LGA器件焊接可靠性工藝技術(shù)研究

季 磊，謝小彤，薛 冰，劉 賀，吳 朗

(上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化的不斷進(jìn)步，電子信息產(chǎn)業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。大功率、微型化、高可靠成為了電子元器件發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的體積大、引腳少、集成度低的元器件封裝形式，如雙列直插封裝(Dual In-line Package，DIP)、小外形封裝(Small Out-line Package，SOP)等，已經(jīng)無法滿足電子產(chǎn)品的要求。制造工藝技術(shù)的提升給封裝形式帶來了日新月異的變化，芯片級(jí)封裝(Chip Scale Package，CSP)、球柵陣列封裝(Ball Grid Array Package，BGA)、柵格陣列封裝(Land Grid Array Package，LGA)和柱柵陣列封裝(Column Grid Array Package，CGA)成為當(dāng)代電子元件封裝形式的主流。其中LGA封裝由于其體積小、安裝高度低、可靠性高，得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

LGA器件底部為裸露的焊盤或者金屬端子，通過印刷焊膏直接與印制板焊盤相焊接。這種封裝方式不僅縮短了器件與印制板的距離，提高了整機(jī)產(chǎn)品的組裝集成度，也提高了器件的抗振動(dòng)、抗彎曲和抗跌落性能[3-5]。但由于LGA器件底部無焊球和焊柱等連接對(duì)象，直接通過印刷焊膏在LGA焊盤和印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)焊盤之間形成焊點(diǎn)，其與印制板過小的間隙以及較高的共面敏感性，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的焊接工藝難以保證最優(yōu)的焊接質(zhì)量。LGA器件對(duì)焊盤表面平整度的要求極高，自校正能力差，焊膏印刷的不均勻會(huì)造成LGA器件焊接后歪斜、焊點(diǎn)一致性差等問題，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能以及機(jī)械性能降低，影響產(chǎn)品的可靠性。

論文對(duì)LGA器件的焊膏印刷量以及焊接工藝參數(shù)進(jìn)行研究，確定最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)，以獲得LGA器件在不同條件下的最佳焊接效果。

1 LGA器件焊接的難點(diǎn)

LGA器件焊接主要存在兩個(gè)難題:一是當(dāng)焊膏印刷一致性差或者LGA器件焊接面平整度低時(shí)，如果焊膏印刷模板的厚度和開孔尺寸保持不變，在焊膏熔融過程中，焊點(diǎn)處無多余的焊料對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行自修正，最終會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)處焊料鋪展不均勻，甚至出現(xiàn)器件偏斜的現(xiàn)象；二是當(dāng)LGA器件與印制板的間隙較小(一般為50.8μm～76.2μm)[6]時(shí)，焊接時(shí)助焊劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體有可能無法有效地溢出，導(dǎo)致焊接后的氣孔率偏高，焊接強(qiáng)度下降，電阻率升高，LGA器件的可靠性降低。

2 LGA器件焊接影響因素分析

2.1 LGA器件焊接的工藝流程

LGA器件焊接的工藝流程如圖1所示。

圖1 LGA器件焊接的工藝流程

論文主要針對(duì)印刷焊膏及焊接兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)，研究采用不同開孔尺寸與形式的鋼網(wǎng)印刷焊膏和采用不同焊接工藝方法對(duì)LGA器件焊接性能的影響。

2.2 鋼網(wǎng)開孔形式的影響

由于LGA器件特殊的封裝形式，使得其焊接后的自修正能力以及氣孔率指標(biāo)較一般器件差。LGA器件參數(shù):焊盤形狀方形，焊盤尺寸0.63 mm×0.63 mm，焊盤間距1.27 mm。采用與LGA器件焊盤尺寸1∶1開孔的鋼網(wǎng)印刷焊膏，焊接后可以明顯地觀察到焊料鋪展不均和氣孔率大的現(xiàn)象。開孔鋼網(wǎng)及LGA器件焊接后的X光照片分別如圖2和圖3所示。試驗(yàn)表明，增大焊點(diǎn)處焊料的體積可以顯著提高LGA器件的自修正能力，降低氣孔率。考慮到印制板印刷焊膏的一致性、實(shí)際生產(chǎn)效率以及成本的原因，主要研究鋼網(wǎng)不同開孔尺寸與形式對(duì)LGA器件焊接性能的影響。

圖2 開孔0.63 mm矩形鋼網(wǎng)

圖3 采用開孔0.63 mm矩形鋼網(wǎng)印刷后LGA器件焊點(diǎn)的X光照片

采用厚度為0.13 mm、開孔尺寸為0.7，0.8，0.9 mm的矩形鋼網(wǎng)印刷焊膏，并對(duì)焊接后的焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行分析。LGA器件采用三種不同開孔尺寸的矩形鋼網(wǎng)印刷焊膏，焊接后焊點(diǎn)的X光照片如圖4所示。

圖4 采用不同開孔尺寸矩形鋼網(wǎng)印刷后LGA器件焊點(diǎn)的X光照片

從圖4中可以看出，采用三種不同開孔尺寸的矩形鋼網(wǎng)印刷焊膏，焊接后LGA器件焊點(diǎn)處的焊料都可以完全地覆蓋焊盤，焊料鋪展均勻，潤(rùn)濕情況較采用開孔尺寸0.63 mm矩形鋼網(wǎng)印刷得到了很大的改善。采用開孔尺寸為0.7，0.8，0.9 mm鋼網(wǎng)印刷，焊接后單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率分別為49.2%、18.3%、8.6%。隨著鋼網(wǎng)開孔尺寸增大，焊膏體積增加，焊點(diǎn)的氣孔率隨之呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在相同的回流焊焊接工藝條件下，鋼網(wǎng)開孔為0.9 mm的焊點(diǎn)氣孔率最小，但在實(shí)際焊接過程中產(chǎn)生了錫粒子飛濺現(xiàn)象。

當(dāng)PCB焊盤和LGA焊盤尺寸不變時(shí)，焊膏體積的增加會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的高度增大。假設(shè)焊點(diǎn)的橫截面積不變，采用開孔尺寸0.7，0.8，0.9 mm鋼網(wǎng)印刷的焊膏形成的焊點(diǎn)高度是采用0.63 mm鋼網(wǎng)時(shí)焊點(diǎn)高度的1.2、1.6和2.0倍。焊點(diǎn)高度的增加使得LGA與PCB的間隙增大，在焊膏熔融過程中，更有利于助焊劑揮發(fā)形成的氣體溢出焊點(diǎn)表面。但是過多的焊膏會(huì)使焊點(diǎn)的輪廓產(chǎn)生變形，部分焊料被擠出焊盤，焊接后形成錫珠。同時(shí)，過小的焊膏印刷間距會(huì)給焊接后的LGA帶來短路的風(fēng)險(xiǎn)。

采用開孔尺寸0.8 mm的十字形和花形陣列鋼網(wǎng)，保證相同的焊膏印刷體積和回流焊接工藝參數(shù)，在焊膏熔融過程中，為氣體排出焊點(diǎn)表面提供通道。焊膏印刷效果和焊接后的X光照片如圖5所示。

圖5 采用十字形及花形鋼網(wǎng)印刷焊膏后LGA器件焊點(diǎn)的X光照片

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用十字形和花形的鋼網(wǎng)印刷對(duì)降低氣孔率的作用并不明顯，單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率分別為32.6%和38.5%。經(jīng)分析，主要原因包括三個(gè)方面:a)由于采用的焊膏粉體粒徑較大，印刷精度偏低，印刷后的焊膏邊界有部分橋連，通道形狀并不理想；b)焊膏在熔融過程中受到原子間作用力和表面張力而向內(nèi)部收縮，原始的焊膏形狀在氣體揮發(fā)之前可能已經(jīng)被打破，形成的焊點(diǎn)保持了與焊盤一致的形狀；c)采用十字形和花形鋼網(wǎng)印刷的焊膏體積比相同邊長(zhǎng)矩形鋼網(wǎng)的小，導(dǎo)致LGA器件與PCB板的間隙相對(duì)偏小，不利于氣體的排出。

2.3 焊接方法的影響

焊接方法是影響焊點(diǎn)氣孔率的重要因素。為了進(jìn)一步降低氣孔率，在0.8 mm矩形鋼網(wǎng)開孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用熱風(fēng)回流焊、紅外加熱焊和真空汽相焊等三種不同的焊接方法，探究其對(duì)LGA焊接后氣孔率的影響。采用的焊接設(shè)備分別為HELLER公司的HELLER1809回流焊爐、德國(guó)ERSA公司的HR 600/2混合返修系統(tǒng)以及Rehm公司的Condenso XP凝熱焊接系統(tǒng)。熱風(fēng)回流焊接工藝在表面貼裝技術(shù)(Surface Mounted Technology，SMT)中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，普通的貼裝元器件通過回流焊都可以獲得良好的焊點(diǎn)，它適用于密度高、形狀復(fù)雜、批量大的電路板組件的焊接。紅外加熱焊接主要針對(duì)QFP、BGA等芯片的焊接和拆除，操作方便快捷。真空汽相焊主要應(yīng)用于微帶天線和相控陣收發(fā)組件等釬透率要求高的電路板組件的焊接。

熱風(fēng)回流焊是通過在PCB板上下兩面施加熱風(fēng)熔融焊膏，實(shí)現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與PCB焊盤之間電氣和機(jī)械連接的軟釬焊技術(shù)。其焊接溫度穩(wěn)定，電路板整體通過熱風(fēng)加熱，元器件受到的熱沖擊較小。合適的回流焊焊接溫度曲線是保證良好焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)溫度實(shí)測(cè)和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，增大保溫區(qū)段的時(shí)間，使焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā)，可以降低LGA焊接后的氣孔率。LGA器件焊接后焊點(diǎn)的X光照片如圖6所示。

圖6 熱風(fēng)回流焊焊接LGA器件的焊點(diǎn)X光照片

可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來降低回流焊焊接氣孔率，但降低水平有限，單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率為12.4%。另外，回流溫度和時(shí)間不僅要兼顧焊接過程中氣體的有效溢出，還要兼顧焊點(diǎn)的成型狀態(tài)和器件最大耐受溫度，曲線調(diào)整難度大，工藝窗口小。

紅外加熱焊接可以對(duì)印制板進(jìn)行局部加熱，實(shí)現(xiàn)器件的焊接和拆除工作。局部加熱導(dǎo)致元器件所受的熱沖擊較大，實(shí)際的焊接溫度易受外界環(huán)境的影響。采用與熱風(fēng)回流焊相似的焊接溫度曲線，對(duì)LGA器件進(jìn)行焊接，焊接后的器件焊點(diǎn)X光照片如圖7所示。

圖7 紅外加熱焊焊接LGA器件的焊點(diǎn)X光照片

紅外加熱焊接的實(shí)際溫度對(duì)外界環(huán)境變化較為敏感，器件表面溫度一致性較差，所以氣體難以充分溢出焊點(diǎn)，單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率不大于28.6%。

真空汽相焊是利用高分子聚合物(全氟聚醚)汽化后形成惰性的蒸汽，與被焊組件進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到加熱焊接的目的。其特點(diǎn)是加熱速度快，器件表面均勻受熱，可以降低焊點(diǎn)氣孔率，并且在焊接過程中持續(xù)保持真空狀態(tài)，避免了器件管腳發(fā)生氧化。通過預(yù)設(shè)噴射量、階段到達(dá)溫度、真空度、冷卻時(shí)間等參數(shù)，采用預(yù)抽真空的方式使焊料熔融時(shí)產(chǎn)生的氣體可以從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面，并在下一階段真空期有效溢出，降低錫珠的飛濺概率。參照典型回流焊接特點(diǎn)，設(shè)定真空汽相焊接溫度曲線，焊接后的焊點(diǎn)X光照片如圖8所示。

圖8 真空汽相焊焊接LGA器件的焊點(diǎn)X光照片

真空汽相焊采用預(yù)抽真空的方式，通過氣體汽化使被焊件均勻受熱，保證焊料潤(rùn)濕鋪展均勻的同時(shí)，還具有較低的氣孔率，單個(gè)焊點(diǎn)氣孔率在3%以下，保證了良好的焊接質(zhì)量。

3 結(jié)論

論文主要針對(duì)LGA器件焊接不良的問題開展研究，綜合實(shí)際生產(chǎn)情況給出了LGA焊接可靠性的改善方法。通過對(duì)鋼網(wǎng)開孔的合理設(shè)計(jì)，有效地改善焊料潤(rùn)濕不良、鋪展不均的情況。熱風(fēng)回流焊接技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，紅外加熱焊接技術(shù)方便快捷，但都無法解決LGA器件焊接后高氣孔率的問題，試驗(yàn)證明采用真空汽相焊接，可以極大地降低LGA焊接后的氣孔率，提高其焊接可靠性。