CBGA器件組裝工藝和焊接方法

郭 影（西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

CBGA器件組裝工藝和焊接方法

郭 影
（西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

BGA器件由于其獨(dú)特的優(yōu)越性得到了越來越廣泛的應(yīng)用。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。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，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。本文就焊盤設(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。

塑料封裝BGA；組裝工藝；焊接方法

1 BGA器件特點(diǎn)簡(jiǎn)介

（1）BGA的主要優(yōu)點(diǎn)：

沒有器件引腳彎曲的問題，共面性較好。

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。

焊球的表面張力可以使器件在回流焊過程中自動(dòng)校正。

良好的電性能和熱性能。

互連密度較高。

（2）BGA的主要缺點(diǎn)：

需要X射線設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)成本較高。

返修較困難，返修后的器件一般不再使用。

（3）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?；逑卤砻嬗?3/37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?/p>

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1（a）是為課題設(shè)計(jì)的工藝試驗(yàn)板；圖1 （b）為CBGA器件的內(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。

圖1

2.1 焊盤設(shè)計(jì)

BGA封裝器件的焊盤，節(jié)距大于等于0.8 mm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0.8 mm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 CBGA焊盤設(shè)計(jì)要求。

圖2

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，焊接后在易出現(xiàn)橋連，導(dǎo)致焊接失敗。焊膏量過多，焊接后在易出現(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0.15 mm，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良好的印刷焊膏圖形。

圖3

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)，表1為典型溫度曲線要求。

表1 典型溫度曲線要求

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。

案例：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。

圖5

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)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；阻值連續(xù)變化須少于10%（在室溫下測(cè)試）。

3.4 溫度循環(huán)測(cè)試

說溫度循環(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)次溫度循環(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)。

總結(jié)：通過試驗(yàn)，認(rèn)為合理的工藝設(shè)計(jì)及工藝管理，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)。

[1]顧靄云等. 表面組裝技術(shù)(SMT)基礎(chǔ)與通用工藝, 2014.

[2]賈忠中. SMT核心工藝解析與案例分析(第2版), 2013.

郭影，從事電子裝聯(lián)工藝技術(shù)。工作期間對(duì)各類電裝疑難問題深入開展實(shí)驗(yàn)，注重基礎(chǔ)工藝研究，致力于電裝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定與維護(hù)，編制了10余項(xiàng)所級(jí)電裝標(biāo)準(zhǔn)。2011年系統(tǒng)參加了IPC系列課程的培訓(xùn)，取得了五項(xiàng)IPC認(rèn)證培訓(xùn)師。

Assembly process and solder method of the CBGA device

GUO Ying

The BGA components are widely adopted due to its unique superiority with the development of portability, miniaturization and high performance of modern electronic products. With smaller pitch,much more complicated soldering and assembling procedure, higher requirement of process, expensive inspection devices, the inspection of soldering quality is relatively difficult. The requirement of first-pass yield is extreme strict, which will set higher level of requirements for soldering process control. The pad design, control of solder paste quantity, requirement of handling accuracy, soldering method of BGA component, temperature curve, the selection of surface condition of soldering joints are studied, and guarantee of the quality and reliability of CBGA component by process control is described.

Plastic Package BGA; Assembly Process; Soldering Method

TN41

A

1009-0096（2015）05-0051-04