基于自組裝成品率的球柵陣列焊點工藝參數(shù)分析

陳軼龍　賈建援　付紅志　朱朝飛

1. 西安電子科技大學(xué)，西安,710071　2. 中興通訊股份有限公司，深圳,518000

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基于自組裝成品率的球柵陣列焊點工藝參數(shù)分析

陳軼龍1賈建援1付紅志2朱朝飛1

1. 西安電子科技大學(xué)，西安,7100712. 中興通訊股份有限公司，深圳,518000

為了提高球柵陣列焊點封裝器件的自組裝成品率，研究了焊點體積偏差率及焊盤直徑對器件自組裝成品率的影響?？紤]封裝器件的溫度翹曲變形、焊點體積的不可避免的制造誤差及焊點位置的隨機(jī)性，分析了器件自組裝過程。通過求解不同體積焊點的形態(tài)，得到了不同體積焊點的液橋剛度曲線。基于不同體積焊點的液橋剛度曲線，仿真分析了焊點體積偏差率及焊盤直徑對器件自組裝成品率的影響。結(jié)果表明，焊點體積偏差率及焊盤直徑的減小會增大焊點液橋剛度曲線的公共范圍，從而提高器件的自組裝成品率。

球柵陣列封裝；成品率；焊盤直徑；體積偏差率

0　引言

封裝尺寸的逐漸減小及封裝密度的不斷增大使得自組裝的過程很難通過肉眼觀察。因此，如何保證自組裝過程的可靠性、提高焊接成品率成為業(yè)界研究的重點問題[1]。由于當(dāng)前大多主要封裝都采用球柵陣列(BGA)焊點形式，故BGA焊點群的自組裝可靠性顯得尤為重要。

BGA焊點的橋連、開路及球窩(head-in-pillow，HIP)現(xiàn)象是PoP 封裝的主要焊接失效形式[2]。球窩缺陷是由釬料的熔化和凝固溫度不同步或界面污染造成的[3]。由于無鉛焊接的溫度高，而芯片封裝體與基板的熱膨脹系數(shù)(CTE)相差較大，故容易產(chǎn)生翹曲變形，從而導(dǎo)致在焊接組裝中，橋連、開路焊接缺陷的發(fā)生率明顯增加。但是，對于大多數(shù)封裝形式，器件的翹曲變形是不可避免的?？紤]焊點體積的不可避免的制造誤差及器件的熱翹曲變形，不同體積的焊點需要在器件的任意位置適應(yīng)不同的器件翹曲變形量才能達(dá)到較高的焊接成品率[4]。

本文對電子器件自組裝的整個工藝過程進(jìn)行分析，考慮封裝器件隨溫度變化的翹曲變形、焊點體積不可避免的制造誤差以及焊點位置的隨機(jī)性、自組裝過程中不同位置焊點形態(tài)及受力的變化，通過數(shù)值仿真，分析不同體積焊點的高度范圍及其對應(yīng)的受力關(guān)系，為大量焊點的自組裝的仿真分析提供參考。最后，分析焊點體積偏差率及焊盤直徑對器件自組裝成品率的影響，提出焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh的概念，為焊點自組裝成品率提供直接分析指標(biāo)，得到提高器件成品率的方法。

1　封裝器件的自組裝過程分析

1.1考慮器件翹曲變形的器件自組裝過程

因器件各層材料熱膨脹系數(shù)存在差異，故器件會發(fā)生溫度翹曲變形，以至于有些焊料液橋會承受拉力，而有些焊料液橋則承受壓力。由于器件材料與印制電路板(PCB)熱膨脹系數(shù)不同，PCB在再流焊過程中經(jīng)受高的再流峰值溫度時，器件基體因釬料表面張力的作用翹曲變得更嚴(yán)重。在室溫下開始加熱后，器件先是凹形翹曲[5]；隨著焊接溫度的逐漸升高，器件封裝體變軟，伴隨著釬料和BGA釬料球的熔融，釬料表面張力增大，拉動器件封裝體周邊向下坍塌；隨著器件的冷卻，器件會由凹形翹曲變?yōu)橥剐温N曲。

再流焊接工藝過程中，器件在回流爐中按照設(shè)定好的回流溫度曲線進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到焊料的熔融溫度時，BGA焊球及焊膏將會熔化成為熔融狀態(tài)，在器件之間形成液橋群。在焊料液橋表面張力的作用下完成器件的自對準(zhǔn)及自組裝過程，當(dāng)器件的所有焊點液橋承受的力的總和與器件自身的重力達(dá)到力平衡狀態(tài)時，器件就達(dá)到了自組裝平衡態(tài)，表達(dá)式為

(1)

式中，G為器件的重力；W(i)為各焊點液橋所承受的力；N為焊點數(shù)。

達(dá)到自組裝平衡態(tài)的器件經(jīng)過降溫冷卻最終完成器件的自組裝過程[6]。

當(dāng)器件進(jìn)入設(shè)定好的回流爐時，會經(jīng)歷升溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)4個階段。在升溫區(qū)和預(yù)熱區(qū)時，焊料并沒有完全融化，此時的焊點仍處于固態(tài)，并沒有起到將芯片與PCB剛性相連的作用。當(dāng)器件進(jìn)入回流區(qū)時，焊料才能夠完全進(jìn)入熔融狀態(tài)，完成芯片的自組裝過程。進(jìn)入冷卻區(qū)后，焊點開始固化，將器件與PCB剛性連接。

在這個過程中，考慮到焊球的不可避免的制造誤差及器件的翹曲變形，可能導(dǎo)致小焊點開路和相鄰大焊點橋連的焊接缺陷。實驗證明，釬料球發(fā)生開路及橋連缺陷的概率與焊接峰值溫度有關(guān)。高于熔點的溫度越高，產(chǎn)生橋連和開路缺陷的可能性越大。由器件的翹曲變形導(dǎo)致的焊點開路、橋連缺陷如圖1所示。

圖1　焊點的開路與橋連缺陷

1.2焊點體積偏差及焊點位置的隨機(jī)性

PCB及芯片器件基板底部的BGA是由焊料金屬液滴形態(tài)冷卻固化形成的，需要采用錫膏印刷技術(shù)。在印刷模版上設(shè)計制作漏印網(wǎng)孔，用錫膏印刷機(jī)將焊膏刮壓(或輥壓)入漏印板網(wǎng)孔中，完成剝離印刷模版的脫模工序后，錫膏漏印粘結(jié)在基板焊盤上。在回流爐中加熱后，焊劑液化、沸騰、揮發(fā)后，存留聚合在一起的金屬焊料構(gòu)成一定的金屬液體焊球形態(tài)，金屬不易揮發(fā)直至在固體平面上冷卻為固化焊球。

引起 “不完全印刷缺陷”的因素很多，可用脫模后的實際印刷體積與理想漏印板孔容積的比值作為計量參數(shù)，稱為填充率(或稱為脫模比)。錫膏印刷機(jī)的工藝參數(shù)對錫膏刮入漏印板孔的填充率(脫模比)有影響，往往要通過試驗反復(fù)調(diào)整修改才能最終確定工藝參數(shù)。錫膏印刷機(jī)技術(shù)的典型工藝參數(shù)有脫模時間、漏印模板厚度、刮刀速度、刮刀壓力、脫模分離速度、脫模距離、刮刀傾斜角、印刷精度[7]，它們對填充率產(chǎn)生影響，通過控制調(diào)整錫膏印刷機(jī)印刷工藝參數(shù)可以改善印刷效果。因錫膏有黏度，故脫模時可以將涂覆在網(wǎng)版孔壁的錫膏粘連帶走。通常網(wǎng)版開孔越小，印刷速度應(yīng)該越慢，才能保證足夠的填充率，但過慢的速度會影響生產(chǎn)線節(jié)拍導(dǎo)致效率下降。

由于印刷機(jī)刮刀與漏印模版剝離脫模粘黏焊料存在隨機(jī)性，故焊球的體積會有不可避免的制造誤差。最大的體積偏差可能達(dá)到50%～60%?？紤]到焊點在器件中位置分布的隨機(jī)性，當(dāng)體積小的焊點遇到翹曲量較大的位置，則容易發(fā)生開路缺陷；當(dāng)體積較大的焊點分布在翹曲量較低的位置，則容易產(chǎn)生橋連導(dǎo)致短路。要提高器件自組裝的成品率，就需要保證不同體積的焊點分布在不同的位置都能成功焊接。

在器件的自組裝分析過程中，假定焊點體積在正常誤差內(nèi)以正態(tài)分布的規(guī)律分布，而每個不同體積的焊點對應(yīng)在器件上的位置分布則是隨機(jī)的，這樣就可以模擬實際生產(chǎn)過程中的具體情況。按照焊點位置，對每個焊點進(jìn)行編號，這樣每個獨(dú)立體積的焊點及位置就有了對應(yīng)關(guān)系。

自組裝過程，實際上是在回流爐中使焊點隨著溫度的變化，由固態(tài)變化為熔融狀態(tài)將上下器件連接起來，再冷卻為固態(tài)的一個過程。考慮器件的對稱性，按照1/4器件進(jìn)行仿真分析，在自組裝的坐標(biāo)系下，焊點液橋的間距如圖2所示。

圖2　翹曲坐標(biāo)w與自組裝坐標(biāo)z的變換關(guān)系示意圖

圖2中，r為距器件中心的距離。每個單獨(dú)焊點液橋的高度為

zui=wmax+zu0-wii=1,2,…,N

(2)

其中，wmax為器件隨溫度變化的最大翹曲位移，wi為第i個焊點處的器件隨溫度變化的翹曲位移，zu0為自組裝平衡位置，也表示著上器件翹曲變形位移最大的位置距下器件的距離。根據(jù)焊點位置的編號，找到所有對應(yīng)位置焊點的體積，依據(jù)特定焊點體積下焊點受力與焊點高度的關(guān)系尋找能使式(1)達(dá)到平衡的自組裝平衡位置zu0。

2　自組裝成品率仿真分析

2.1焊點受力與焊點高度的關(guān)系

Young-Laplace方程可以描述靜態(tài)液滴在沒有容器時的形態(tài)。在柱坐標(biāo)系下 Young-Laplace 方程為

(3)

式中，ρ、ρ′分別為焊點液橋曲面的兩個主曲率半徑；p為液態(tài)焊點內(nèi)部壓力；T為焊點液橋的表面張力。

給定表面張力T、密度ρ0、焊點承載力W和焊點初始體積V0, 使用MATLAB軟件通過龍格-庫塔方法可以得到焊點的形態(tài)[8]。相同體積的焊點在不同的翹曲間距下，焊點的形態(tài)并不相同，同時焊點的受力也不相同。圖3和圖4分別為通過MATLAB軟件求解得到的三維凹形焊點及三維凸形焊點。

圖3　三維凹形焊點形態(tài)

圖4　三維凸形焊點形態(tài)

一個特定體積的液態(tài)焊點在不同的承載力下可以擁有無限種可能的形態(tài)。然而，由于焊盤等邊界條件及節(jié)距的限制，它的最大高度和最小高度是有限的，通過求解不同高度的焊點的形態(tài)，可以得到焊點高度與承載力的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5　焊點高度與承載力關(guān)系

在圖5中，橫坐標(biāo)限制了一個特定體積的焊點在特定邊界條件下的高度范圍，對應(yīng)的縱坐標(biāo)則為對應(yīng)高度時焊點的承載力。我們定義這個表征焊點高度與其承載力關(guān)系的曲線為焊點液橋剛度曲線?？紤]到焊點體積的不可避免的制造誤差，可以得到不同焊點體積的液橋剛度曲線，如圖6所示。圖6中的焊點液橋剛度曲線從左至右體積依次增大。

圖6　不同焊點體積的液橋剛度曲線

由圖6可以看出，焊點體積不同時，焊點高度的范圍是不相同的，而圖中hh為不同焊點體積的焊點液橋高度的共同范圍。考慮到不同體積焊點的位置的隨機(jī)性，這個焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh越大，器件的自組裝成品率就越高。

2.2BGA焊點體積偏差對自組裝成品率的影響

本文對中興通訊股份有限公司提供的某型號的封裝器件的BGA焊點進(jìn)行仿真分析，其封裝節(jié)距為0.4 mm，其器件在固化溫度下的最大翹曲變形量為58.1 μm[9]。

器件上分布著904個焊點。考慮器件的對稱性，按照1/4器件進(jìn)行仿真分析。焊點未知的分布如圖7所示，器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖7　1/4器件的焊點分布圖

器件長(mm)器件寬(mm)BGA陣列長(mm)BGA陣列寬(mm)焊點節(jié)距(mm)焊點體積均值(mm3)141413130.41.4165×10-2

基于1.3節(jié)得到的不同體積焊點的液橋剛度曲線，由式(1)和式(2)可快速得到自組裝結(jié)果。根據(jù)最后得到的自組裝平衡位置zu0、各個位置焊點的體積及其對應(yīng)焊點高度，可以在焊點液橋剛度曲線庫中找到所有焊點對應(yīng)的位置，如圖8所示。由圖8可以看出焊點體積的分布規(guī)律及焊點受力情況。如果焊點超出焊點液橋剛度曲線的范圍，則認(rèn)為焊點發(fā)生失效。當(dāng)某個焊點超出該體積焊點液橋剛度左端邊界時，認(rèn)為該焊點被壓至過低而發(fā)生短路；當(dāng)某個焊點超出該體積焊點液橋剛度右端邊界或受力為0時，認(rèn)為該焊點被拉斷而發(fā)生斷路。此時會記錄短路或斷路焊點的位置編號。當(dāng)器件中有焊點發(fā)生短路或斷路失效時，認(rèn)定該器件自組裝失敗。自組裝失敗時的各焊點的焊點高度及受力關(guān)系如圖9所示。

圖8　各焊點的焊點高度及受力關(guān)系圖

圖9　失效器件自組裝結(jié)果

表2為在焊點體積均值為1.4165×10-2mm3的不同體積偏差率下對1000個器件進(jìn)行的自組裝成品率分析的結(jié)果。其中，不同體積大小的焊點的分布概率按照正態(tài)分布的概率分布，不同體積大小的焊點的位置按照隨機(jī)分布形式[10]。

表2　不同焊點體積偏差率的自組裝成品率

由表2中的結(jié)果可以看出，隨著焊點體積偏差率的減小，焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh逐漸增大，從而器件的自組裝成品率也隨之提高?？梢钥闯觯?dāng)焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh大于器件的最大翹曲變形量時，器件的自組裝成品率將達(dá)到100%，這為焊點體積的控制提供了一個目標(biāo)。

2.3焊盤直徑對自組裝成品率的影響

焊點體積和焊盤尺寸都是在特定功能的器件設(shè)計完成之后可以設(shè)計的工藝參數(shù)，焊盤的尺寸對焊點的形態(tài)也有較大的影響，在焊點體積均值為1.4165×10-2mm3、最大焊點體積偏差為36.88%不變，改變焊盤直徑的情況下對1000個器件進(jìn)行的自組裝成品率分析結(jié)果如表3所示。

表3　不同焊盤直徑下的自組裝成品率

由表3 的結(jié)果可以看出，當(dāng)焊點體積偏差不可避免時，適當(dāng)?shù)販p小焊盤的直徑也可以增大焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh，從而提高器件的自組裝成品率。

3　結(jié)論

(1)不同焊點體積的焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh對器件自組裝成品率起著決定性作用。當(dāng)hh大于器件的最大翹曲變形量時，器件的自組裝成品率可以達(dá)到100%。

(2)焊點體積偏差率對器件的自組裝成品率有著顯著的影響。提高工藝水平，降低焊點體積的最大偏差率，可以增大焊點液橋剛度曲線的共同范圍hh，從而提高器件的自組裝成品率。

(3)焊盤直徑對器件的自組裝成品率也有著明顯的影響，焊點體積偏差率不變的情況下，減小焊盤直徑可以提高器件的自組裝成品率。

(4)該方法為工藝參數(shù)的匹配提供了改善方向，可通過該方法對更多工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

(5)該方法可對不同封裝尺寸類型的產(chǎn)品提供一種理論設(shè)計方法。對于不同封裝尺寸類型的器件，其翹曲變形量及焊點液橋剛度曲線庫會有所不同，需重新計算，但是方法具有通用性，可以降低試驗成本，提高成品率。

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(編輯袁興玲)

Analyses of Processing Parameters of BGA Solder Joint Based on Yield of Self-assembly

Chen Yilong1Jia Jianyuan1Fu Hongzhi2Zhu Zhaofei1

1.Xidian University,Xi’an,7100712.ZTE Corporation,Shenzhen，Guangdong,518000

The influences of the deviation rates of volume of the solder joints and diameters of pads on the yield of self-assembly were studied to improve the yield of BGA components. Considering the thermal warpage, the unavoidable deviations in the manufacture of the volume of solder joints and the randomness of the positions of solder joints, the processes of self-assembly were discussed. The stand-off curves of solder joints with different volumes were obtained according to solving the shapes of solder joints. Based on the stand-off curves of solder joints, the influences of the deviation rates of volumes of the solder joints and diameters of pads on the yield of self-assembly were simulated. The common range of the stand-off curves of solder joints and the yield are increasing with the decreasing of the deviation rates of volumes of the solder joints and diameters of pads.

ball grid array(BGA) package; yield; diameter of pad; deviation rate of volume

2016-06-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(61201021)

TG454

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.017

陳軼龍，男，1988年生。西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向為電子封裝可靠性。賈建援，男，1952年生。西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。付紅志，男，1979年生。中興通訊股份有限公司高級工程師。朱朝飛，男，1984年生。西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士。