旋钮四种，扣盖方式又分为直上直下、翻盖两种。但陶瓷四面扁平封装电路因结构、工艺、封装等因素的影响会存在陶瓷绝缘连筋的翘曲现象，故专用测试插座上盖与底座结构采用直上直下扣盖且分体带旋钮的插座结构，避免对电路的绝缘连筋造成压伤、电路引线划伤等外观质量问题。插座上盖中的压块结构取决于测试插座的dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术80|出针位置，压块给电路的引线足够的压力，使引线与弹簧信号针稳定接触，同时设计上需避免压块与电路金属盖板接触，防止电路测试后金属盖板划伤后压伤，如需接触则对金属盖板进行避让处理。2.4CQFP专用测试插座定位设计在生产过程中，陶瓷四面扁平封装电路采用人工手动测试，为保障测试的稳定性及可靠性，电路需进行多次测试，电路的公差尺寸较大，为保证测试稳定性及测试精度，电路放置在测试插座浮动导向板内需进行定位设计，并且插座浮动导向板的尺寸需满足电路的外形尺寸要求，同时避免电路测试后，测试插座对电路引线造成外观损伤。2.4.1梳齿定位为避免带绝缘连筋的陶瓷四边扁平封装的电路测试过程中引线出现桥连，影响测试连接性，测试插座浮动导向板腔体内设计一般采用梳齿进行定位（见图3），即在浮动导向板上设有与电路每边引线数量相同的槽，槽是用来防止电路的引线出现桥连，其宽度大于引线的宽度，且保证电路引线只能上下方向灵活地活动，不能左右方向进行晃动9。但陶瓷封装的电路因陶瓷工艺的缘故，存在公差较大的因素，常规会采用陶瓷四角进行粗定位，再应用梳齿进行精细化定位。测试插座采用梳齿定位方式，因电路引线完全放置到梳齿内才不会对引线造成损伤，但在生产任务紧张、高效率、高强度作业的条件下，人工手动测试极易压伤电路引线，引线压伤后无法修复，造成无法弥补的损失。图 3梳齿定位结构2.4.2定位销定位应用传统老化插座的定位销方式，定位销采用有跟形式，在与带陶瓷绝缘连筋CQFP电路的绝缘连筋四个定位孔相接触的浮动导向板上相应位置设置对角定位销或四个角中的三个角设置定位销（起到防错的作用），用于固定电路绝缘连筋边缘处的定位孔见图4，方便调整电路的位置及电路的取放。因测试插座设计与电路实物存在时间间隔，管壳图纸上绝缘连筋边缘处的定位孔存在公差，测试插座设计选取的定位销尺寸可能因为公差的缘故导致电路取放卡料、无法放置等问题，故采用定位销定位方式则需提供电路定位孔尺寸的量取，以保证电路的取放。图 4定位销定位结构2.4.3内形定位测试插座设计利用精益生产之防错法十大原理中的相符原理，与电路的内行面贴合，测试插座浮动导向板与电路的内形面作为基准来定位，即采用带陶瓷绝缘连筋的CQFP电路陶瓷四角进行内形定位（见图5）。因测试插座设计与电路实物存在时间间隔及陶瓷工艺的缘故，管壳图纸上陶瓷体的公差会较大，采用内形定位则需设计工程师靠经验或量取实物来实现精准的定位。图 5内形定位结构2.4.4外形定位测试插座设计利用精益生产之防错法十大原理中的相符原理，与电