大尺寸CBGA高鉛焊接在溫度循環(huán)下焊點(diǎn)可靠性的研究

卜瑩　孫軼　馮倩

摘 要：大尺寸陶瓷封裝焊球陣列封裝（Ceramic Ball Grid Array，簡(jiǎn)稱(chēng)CBGA）器件，在使用過(guò)程中焊點(diǎn)容易產(chǎn)生裂紋，對(duì)大尺寸CBGA的可靠性以及焊接質(zhì)量造成影響。為了更好地分析并解決此類(lèi)問(wèn)題，在特定情況下，從樣件的試驗(yàn)狀態(tài)到大尺寸CBGA器件焊點(diǎn)產(chǎn)生裂紋的全過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并介紹了試驗(yàn)驗(yàn)證條件和焊接后焊點(diǎn)金相切片的情況。在此基礎(chǔ)上，給出了焊點(diǎn)可靠性降低的原因和器件使用建議。

關(guān)鍵詞：大尺寸CBGA器件；回流曲線(xiàn)；網(wǎng)板開(kāi)孔

由于電子產(chǎn)品密度越來(lái)越高，體積越來(lái)越小、重量越來(lái)越輕等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越凸顯，預(yù)示著表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，簡(jiǎn)稱(chēng)SMT）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是安裝在航空、航天等對(duì)可靠性較高設(shè)備中的電子產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品環(huán)境要求較高，對(duì)元件的可靠性要求非常高。近年出現(xiàn)的大尺寸CBGA由于其精度高、靈活性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、容易大規(guī)模集成、可獲得高性能指標(biāo)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種高速輸入/輸出計(jì)算領(lǐng)域中，深受設(shè)計(jì)者的青睞，但由于封裝尺寸較大，邊緣焊點(diǎn)到中心的距離較遠(yuǎn)，同時(shí)陶瓷基板和 PCB板的熱膨脹系數(shù)CTE相差較大，導(dǎo)致大尺寸CBGA焊點(diǎn)失效概率較大。一旦失效，造成的經(jīng)濟(jì)損失更慘重，因此焊點(diǎn)可靠性需要進(jìn)一步研究。

1 大尺寸CBGA簡(jiǎn)介

在BGA封裝系列中，按照封裝的不同，BGA可分為PBGA（塑料封裝）和CBGA（陶瓷封裝），CBGA的歷史最長(zhǎng)，它的基板是多層陶瓷，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上，用以保護(hù)芯片、引線(xiàn)及焊盤(pán)。

CBGA的優(yōu)點(diǎn)是氣密性好，抗?jié)駳庑阅芨?，因而封裝組件的長(zhǎng)期可靠性高。大尺寸CBGA繼承了CBGA的所有優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是由于陶瓷基板相對(duì)較重，PCB與芯片陶瓷基板熱膨脹不匹配，導(dǎo)致焊點(diǎn)應(yīng)力，焊點(diǎn)容易出現(xiàn)裂縫。

2 試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)所用PCB選用外形尺寸174mm×95mm，厚度為2mm的8層板。大尺寸CBGA器件選用焊球材料成分為Pb90Sn10，高鉛焊球直徑為0.76mm，焊球間距為1.27mm。

使用焊盤(pán)計(jì)算軟件，對(duì)大尺寸CBGA的高鉛焊盤(pán)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)的印制板焊盤(pán)直徑設(shè)計(jì)為0.90mm。

試驗(yàn)過(guò)程所需網(wǎng)板依據(jù)IPC-7095C《BGA設(shè)計(jì)和組裝工藝的實(shí)施》中網(wǎng)板的開(kāi)孔尺寸的通用要求，寬厚比=W/T>1.5，面積比= L×W/2（L+W）T

>0.66，網(wǎng)板開(kāi)孔寬度和厚度示意圖如圖1所示，錫膏體積滿(mǎn)足表1所示要求。

3 焊接過(guò)程

針對(duì)高鉛焊球焊接，印刷完成后的錫膏，使用50倍放大鏡檢查印刷結(jié)果，結(jié)果顯示錫膏印刷無(wú)漏印、橋連、少錫。樣件制作過(guò)程使用標(biāo)準(zhǔn)的SMT 設(shè)備和工藝將CBGA 封裝組裝到印制電路板上。

焊接過(guò)程按照IPC-7095C標(biāo)準(zhǔn)要求，在驗(yàn)證樣板上對(duì)應(yīng)芯片焊球處布置熱電偶，熱電偶布局實(shí)物圖如圖2所示，使用專(zhuān)用溫度測(cè)量工具對(duì)回流曲線(xiàn)進(jìn)行了確認(rèn)，回流曲線(xiàn)確認(rèn)結(jié)果如圖3所示。

4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)大尺寸CBGA驗(yàn)證板進(jìn)行加電測(cè)試，溫度試驗(yàn)條件為：溫度循環(huán)試驗(yàn)條件：溫度循環(huán)范圍-55℃～100℃，溫變速率為10℃/min，極值溫度保持時(shí)間為15min，每個(gè)循環(huán)61min。溫度循環(huán)曲線(xiàn)如圖4所示。 在進(jìn)行第237次溫度循環(huán)升溫加電測(cè)試時(shí)，大尺寸CBGA器件測(cè)試報(bào)故。光學(xué)檢測(cè)周邊焊點(diǎn)，顯示焊點(diǎn)靠近芯片焊盤(pán)側(cè)存在嚴(yán)重開(kāi)裂，光學(xué)檢測(cè)裂紋照片如圖5所示。金相切片照片如圖6所示。至此，試驗(yàn)終止。

5 結(jié)論

在高低溫溫度循環(huán)過(guò)程中熱膨脹引起變形量公式為：

ΔL=α×ΔT×L

其中，α為材料熱膨脹系數(shù)，ΔT為溫度變化，L為材料長(zhǎng)度。

通過(guò)公式可得出：減小α、ΔT、L，可提高焊點(diǎn)可靠性。

通過(guò)上述試驗(yàn)證明，在材料α不變的情況下，材料長(zhǎng)度L增加、溫度變化嚴(yán)酷的情況下，降低了焊點(diǎn)可靠性，會(huì)加速大尺寸CBGA器件焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋。

大尺寸CBGA器件使用建議如下：

1）大尺寸CBGA器件的焊球設(shè)計(jì)，不適合在惡劣環(huán)境條件下使用；

2）增加基板熱膨脹系數(shù)：使用較高熱膨脹系數(shù)的HITEC基板；

3）增加大尺寸CBGA器件焊接高度，采用焊柱進(jìn)行焊接。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙國(guó)玉.BGA焊接可靠性分析及工藝改進(jìn).兵工自動(dòng)化，2010，3.

[2] IPC-7095C.BGA設(shè)計(jì)和組裝工藝的實(shí)施，2013.