無(wú)鉛BGA焊球重置工藝

轉(zhuǎn)自：SMT技術(shù)網(wǎng)；作者：韋荔甫 李鵬

摘要：    

對(duì)無(wú)鉛BGA焊球重置工藝展開(kāi)研究，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)比分析驗(yàn)證助焊劑的涂敷方式與涂敷量對(duì)BGA焊點(diǎn)高度變化、剪切強(qiáng)度及其可靠性的影響。研究結(jié)果表明：在焊錫球直徑相同的條件下，焊點(diǎn)間距較小的陣列對(duì)助焊劑涂敷量變化較敏感，在液相線以上時(shí)間(TAL)不超過(guò)90s?；亓骱阜逯禍囟葹?45℃時(shí)，助焊劑涂敷量對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度的影響比較明顯，當(dāng)回流焊峰值溫度較高時(shí)（如255℃），其影響不明顯。

關(guān)鍵詞: BGA焊點(diǎn)、助焊劑、涂敷方式、可靠性

00

引言

    傳統(tǒng)鉛錫焊料由于含有對(duì)人體及環(huán)境危害嚴(yán)重的鉛，如今已被無(wú)鉛焊料所取代，Sn-Ag-Cu是目前常用的一類(lèi)無(wú)鉛焊料。在大容量引腳封裝上有著極強(qiáng)生命力和競(jìng)爭(zhēng)力的無(wú)鉛BGA，因回流工藝與材料的差異，其熔點(diǎn)溫度和焊劑成分也隨之而改變，造成焊接工藝參數(shù)上發(fā)生了改變，這使得單個(gè)器件在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)格并不便宜。因此在預(yù)研產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，往往希望把所有從基板上取下的BGA器件能重新植球，再利用。BGA植球時(shí)，根據(jù)BGA返修工藝要求，應(yīng)先在焊盤(pán)上涂一層助焊劑，再植球，以便減少焊盤(pán)和焊球上的氧化物；使用BGA時(shí)，為得到良好的熔濕性和焊點(diǎn)完整性，也必須在焊盤(pán)上涂一層助焊劑。然而，在返修中，經(jīng)常出現(xiàn)BGA錫球橋接現(xiàn)象，從返修工藝角度出發(fā)，這種現(xiàn)象與助焊劑涂敷的方法和涂敷量之間勢(shì)必存在某種聯(lián)系，而這種聯(lián)系對(duì)BGA焊點(diǎn)高度變化、焊接質(zhì)量以及焊點(diǎn)可靠性有何影響，影響到什么程度，目前在SMT相關(guān)論壇和相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊上也沒(méi)找到更詳細(xì)、更全面地報(bào)道。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其作進(jìn)一步分析和探討。

01

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    焊接是電子裝配中的主要工藝過(guò)程，助焊劑是焊接時(shí)使用的輔料，助焊劑的主要作用是清除焊料和被焊母材表面的氧化物，使金屬表面達(dá)到必要的清潔度。它防止焊接時(shí)表面的再次氧化，降低焊料表面張力，提高焊接性能。本次試驗(yàn)以目前生產(chǎn)中常用的Sn3Ag0.5Cu（熔點(diǎn)為217~220℃）無(wú)鉛錫球和無(wú)鉛助焊劑作為研究對(duì)象，同時(shí)以助焊劑的涂敷方式與涂敷量、錫球間距以及焊盤(pán)直徑作為試驗(yàn)因素，有針對(duì)性地分批試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康闹饕疾熘竸┑耐糠蠓绞胶屯糠罅繉?duì)BGA焊點(diǎn)高度、焊接質(zhì)量及可靠性的影響。    試驗(yàn)方法：采用模板（方式2）和手工（方式1）兩種涂敷方式直接將助焊劑涂敷在基板上，BGA的錫球選用直徑為0.76mm的Sn3Ag0.5Cu焊球，節(jié)距為1.50mm，焊盤(pán)直徑為0.8mm，試驗(yàn)主要設(shè)備使用IR550A型返修臺(tái)、微型光學(xué)檢測(cè)儀和剪切設(shè)備。    第一類(lèi)方式是從BGA返修工藝角度考慮，試驗(yàn)在同一回流溫度曲線下進(jìn)行，即在液相線時(shí)間不超過(guò)90s，回流峰值溫度在245℃時(shí)進(jìn)行。助焊劑采用手工直接涂敷方式，經(jīng)過(guò)四次試驗(yàn)，得到如圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，用手工在基板上直接涂敷助焊劑時(shí)，由于助焊劑涂層厚度無(wú)法控制而造成涂敷量不均，回流后助焊劑涂敷量偏大的區(qū)域容易產(chǎn)生焊點(diǎn)橋接現(xiàn)象。

圖1 手工涂敷助焊劑對(duì)應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

第二類(lèi)方式是采用模板對(duì)助焊劑的涂敷量進(jìn)行控制。使用不同厚度模板對(duì)助焊劑涂敷量進(jìn)行控制，結(jié)果表明，采用模板可使助焊劑涂敷厚度比較均勻，經(jīng)回流后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)橋接現(xiàn)象，如圖2所示，返修質(zhì)量比較穩(wěn)定。但隨著試驗(yàn)參數(shù)的改變，焊盤(pán)陣列的間距越小對(duì)助焊劑涂敷量就越敏感（間距0.08mm時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)橋接），助焊劑涂敷量越大，越容易導(dǎo)致焊點(diǎn)橋接，如圖3所示。使用該方法的優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)改變模板厚度和開(kāi)口直徑來(lái)改變助焊劑的涂敷量，從而提高了焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量。

02

焊點(diǎn)高度分析

     組裝過(guò)程中，常存在因共晶錫球塌陷不足而產(chǎn)生焊點(diǎn)開(kāi)路時(shí)效。試驗(yàn)的主要目的是分析不同工藝條件下回流后焊球高度變化情況。試驗(yàn)時(shí)，主要考察回流曲線的峰值溫度、焊盤(pán)直徑和助焊劑涂敷量以及它們之間的交互作用對(duì)回流后焊球高度的影響。    對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行L8（27）正交表設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)沿著每個(gè)已完成植球的BGA器件的對(duì)角線取16個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方法如圖4所示。之后，取其平均值進(jìn)行極差分析和方差分析。表1的極差分析結(jié)果來(lái)看，回流峰值溫度對(duì)焊球高度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素以及各因素之間的交互作用；表2的方差分析結(jié)果表明，在95%的置信水平上，峰值溫度對(duì)焊球高度的影響是最顯著的，而其他因素以及各因素之間的交互作用對(duì)焊球高度的影響均不顯著。

圖4 焊球高度測(cè)量方法

綜上所述，回流曲線的峰值溫度是影響焊球高度的決定性因素，焊盤(pán)直徑和助焊劑涂敷量對(duì)焊球高度的影響不大。從可靠性的角度考慮，BGA器件在熱循環(huán)過(guò)程中，由于封裝體與PCB板之間存在熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致其焊點(diǎn)上存在切應(yīng)力，而增加焊點(diǎn)高度有利于減小焊點(diǎn)上的切應(yīng)力，所以在返修過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制BGA的焊點(diǎn)高度。

焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

    BGA封裝元器件的焊點(diǎn)常常由于熱失配、器件裝配外力等原因發(fā)生剪切破壞，良好的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度是器件高可靠性的重要保障，BGA焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與焊球材料和焊盤(pán)金屬有關(guān)。從微觀上看，焊接界面材料微觀結(jié)構(gòu)的變化將直接影響焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的大小。本文主要對(duì)不同工藝條件下完成回流后的BGA焊點(diǎn)作剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)中，主要考慮在液相線時(shí)間不超過(guò)90s時(shí)，回流峰值溫度和助焊劑模板類(lèi)型對(duì)焊接強(qiáng)度的影響，剪切強(qiáng)度試驗(yàn)原理如圖5所示，剪斷焊點(diǎn)時(shí)所需的力試驗(yàn)結(jié)果如圖6折線圖所示。

由圖6可知，方案1中焊球的剪切力最小，只有1.0cN左右，部分焊點(diǎn)承受的剪切力小于1.0cN。根據(jù)BGA無(wú)鉛焊點(diǎn)剪切試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，BGA無(wú)鉛焊點(diǎn)所承受的剪切力至少在1.0cN以上，最好能達(dá)到1.3cN以上，所以方案1不可取。   

方案2中焊球的剪切力均大于1.4cN力，其中大部分在1.5cN力以上，回流時(shí)其峰值溫度為245℃，從焊點(diǎn)高度方面考慮，低的峰值溫度有利于獲得較理想的焊球高度，從焊接強(qiáng)度的角度來(lái)看，方案2是可取的。方案3和方案4中焊球的剪切力均在1.8cN以上，從焊接強(qiáng)度的角度來(lái)考慮，是比較理想的選擇對(duì)象，但方案3和方案4回流的峰值溫度是260℃，與方案2相比，其焊接后的焊球高度相對(duì)較低。在兼顧焊接強(qiáng)度和焊球高度的情況下，方案3和方案4的競(jìng)爭(zhēng)力稍差。綜上，方案2是一個(gè)較優(yōu)的方案，既能滿足焊接強(qiáng)度的要求，又能得到較理想的焊球高度。   

研究結(jié)果表明，助焊劑涂敷量對(duì)焊球回流后強(qiáng)度的影響在回流峰值溫度較低時(shí)（如245℃）比較明顯，在確保正常焊接的前提下，助焊劑涂敷量較少時(shí)焊接強(qiáng)度較大；而當(dāng)回流峰值溫度較高時(shí)（如260℃），這種影響不明顯。

0

結(jié)論

    研究表明，通過(guò)使用模板控制助焊劑的涂敷量，能夠消除橋接和助焊劑涂敷不均等缺陷。在焊球直徑相同的條件下，焊球間距較小的陣列對(duì)助焊劑涂敷量的變化更敏感。極差分析表明，若以回流后影響焊點(diǎn)高度因素的重要性，按從大到小排序，為回流曲線的峰值溫度、助焊劑涂敷量、焊盤(pán)直徑；方差分析表明，在95%的置信水平上，回流曲線的峰值溫度對(duì)回流后焊球高度的影響顯著。焊球剪切試驗(yàn)表明，回流峰值溫度較低時(shí)（如245℃），助焊劑涂敷量對(duì)焊接強(qiáng)度的影響比較明顯，而當(dāng)回流峰值溫度較高時(shí)（如260℃），影響不明顯。

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