波峰焊對BGA焊點的影響

黃智丹，張森，許永號，郭麗鵑

（北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的要求也在不斷提高，這就促使電子產(chǎn)品向小型化、輕型化和高性能的方向發(fā)展。因此，在眾多封裝器件中，廣大電子工程師更青睞于高密度、高性能、細節(jié)距、高Ι/O端數(shù)的焊球陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）的芯片[1-2]。然而，對于性能較高的電子產(chǎn)品來說，其電路大多比較復(fù)雜，在一塊電路中經(jīng)常會涉及到表面貼裝元器件和插裝元器件的混合使用。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家都采用回流焊和波峰焊相結(jié)合的方式完成這類電子產(chǎn)品的加工。對于同時含有BGA封裝的芯片和插裝類器件的混裝工藝來說，要先使用回流焊對BGA等表貼器件進行焊接，再使用波峰焊對插裝類器件進行焊接[3]。由于BGA封裝的芯片經(jīng)過回流焊接和波峰焊接的兩次高溫加熱易造成芯片焊點開裂和二次熔融，而且對BGA芯片進行返修時比較困難，所以對于同時含有BGA封裝的芯片和較多插裝類器件的印制板來說，有必要研究其混裝工藝來保證BGA焊點的可靠性。

1 BGA的焊接工藝

BGA封裝的芯片的焊接工藝是通過回流焊接來實現(xiàn)的。回流焊接工藝的工作原理就是通過融化預(yù)先印刷在印制板焊盤上的錫膏，將表面貼裝器件的引腳和印制板的焊盤連接起來的工藝，整個焊接過程不再添加額外的焊料?；亓骱笭t的溫度曲線值是回流焊工藝最重要的一個技術(shù)參數(shù)，只有調(diào)試好回流焊爐的溫度曲線才能焊接出質(zhì)量合格的電子產(chǎn)品。

1.1 BGA芯片的焊接工藝

探索BGA封裝的芯片回流焊溫度曲線的步驟如下：環(huán)境準(zhǔn)備、材料準(zhǔn)備、程序準(zhǔn)備、錫膏攪拌、錫膏印刷、印刷檢驗、BGA貼片、BGA焊接、裝配熱電偶、溫度曲線調(diào)試。

理想的回流焊溫度曲線通常由4個溫區(qū)組成，即升溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)、冷卻區(qū)[4]。升溫區(qū)通常指由室溫升至約150 ℃的區(qū)域，主要是讓焊錫膏中的部分溶劑揮發(fā)，使元器件緩慢升溫，一般根據(jù)元器件大小的差異程度調(diào)整時間，以使升溫速率在2 ℃/s以下為最佳。保溫區(qū)的溫度一般維持在130～160 ℃之間，進一步去除錫膏中的揮發(fā)物，激活活化劑，去除焊接表面的氧化物，通常保溫區(qū)的維持時間約60～120 s。載有元器件的印制板進入焊接區(qū)后迅速升溫，印制板表面溫度瞬時（25～30 s）達到峰值（210 ～230 ℃），焊接時間約為30～80 s，在此溫區(qū)，焊錫膏很快融化，并迅速潤濕焊盤，焊錫膏中的錫與焊盤中的金或銅由于擴散作用而形成金屬間化合物，焊接區(qū)的升溫速率控制在2.5～3 ℃/s。在冷卻區(qū)，焊點迅速降溫，焊錫膏凝固，降溫速率一般低于4 ℃ /s。

根據(jù)以上回流焊溫度曲線的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，采用3個熱電偶分別對應(yīng)印制板上表面、下表面和BGA芯片中心焊點溫度。經(jīng)過多次實驗調(diào)整回流溫度曲線的升溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)、冷卻區(qū)溫度，得到如圖1所示的溫度曲線。

圖1 回流焊溫度曲線Fig.1 Reflow soldering temperature curve

分析圖1可知，就升溫區(qū)的最大升溫斜率而言，印制板上表面為1.25 ℃/s，印制板下表面為1.27 ℃/s，BGA芯片中心焊點為1.16 ℃/s，都小于 2℃/s；對于保溫區(qū)的維持溫度（130～160 ℃）而言，印制板上表面維持時間約為74 s，印制板下表面維持時間約為75 s，BGA芯片中心焊點維持時間約為77 s，都滿足保溫區(qū)維持時間（60～120 s）；對于焊接區(qū)來說，印制板上表面的峰值溫度為約220 ℃，焊接時間約為68 s，印制板下表面的峰值溫度為約223 ℃，焊接時間約為74 s，BGA芯片中心焊點的峰值溫度為約219 ℃，焊接時間約為68 s，峰值溫度均在210～230 ℃之間，焊接時間也在30～80 s之間，故其基本滿足設(shè)定回流焊溫度曲線的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)測試得出的溫度曲線，設(shè)置回流焊各個溫區(qū)的溫度，以進行BGA芯片的焊接。其焊接流程包括：環(huán)境準(zhǔn)備、材料準(zhǔn)備、程序準(zhǔn)備、錫膏攪拌、錫膏印刷、印刷檢驗、BGA貼片、BGA焊接、清洗[5]。

1.2 BGA焊點金相分析

金相分析采用的是定量金相學(xué)原理，是研究金屬材料的重要方法之一。金相實驗流程包括對印制板進行取樣、對試樣進行處理和灌封、對試樣進行研磨和拋光以及對試樣進行觀測[6-7]。

對BGA芯片進行金相分析，得到BGA芯片角焊點、中心焊點和邊中心焊點的合金層厚度分別為2.56 μm、1.32 μm和 1.21 μm。其中，BGA芯片角焊點局部放大圖如圖2所示。

圖2 BGA芯片角焊點局部放大圖Fig.2 BGA chip fillet welds partial enlargement

根據(jù)業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，錫鉛焊料與焊盤形成的合金層厚度在0.5～4 μm之間的為良好焊點。由金相分析實驗可知，錫鉛焊料與印制板焊盤、BGA芯片焊盤所形成的合金層厚度均在0.5～4 μm之間。由此可得：BGA芯片焊點在調(diào)試出的回流焊溫度曲線下進行回流焊接后具有良好的機械結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)裂紋和較大空洞等缺陷。

2 波峰焊溫度曲線的調(diào)試

波峰焊工藝是指通過將插有插裝類元器件的印制板經(jīng)過焊料波峰，將元器件引腳與印制板焊盤之間連接起來的工藝。和回流焊工藝一樣，波峰焊焊接前，要根據(jù)需要焊接的元器件的特征設(shè)置溫度曲線[8-10]。

理想的波峰焊溫度曲線通常由3個溫區(qū)組成，即預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)、冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)的溫度通常維持在130～160 ℃的區(qū)域，通常預(yù)熱區(qū)的維持時間約60～180 s。載有元器件的印制板進入焊接區(qū)后迅速升溫，焊接溫度在230～245 ℃之間，印制板經(jīng)過兩個波峰焊接的時間差不超過10 s。冷卻區(qū)的降溫斜率一般約為3～5 ℃/s。

波峰焊溫度曲線的調(diào)試和回流焊溫度曲線調(diào)試過程差不多，但其只需要兩個熱電偶傳感器，分別用紅膠和高溫膠將兩個熱電偶固定于印制板的上下兩個表面，將溫度曲線測試儀與熱電偶傳感器的另一端相連，來調(diào)試波峰焊溫度曲線。設(shè)定波峰焊的鏈條速度為80 cm/min，錫爐溫度為245 ℃。經(jīng)過測試，波峰焊溫度曲線如圖3所示。

圖3 波峰焊溫度曲線Fig.3 Wave soldering temperature curve

分析上述所得溫度曲線可知，在印制板下表面的預(yù)熱溫度約為145 ℃，在130～160 ℃之間，停留在預(yù)熱去的時間約為84 s，在60～180 s之間；焊接區(qū)的兩個波峰的熔融焊料的溫度都約為236 °C，在230～245 ℃之間；冷卻區(qū)的降溫斜率約為3 ℃/s ，在3～5 ℃/s之間，故其基本滿足設(shè)定波峰焊溫度曲線的標(biāo)準(zhǔn)。

3 BGA的有限元仿真與分析

為了找到在調(diào)試出的波峰焊溫度曲線下對插裝器件進行焊接的過程中，BGA芯片焊點受到最大等效應(yīng)力的位置并判斷BGA焊點是否會發(fā)生二次熔融現(xiàn)象，本文利用ANSYS Workbench仿真軟件對BGA經(jīng)歷波峰焊焊接過程進行瞬態(tài)熱分析和線性靜應(yīng)力分析[11-12]。

3.1 BGA瞬態(tài)熱分析

對BGA封裝的芯片運用ANSYS仿真軟件進行瞬態(tài)熱分析[13-15]，得到在整個波峰焊工藝流程中，錫鉛焊點最高溫度發(fā)生在BGA芯片角焊點位置，最高溫度為159 ℃，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 BGA芯片角中心焊點溫度曲線Fig.4 BGA chip corner center solder joint temperature curve

圖5 BGA芯片角焊點的溫度曲線Fig.5 BGA chip corner joint temperature curve

使用同一測試板，在波峰焊溫度曲線下用溫度曲線測試儀對BGA角焊點的溫度進行測量，來驗證仿真數(shù)據(jù)，圖5為BGA角焊點的溫度曲線。

對圖5進行分析可知，BGA角焊點處的最高溫度為167 ℃，而瞬態(tài)熱分析中，錫鉛焊點最高溫度發(fā)生在BGA芯片角焊點位置，最高溫度為159 ℃，相對誤差比較小，即對BGA芯片進行的瞬態(tài)熱仿真的結(jié)果是可靠的；由于錫鉛焊點的熔點溫度（Sn63/Pb37的熔點是183 ℃）大于錫鉛焊點波峰焊時的最高溫度，因此錫鉛焊點的二次熔融現(xiàn)象不會發(fā)生。

3.2 BAG熱應(yīng)力有限元仿真

圖6 BGA等效應(yīng)變云圖Fig.6 BGA equivalent strain cloud map

圖7 BGA等效應(yīng)力分布云圖Fig.7 BGA equivalent stress distribution cloud map

對BGA芯片經(jīng)過波峰焊過程進行線性靜應(yīng)力分析，仿真結(jié)果如圖6、7所示。

由等效應(yīng)變云圖可知，最大應(yīng)變出現(xiàn)在印制板的角焊盤位置，沿芯片對角線方向，由芯片邊角到芯片中心，BGA芯片的等效應(yīng)力慢慢減?。挥傻刃?yīng)力云圖可知，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在印制板角焊盤位置，沿芯片對角線方向，由芯片邊角到芯片中心，BGA芯片等效應(yīng)力慢慢減??；在與印制板焊盤和BGA芯片焊盤的連接部分焊點等效應(yīng)力比較集中。

4 BGA焊點的金相分析

為了使試驗結(jié)果更可靠，對經(jīng)歷過波峰焊焊接之后的BGA芯片再次進行金相分析，得到BGA芯片中心焊點、邊中心焊點和角焊點的合金層厚度分別為1.14 μm、1.92 μm和1.39 μm，其中BGA芯片中心焊點金相分析結(jié)果如圖8所示。

由金相分析試驗可知，印制板焊盤、BGA芯片焊盤與錫鉛焊料所形成的合金層厚度均在0.5～4 μm之間。由此可得：BGA芯片焊點在經(jīng)過波峰焊后具有良好的機械結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)裂紋和較大空洞等缺陷。

圖8 BGA芯片中心焊點局部放大圖Fig.8 BGA chip center solder joints partial enlargement

5 結(jié)論

通過對BGA芯片經(jīng)歷波峰焊的過程進行ANSTS仿真和金相分析，可得如下結(jié)論：

1）錫鉛焊點（Sn63/Pb37）的熔點是183 ℃，大于BGA芯片進行瞬態(tài)熱分析時焊點的最高溫度（159 ℃），故錫鉛焊膏的二次熔融現(xiàn)象不會發(fā)生。

2）由對BGA芯片經(jīng)過波峰焊過程進行的靜應(yīng)力分析可知，在BGA芯片角焊點處出現(xiàn)最大應(yīng)力，即BGA芯片焊點的薄弱點是BGA芯片角焊點處，可為金相分析提供參考。由此可知仿真結(jié)果是計較可靠的。

3）對應(yīng)力仿真結(jié)果與BGA芯片的金相分析結(jié)果進行分析，可知在此波峰焊溫度曲線下，BGA芯片焊點未出現(xiàn)二次熔融和開裂的現(xiàn)象。