2017-08-21摘自：SMT China表面組裝技術(shù)

      隨著電子產(chǎn)品向便攜化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和高性能方向的發(fā)展，BGA器件由于其獨(dú)特的優(yōu)越性在我所預(yù)研型號(hào)產(chǎn)品中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，該類器件封裝由于自身特點(diǎn)，只能采用專用設(shè)備進(jìn)行焊接和檢測(cè)。由于其節(jié)距越來越小，焊裝難度越來越大，工藝要求也越來越高。另一方面，由于其檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴，使該類器件的焊接質(zhì)量的檢測(cè)相對(duì)困難。因此，對(duì)BGA器件焊接的一次合格率要求很高，這就為焊接過程控制提出了更高的要求。本文通過對(duì)焊盤設(shè)計(jì)、焊膏量的控制、貼片精度要求、BGA器件焊接方法、溫度曲線、焊接界面表面狀態(tài)的選擇等方面進(jìn)行研究，闡述通過工藝控制來保證CBGA器件的質(zhì)量與可靠性。

1. BGA器件特點(diǎn)簡介

1.1 BGA的主要優(yōu)點(diǎn) ：

a）沒有器件引腳彎曲的問題，共面性較好。 

b）引出端節(jié)距大，減少了由于焊膏印刷而引起的焊接短路問題。 

c）焊球的表面張力可以使器件在回流焊過程中自動(dòng)校正。 

d）良好的電性能和熱性能。 

e）互連密度較高。 

1.2 BGA的主要缺點(diǎn) ： 

a）需要 X 射線設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)成本較高。 

b）返修較困難，返修后的器件一般不再使用。 

根據(jù)封裝體材料的不同，BGA器件主要分為以下幾種： 

      PBGA（Plastic BGA，塑料封裝BGA）：PBGA是最普通的一種BGA的封裝形式，基板用普通的PCB材料制作，芯片一般用Bonding方式焊接在基板上表面，然后用塑料模注成形。基板下表面用 63/37 的低熔點(diǎn)共晶焊料制作焊料球。

      CBGA（Ceramic BGA，陶瓷封裝BGA）：CBGA最早源于IBM公司的C4倒裝芯片工藝，它采用雙焊料結(jié)構(gòu)，芯片通過 63/37 低熔點(diǎn)共晶焊料焊接在多層陶瓷基板的上表面，然后進(jìn)行封裝以提高其可靠性并提供機(jī)械保護(hù)。在多層陶瓷的下表面用 90/10 高溫焊料制作焊球。 

      CBGA的優(yōu)點(diǎn)：封裝器件的可靠性高；對(duì)濕氣不敏感；封裝密度高（焊球?yàn)槿嚵蟹植迹?nbsp;

      CBGA的缺點(diǎn)：和環(huán)氧樹脂電路板的熱膨脹系數(shù)不同、熱匹配性差；通過封裝體邊緣對(duì)準(zhǔn)比較困難；封裝成本相對(duì)較高。

2. CBGA器件組裝工藝研究 

      為解決BGA封裝器件的電裝問題，通過對(duì)CBGA器件進(jìn)行焊接，對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，確認(rèn)器件裝聯(lián)工藝的可行性和適用性，摸索可靠的工藝方法，使其應(yīng)用于航空電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中。 

      結(jié)合我所電子產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)CBGA的整個(gè)焊接工藝過程進(jìn)行研究。課題選用的器件型號(hào)為：PC107橋片。器件引腳數(shù)量多、組裝密度高，又是靜電敏感器件，焊接過程中由于引腳為 90Pb10Sn 的材料，熔點(diǎn)為268℃—302℃，而焊接過程器件最高承受的溫度僅為220℃，這些同一般球柵陣列（BGA）的焊接過程不同，因此BGA器件的焊接工藝及檢驗(yàn)方法在CBGA器件焊接中不能完全適用。圖1a是為課題設(shè)計(jì)的工藝試驗(yàn)板；圖1b為CBGA器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 

 圖 1a. 工藝實(shí)驗(yàn)板。

 圖 1b. CBGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

      CBGA焊接是個(gè)復(fù)雜的工藝過程，需要關(guān)注的環(huán)節(jié)較多，其中包括：焊盤設(shè)計(jì)、焊膏量的控制、貼片精度要求、BGA器件焊接方法、溫度曲線、焊接界面表面狀態(tài)的選擇等，下面將分別做研究。

2.1 焊盤設(shè)計(jì)

     BGA封裝器件的焊盤，節(jié)距大于等于0.8mm的，一般采用雙盤結(jié)構(gòu)，通過連接盤實(shí)現(xiàn)互連，連接盤位于4個(gè)焊盤的中間位置；節(jié)距小于0.8mm的，一般采用HDI工藝實(shí)現(xiàn)互連。所有的連接盤和導(dǎo)線，均應(yīng)采用阻焊膜進(jìn)行覆蓋。圖2為CBGA焊盤設(shè)計(jì)要求。 

圖 2. CBGA焊盤設(shè)計(jì)要求。

      所有過孔盤及走線，均應(yīng)用阻焊膜覆蓋，不能露銅；兩個(gè)焊盤中間走線的數(shù)量一般由電氣性能和PCB生產(chǎn)工藝決定。焊盤尺寸設(shè)計(jì)原則：根據(jù)引腳尺寸確定焊盤尺寸，使兩者相匹配。 

2.2 焊膏量的控制 

      在BGA焊接過程中，絲印焊膏量的多少、絲印焊膏的質(zhì)量都將對(duì)焊接質(zhì)量、焊接的可靠性起到重要的作用，焊膏不僅保證CBGA器件封裝在Z軸方向上的誤差，同時(shí)要保證焊點(diǎn)有足夠的強(qiáng)度，焊膏量少，如果不能彌補(bǔ)器件管腳Z軸誤差，將會(huì)將會(huì)出現(xiàn)影響某些焊點(diǎn)強(qiáng)度，嚴(yán)重情況下，在溫度交變過程在器件引腳與焊點(diǎn)處出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂。焊膏量過多，焊接后易出現(xiàn)橋連，導(dǎo)致焊接失敗。根據(jù)所選器件，焊膏選擇常用的 Alpha 公司 RMA9086 三號(hào)粉。印刷網(wǎng)版厚度采用0.15mm，焊接后沒出現(xiàn)橋連，認(rèn)為絲網(wǎng)印刷過程得到了質(zhì)量控制。圖3為良好的印刷焊膏圖形。

 圖 3. 印刷焊膏圖形。

2.3 貼片 

      利用返修工作臺(tái)進(jìn)行器件貼裝，返修工作臺(tái)正常的貼片過程可以利用雙向光學(xué)認(rèn)證系統(tǒng)，對(duì)焊料柱和焊盤進(jìn)行同位對(duì)中，從而更有效地滿足器件貼片后的精度要求。滿足器件引腳與焊盤貼裝后在X、Y方向上的最大允許偏差小于25%的要求。 

2.4 BGA器件焊接方法 

      用于表面安裝的再流焊接按照加熱方法不同分為三大類，即紅外熱風(fēng)再流焊、汽相再流焊和激光再流焊。激光再流焊一般只適用于焊點(diǎn)外露于表面的焊接；而CBGA器件引腳全部在器件本體的底部，所以從CBGA器件焊接的原理上可以采用紅外熱風(fēng)再流焊接和汽相再流焊接兩種焊接方式。紅外熱風(fēng)再流焊的應(yīng)用較廣，工藝曲線已成熟，焊點(diǎn)光亮，但因?yàn)槠骷倔w的遮擋，無法完全均勻一致的對(duì)底部引腳進(jìn)行加熱。汽相再流焊利用加熱高沸點(diǎn)液體作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)，利用它沸騰后產(chǎn)生的飽和蒸汽來加熱工件，達(dá)到焊接所需溫度。汽相再流焊的高溫飽和蒸汽可使組件均勻加熱，尤其對(duì)于大型的BGA、CCGA等焊點(diǎn)在底部的復(fù)雜封裝器件焊接十分有利。另外因?yàn)楹附舆^程中，組件處于高溫汽相蒸汽中，隔絕了氧氣，有利于形成高質(zhì)量焊點(diǎn)。

2.5 溫度曲線是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵 

      選用汽相再流焊爐進(jìn)行焊接。再流焊接是BGA組裝過程中關(guān)鍵步驟，再流焊接過程分預(yù)熱過程、保溫過程、再流過程、冷卻過程，由這四個(gè)過程組成一個(gè)焊接曲線，這四個(gè)過程溫度和時(shí)間合理設(shè)置才能形成一個(gè)良好焊點(diǎn)。圖4為焊接曲線圖。

 4. 焊接曲線圖。 

       由于CBGA器件引腳密集的引腳，使得外層引腳和內(nèi)層引腳間的溫度有一定差別，所以保證有良好內(nèi)層引腳和外層引腳同時(shí)達(dá)到良好的焊接溫度和保溫時(shí)間，同時(shí)器件又不能超過允許的焊接溫度和時(shí)間，這是在工藝改進(jìn)中需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。加熱方式不同，對(duì)焊接溫度及各種不同封裝器件原來設(shè)定的焊接條件，在實(shí)際焊接時(shí)的溫度曲線會(huì)發(fā)生一定的變化，正式焊接前，需進(jìn)行溫度曲線的測(cè)試。 

2.6 焊接界面表面狀態(tài)的選擇 

      BGA器件由于儲(chǔ)存原因，焊接前會(huì)出現(xiàn)其引腳焊接界面狀態(tài)不均勻，分析是氧化造成的。BGA器件引腳有氧化現(xiàn)象，焊膏對(duì)該表面潤濕性就變差，嚴(yán)重時(shí)可能不潤濕，二者不能熔為合金，在焊料和連接面被氧化膜隔離，焊點(diǎn)強(qiáng)度很低，盡管有局部接觸暫時(shí)表現(xiàn)為導(dǎo)通，但在溫度交變或振動(dòng)等外力作用下該焊點(diǎn)界面很容易被拉脫，形成開路。下面是本試驗(yàn)中出現(xiàn)的BGA器件焊接氧化導(dǎo)致焊接缺陷的一個(gè)案例。 

左邊是5a；右邊是5b。

      案例：圖5是BGA焊球表面氧化，未經(jīng)去氧化處理焊接的BGA焊點(diǎn)，焊錫表面呈灰色，皺狀，且無良好的光澤，焊點(diǎn)潤濕不良，再流焊接后，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)電路不通。

      原因分析：BGA器件的焊球表面氧化(元器件受潮和存儲(chǔ)時(shí)間長造成的)，器件的電極表面焊接部位顏色發(fā)黑，焊接時(shí)焊錫無法完全潤濕被焊球表面從而易形成虛焊。焊接缺陷見圖5a、圖5b。 

      后果：這種焊接缺陷如果沒有檢測(cè)出來，可能會(huì)很早就出現(xiàn)故障，其原因要么是球和焊盤之間建立的氧化層，要么是在熱循環(huán)中CTE（熱膨脹系數(shù)）應(yīng)力不匹配引起的質(zhì)量問題。壽命周期試驗(yàn)將揭示出這種冷焊點(diǎn)會(huì)很早就出現(xiàn)故障。因此，BGA器件焊接前，焊球表面檢查和氧化性清潔處理至關(guān)重要。

2.7 三防與粘固 

      為了進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)BGA器件進(jìn)行了固封。BGA器件采用底部填充聚氨酯膠的方式，填充前聚氨酯膠需抽真空排除氣泡。填充采用“L”型（即器件相鄰兩邊）填膠的方法，通過毛細(xì)作用使膠液流過器件底部，可保證元器件底部無氣泡存在，如果BGA器件四角有足夠空間，可以采取四角先點(diǎn)環(huán)氧膠后再填充。

3. 檢測(cè)技術(shù) 

3.1 目視檢查 

      通過10X-40X光學(xué)顯微鏡進(jìn)行焊點(diǎn)外觀形貌檢測(cè)，BGA形成連續(xù)、堅(jiān)固的橢圓焊點(diǎn)，并且順著淚滴形焊盤有潤濕。CGA焊柱應(yīng)與焊料潤濕良好，形成連續(xù)焊點(diǎn)，并且焊點(diǎn)順著淚滴形焊盤有潤濕。BGA可檢測(cè)的常見缺陷有：短路、開路（虛焊）、焊錫珠、錯(cuò)位、空洞等。 

3.2 內(nèi)部焊點(diǎn)焊接檢測(cè) 

      內(nèi)部焊接情況可以通過 X-ray 檢測(cè)，傾轉(zhuǎn)一定的觀測(cè)角度，直到避開高鉛柱列的阻擋，可以觀察SnPb共晶焊點(diǎn)部分。而本試驗(yàn)采用的CBGA器件引腳為90Pb10Sn，由于焊接后引腳在焊接過程并不熔化，鉛錫引腳的厚度足以阻擋X射線，通過X射線檢測(cè)只能檢測(cè)器件引腳間是否有橋連，焊點(diǎn)及內(nèi)部形狀無法看到。

3.3 電性能測(cè)試 

     組裝件完成焊接后，進(jìn)行了電性能測(cè)試。首先對(duì)對(duì)測(cè)試片通過菊花鏈進(jìn)行通斷電性能測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，確定其具體位置，分析原因，優(yōu)化設(shè)置。無源元件應(yīng)進(jìn)行功能性測(cè)試，可采用菊花鏈。須無信號(hào)丟失；阻抗連續(xù)變化須少于10％（在室溫下測(cè)試）。 

3.4 溫度循環(huán)測(cè)試 

      a. 熱循環(huán)要求：-55 ～ 100℃，溫變速率不應(yīng)超過10℃/min，極限溫度至少保持15min，每個(gè)循環(huán)1小時(shí)，200個(gè)循環(huán)，陣列器件需要做500個(gè)溫度循環(huán)。 

      b. 試驗(yàn)樣件在做溫循前應(yīng)進(jìn)行預(yù)烘去潮，溫度60℃～ 80℃。 

      c. 溫度循環(huán)可在振動(dòng)試驗(yàn)前或后完成。振動(dòng)試驗(yàn)可在任何數(shù)量個(gè)溫度循環(huán)后完成。針對(duì)本次試驗(yàn)情況只進(jìn)行了組裝件的無損檢測(cè)。 

結(jié)論 

      通過試驗(yàn)，本文給出了認(rèn)為合理的CBGA工藝設(shè)計(jì)及工藝管理過程。CBGA在電子裝聯(lián)中的直通率可以達(dá)到很高水平，焊接缺陷很大部分是由于器件的自身缺陷等原因造成的。整體可靠性取決于最薄弱的一環(huán)，工藝控制要重點(diǎn)關(guān)注薄弱環(huán)節(jié)。

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