回流溫度曲線對CBGA植球空洞影響研究

林鵬榮，姜學(xué)明，黃穎卓，練濱浩，姚全斌，朱國良

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引言

隨著電子元器件不斷向輕、小、高性能和高集成度的方向不斷發(fā)展，陶瓷球柵陣列封裝CBGA（Ceramic Ball Grid Array）作為一種高密度、面陣排布的表面貼裝封裝形式，近年來被廣泛應(yīng)用于以航空航天為代表的高可靠產(chǎn)品中。CBGA器件采用的基板是多層陶瓷，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上從而實現(xiàn)氣密性封裝，用以保護(hù)芯片、引線及焊盤。焊球材料為高溫合金90Pb10Sn（熔點大于300 ℃），焊球和封裝基板的互連采用低溫合金63Sn37Pb（熔點183 ℃），焊接過程中，共晶焊料熔化，而焊球不熔化，保持接頭的高度，提高了接頭的可靠性[1]，緩解了因陶瓷封裝基板與PCB板之間存在的熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的焊點失效問題，從而提高了CBGA器件的使用可靠性。CBGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

焊點空洞是影響CBGA器件及組裝可靠性的主要缺陷之一，其對焊點可靠性的影響，業(yè)界仍持不同觀點[2]：一種觀點認(rèn)為空洞位置易引起應(yīng)力集中，會降低焊點的強(qiáng)度和疲勞壽命；另一種觀點認(rèn)為空洞的存在可能增加焊點的柔性，增強(qiáng)焊點的彈性變形能力，從而吸收在溫度循環(huán)條件下的應(yīng)力，減少焊點在溫度循環(huán)載荷條件下的塑性應(yīng)變范圍，提高焊點的疲勞壽命。

CBGA植球空洞的形成主要由于回流過程中，助焊劑中揮發(fā)性氣體被焊球或焊盤捕捉未能及時排出而產(chǎn)生的[3]。本文通過調(diào)節(jié)回流溫度曲線對空洞的形成機(jī)理以及加熱回流等階段對空洞率的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，以指導(dǎo)CBGA植球工藝改進(jìn)。

2 試驗方法

2.1 主要原材料及設(shè)備

選用的外殼為高溫共燒氧化鋁陶瓷外殼，型號為CLGA256，焊盤W金屬化層上鍍Ni-Au（Ni≥3.5 μm，Au≤0.5 μm），焊盤直徑為Φ0.85±0.05 mm，焊盤節(jié)距為1.27 mm。

焊球采用Φ0.889 mm的90Pb10Sn高溫焊球，焊膏采用免清洗型63Sn37Pb共晶焊膏，熔點為183 ℃。

主要設(shè)備包括：鏈?zhǔn)交亓鳡t，美國BTU公司；KIC爐溫測試儀；絲網(wǎng)印刷機(jī)；置球機(jī)；X射線檢測設(shè)備。

2.2 植球回流焊溫度曲線

回流焊溫度曲線通?？梢苑譃樗膫€階段：

預(yù)熱階段：預(yù)熱的主要目的是使封裝器件均勻受熱，同時對封裝器件具有烘烤的作用，除去其中的水分，使焊膏內(nèi)的揮發(fā)物質(zhì)釋放出來，且不會引起焊料飛濺，同時使CBGA器件達(dá)到焊膏的潤濕溫度。

活化階段：活化階段的主要目的是使焊膏中的助焊劑活化，除去焊盤表面和焊膏合金表面的氧化物，為焊膏回流過程做好準(zhǔn)備。同時也使CBGA器件上的所有焊點同時接近焊接溫度。

回流階段：回流階段是使焊點迅速上升到焊膏的熔點溫度以上，達(dá)到焊接溫度，使熔融的焊料潤濕陶瓷外殼的焊盤，達(dá)到良好的焊接要求。對于CBGA器件，其焊球為90Pb10Sn高溫合金，在回流過程中焊球是不熔化的，焊膏熔化與焊盤和高溫焊球潤濕形成焊點。

冷卻階段：冷卻階段的主要目的是在焊點凝固的同時細(xì)化晶粒，抑制金屬間化合物的增長，提高焊點的強(qiáng)度。冷卻階段有風(fēng)冷和自然冷卻兩種。

本試驗通過調(diào)節(jié)總體加熱時間、活化階段時間和回流階段時間設(shè)定了多條回流溫度曲線并進(jìn)行植球，典型回流溫度曲線見圖2。通過X射線檢測對回流焊后的CBGA器件進(jìn)行焊點空洞檢測，并對空洞的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析。如圖3所示，每個CBGA器件上的空洞數(shù)量統(tǒng)計選取1～5共五個區(qū)域，每個區(qū)域均為4×4陣列。

3 CBGA植球空洞形成的機(jī)理分析

CBGA器件植球工藝與PBGA器件植球工藝有所不同，CBGA器件采用的是高溫合金90Pb10Sn，在回流焊過程中通過63Sn37Pb共晶焊膏實現(xiàn)高溫焊球與焊盤之間的冶金連接，而PBGA器件通常采用63Sn37Pb或SnAgCu等無鉛焊球在助焊劑的輔助下熔化并潤濕焊盤。因此，對于CBGA器件而言，焊膏熔化過程是產(chǎn)生空洞的根本原因。

焊膏主要由助焊劑和金屬顆粒組成，金屬顆粒尺寸一般為25～45 μm。在回流焊過程中，焊膏經(jīng)歷了預(yù)熱、活化、回流及冷卻等階段，焊膏中的助焊劑在此過程中發(fā)生分解、揮發(fā)并釋放出氣體，而金屬顆粒在預(yù)熱至回流整個焊接過程中由顆粒狀的固體逐漸熔化，轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w并聚集。熔化的焊料在表面張力的作用下向中心處集中，而排出的氣體同樣在表面張力的作用下密閉在焊料中未能及時排出產(chǎn)生空洞。焊膏回流過程中產(chǎn)生空洞的原理示意圖如圖4所示。

另外，易揮發(fā)性的助焊劑容易產(chǎn)生高粘性的殘留物，其難以從熔化的焊料中排出，因此在熔化焊料中就會存在氣體釋放的隱患，容易造成空洞[4]。

再者，金屬焊盤上的氧化物及有機(jī)污染物也是助焊劑捕捉的主要成份，其在加熱回流過程中反應(yīng)并釋放出氣體，若氣體未能及時排出，則容易產(chǎn)生空洞。因此氧化物及有機(jī)污染物也是CBGA器件植球過程中產(chǎn)生空洞的原因之一。

綜上，在回流焊過程中釋放出的氣體是空洞形成的根本因素，而通過回流溫度曲線的調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)回流的時間，可有效改善氣體的溢出，從而降低空洞率。

4 試驗結(jié)果與討論

采用8溫區(qū)鏈?zhǔn)交亓鳡t結(jié)合KIC爐溫測試儀進(jìn)行回流焊試驗，針對CLGA256陶瓷外殼，以基準(zhǔn)曲線為原型，通過改變帶速和設(shè)定溫度，使加熱時間延長或縮短，共設(shè)定了7條回流溫度曲線，如表1所示?；鶞?zhǔn)曲線如圖5所示。

針對每一條設(shè)定的回流溫度曲線，在同一批次CLGA256陶瓷外殼中隨機(jī)抽取3只進(jìn)行植球，然后通過X射線檢測設(shè)備對規(guī)定的區(qū)域進(jìn)行空洞檢測，經(jīng)X射線檢測的空洞形貌照片如圖6所示?？梢钥闯觯亓骱负蠛更c空洞主要集中于焊點邊緣處，焊點中心處基本無空洞，整體呈現(xiàn)以焊點中心為圓心向外放射，空洞逐漸增多的趨勢。這說明在回流過程中焊點內(nèi)部的空洞會隨著熔化的焊料向邊緣流動并溢出。

對回流溫度曲線1～5條件下CBGA256植球空洞進(jìn)行統(tǒng)計，取三只電路空洞數(shù)量的平均值，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著帶速的降低，器件植球過程中經(jīng)受的加熱時間越長，焊點空洞的數(shù)量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，并在加熱時間為335 s時空洞率達(dá)到最小。加熱時間較短時焊點空洞較多的主要原因可能有兩個方面：（1）由于焊膏熔化前助焊劑中溶劑未充分揮發(fā)，促使揮發(fā)性氣體殘留在熔化的焊料中形成較多空洞；（2）由于加熱時間較短，大部分空洞沒有得到充分的時間從熔化的焊料內(nèi)部溢出。因此，隨著加熱時間的增加，焊點內(nèi)部空洞逐漸減少。但當(dāng)加熱時間增加到476 s時，焊點內(nèi)部空洞又急劇增加，其主要原因可能是在焊膏熔化前加熱時間過長導(dǎo)致助焊劑中溶劑已大量揮發(fā)，使得助焊劑殘留物的粘性增大，高粘性的助焊劑殘留物難以從液態(tài)焊料中排出造成空洞增多。

此外，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)曲線5、6、7三條回流溫度曲線的活化時間分別為24 s、23 s、25 s，而其回流時間分別為37 s、113 s、65 s。這三條回流溫度曲線條件下CBGA256器件植球空洞量變化情況如圖8所示。該三條曲線的活化時間基本一致，而回流時間成倍增加，空洞檢測結(jié)果表明隨著回流時間的增加，焊點內(nèi)部空洞顯著降低。這說明回流時間對焊點內(nèi)部空洞的形成具有顯著影響，其主要原因可能是回流時間的增加可能為空洞的溢出提供了充分的時間。

5 結(jié)論

綜上所述，回流溫度曲線的設(shè)定對CBGA植球空洞的形成及空洞率有顯著影響，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）回流焊后焊點空洞主要集中于焊點邊緣處，整體呈現(xiàn)以焊點中心為圓心向外放射、空洞逐漸增多的趨勢；（2）隨著回流過程中加熱時間延長，焊點空洞的數(shù)量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，加熱時間過短，形成的空洞明顯增加，而加熱時間過長不利于助焊劑殘留的排出造成空洞增多；（3）回流時間的增加有利于回流過程中熔化焊料內(nèi)部空洞的溢出。

[1]張成敬，王春青.陶瓷陣列封裝的兩種形式及其接頭可靠性[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，139：10-17.

[2]邱寶軍，周斌.熱循環(huán)條件下空洞對PBGA焊點熱疲勞壽命的影響[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008,33（7）：567-570.

[3]江進(jìn)國，毛志兵，等.BGA焊點氣孔對可靠性的影響及其改善措施[J].焊接技術(shù)，2007,36（4）：66-69.

[4]王文利，梁永生.BGA空洞形成的機(jī)理及對焊點可靠性的影響[J].電子工藝技術(shù)，2007,28（3）：157-162.