CBGA焊接過(guò)程關(guān)鍵控制點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)

閆玉芳

摘要：CBGA通常也稱(chēng)作SBC（SolderBallCarrier），是BGA封裝的第二種類(lèi)型。CBGA的硅片連接在多層陶瓷載體的上表面，硅片與多層陶瓷載體的連接可以有兩種形式，第一種是硅片線路層朝上，采用金屬絲壓焊的方式實(shí)現(xiàn)連接，另一種則是硅片的線路層朝下，采用倒裝片結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)硅片與載體的連接。硅片連接完成之后，對(duì)硅片采用環(huán)氧樹(shù)脂等填充物進(jìn)行包封以提高可靠性和提供必要的機(jī)械防護(hù)。

關(guān)鍵詞：CBGA;焊接過(guò)程;關(guān)鍵控制點(diǎn);工藝設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

BGA按封裝基板材料分主要有4種基本類(lèi)型：PBGA、EBGA、CBGA和TBGA。為了滿足多引腳、高散熱能力、高頻、低損耗、小型和薄形等各種特殊需要，每種BGA又派生出了許多新的形式。CBGA的芯片連接在多層陶瓷載體的上表面，芯片與多層陶瓷載體的連接可以有兩種形式：（1）是芯片的電極面朝上，采用金屬絲壓焊的方式實(shí)現(xiàn)連接;（2）是芯片的電極朝下，采用倒裝片方式來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與載體的連接。芯片連接固定之后，采用環(huán)氧樹(shù)脂等灌封材料對(duì)其進(jìn)行封裝以提高其可靠性，提供必要的機(jī)械防護(hù)。

1CBGA的主要特點(diǎn)分析

（1）CBGA的主要優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有器件引腳彎曲的問(wèn)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(wèn)題。焊球的表面張力可以使器件在回流焊過(guò)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（PlasticBGA，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（CeramicBGA，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(guò)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?CBGA的缺點(diǎn)：和環(huán)氧樹(shù)脂電路板的熱膨脹系數(shù)不同、熱匹配性差;通過(guò)封裝體邊緣對(duì)準(zhǔn)比較困難;封裝成本相對(duì)較高。

2CBGA焊接過(guò)程關(guān)鍵控制點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1焊盤(pán)設(shè)計(jì)與焊膏量控制

相對(duì)于普通的PBGA來(lái)說(shuō)，焊球的高度隨著焊盤(pán)直徑的增加而降低，焊接的輪廓也由燈籠形變?yōu)閳A錐形，當(dāng)其與BT基底焊盤(pán)直徑相當(dāng)時(shí)，焊點(diǎn)的剪切斷裂載荷、彎曲疲勞壽命和熱沖擊疲勞壽命達(dá)到最大值。這是由于普通PBGA焊球焊接的“二次塌落”決定的。然而對(duì)于CBGA而言，由于本身器件的特性，沒(méi)有“二次塌落”這一自動(dòng)平衡器件側(cè)與PCB側(cè)強(qiáng)度的過(guò)程。因此控制PCB側(cè)焊膏量是CBGA的焊點(diǎn)性能的關(guān)鍵點(diǎn)，從工藝上提高CBGA焊點(diǎn)性能的一個(gè)原則是：盡量讓焊球兩邊的共晶焊點(diǎn)的體積基本一致以使焊球兩邊焊點(diǎn)的強(qiáng)度達(dá)到最佳配合。

2.2BGA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(lèi)，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(wú)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(lái)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^(guò)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)。

2.3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(rùn)濕性就變差，嚴(yán)重時(shí)可能不潤(rùn)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(kāi)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(wú)良好的光澤，焊點(diǎn)潤(rùn)濕不良，再流焊接后，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)電路不通，

后果：這種焊接缺陷如果沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)，可能會(huì)很早就出現(xiàn)故障，其原因要么是球和焊盤(pán)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(wèn)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。

2.4回流曲線與氮?dú)夂附?/p>

每一種器件及錫膏都有一個(gè)焊接的工藝窗口。產(chǎn)品的回流焊接可以看作是若干個(gè)焊接工藝窗口的組合，產(chǎn)品上若有CBGA器件通常焊接工藝窗口是以CBGA為主導(dǎo)。由于CBGA為陶瓷封裝器件熱熔較大，且引腳密集，外層引腳和內(nèi)層引腳間的溫度有一定差別，要保證所有焊點(diǎn)同時(shí)達(dá)到良好的焊接，同時(shí)器件又不超過(guò)允許的承受溫度，這是在組裝工藝過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通常的原則是：一般印制板上的器件都存在多樣性，溫度曲線的設(shè)置須注意印制板不同位置的溫度分布，要選用能將大器件焊好的最低溫度，以便不會(huì)損傷較小的敏感器件。以熱風(fēng)回流焊接設(shè)備為例，回流焊接過(guò)程分預(yù)熱過(guò)程、保溫過(guò)程、回流過(guò)程、冷卻過(guò)程，這四個(gè)過(guò)程和時(shí)間合理設(shè)置才能形成一個(gè)良好焊點(diǎn)。

（1）預(yù)熱區(qū)：

預(yù)熱過(guò)程的主要作用是快速進(jìn)入工作狀態(tài)以增加產(chǎn)量;因正真的焊接一般是在90℃以上才開(kāi)始發(fā)生。故這個(gè)區(qū)可以短一些典型的升溫速率為2℃/sec。

（2）保溫區(qū)：

保溫區(qū)主要的作用是助焊劑溶劑揮發(fā)，助焊劑活化;減少元件之間的溫差，使各焊點(diǎn)溫度進(jìn)入到回流區(qū)盡可能的達(dá)到一致;減少元件回流焊接時(shí)的熱沖擊。由于CBGA器件熱容量較大，為達(dá)到CBGA內(nèi)外層引腳和PCB上其他元器件的溫度盡可能的接近及減少器件進(jìn)入回流區(qū)時(shí)熱沖擊，一般CBGA在保溫區(qū)的最終達(dá)到的溫度應(yīng)為170℃左右;保溫時(shí)間應(yīng)為90-120sec之間，以便有足夠的時(shí)間讓“冷點(diǎn)”升溫。

（3）回流區(qū)：

業(yè)界比較認(rèn)可的BGA混裝工藝的峰值溫度一般在220-235℃，只有達(dá)到這個(gè)溫度時(shí)BGA會(huì)發(fā)生“二次塌落”，焊接可靠性得到最大保證。而CBGA器件在回流區(qū)的焊接與通常的有鉛錫膏焊接無(wú)鉛BGA的混裝工藝不同，CBGA器件高鉛焊球在回流區(qū)不會(huì)熔化、塌落，這個(gè)特性決定了CBGA器件在焊接時(shí)不用完成常規(guī)BGA的“二次塌落”過(guò)程，因而完成CBGA焊接所要達(dá)到的峰值溫度比常規(guī)BGA焊接峰值溫度要低。典型峰值溫度為210-225℃在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，CBGA焊接過(guò)程優(yōu)先選擇在氮?dú)猸h(huán)境，此環(huán)境隔絕了氧氣，有利于形成高質(zhì)量焊點(diǎn)。所有試驗(yàn)結(jié)果均顯示出氮?dú)獗Ｗo(hù)再流焊得到的CBGA焊點(diǎn)可靠性優(yōu)于空氣環(huán)境下再流焊形成的焊點(diǎn)。采用壓縮空氣含氧量為500ppm的氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行再流焊，通過(guò)對(duì)所得的CBGA試驗(yàn)組裝板進(jìn)行剪切、彎曲疲勞、熱沖擊疲勞和振動(dòng)疲勞等性能試驗(yàn)表明，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下形成的焊點(diǎn)性能最好。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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)。

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