LGA器件焊點(diǎn)缺陷分析及解決

王文龍 陳 帥 譚小鵬

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

LGA（Land Grid Array，焊盤網(wǎng)格陣列）封裝屬于面陣列封裝形式，因其封裝體積小、安裝高度低、可靠性高而受到廣泛使用。LGA器件屬于無引腳焊接，一般焊盤為方形焊盤（實(shí)物圖如圖1所示，示意圖如圖2所示。）

圖1 LGA封裝器件實(shí)物

圖2 LGA封裝器件示意圖

與BGA不同，LGA封裝器件在封裝體底部只有金屬端子或焊盤，沒有焊球，也沒有例如CGA器件的焊柱，在焊接時使用印刷焊膏的方式直接代替焊球或焊柱，這種焊接方式有效減少了芯片與印制電路板的距離，使引出路徑變短，電信號傳遞快，電性能更好。由于焊點(diǎn)高度的減小，LGA封裝能有效改善產(chǎn)品在彎曲、振動和跌落等試驗(yàn)中的表現(xiàn)，提升其可靠性。另外，無引腳器件在芯片制造中減少了一道工序，降低了制造成本，也對器件的運(yùn)輸提供了便利，所以被廣泛使用。

1 LGA常見焊接缺陷及原因分析

LGA器件由于焊接高度低，抗震性能好，但耐高低溫性能差。同時，由于器件焊接高度低，也容易產(chǎn)生焊接缺陷?？斩春湾a珠是LGA器件焊接后常見的缺陷。

錫珠的生成原因是多方面的。直接的原因有多余錫膏的引進(jìn)和錫膏焊接過程中造成了飛濺兩種方式。例如在印刷錫膏后，由于鋼網(wǎng)清洗不良造成焊盤外部留有殘錫，在印刷后未進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，在焊接后就會形成錫珠現(xiàn)象，或者回流過程中生成的水汽或未烘干的水汽快速溢出，導(dǎo)致焊錫飛濺造成錫珠現(xiàn)象。

LGA器件焊接后形成空洞是另一個普遍現(xiàn)象，特別是采用熱風(fēng)回流焊接時尤其明顯。空洞形成的直接原因是焊膏在熔融過程中，焊劑成分揮發(fā)或者焊劑活化階段與氧化層化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體在揮發(fā)時未能從焊料中逸出造成的。行業(yè)內(nèi)暫無專門對LGA器件焊接后空洞率的檢驗(yàn)要求，但很多單位都是參考BGA空洞率（一般為不大于25%）的要求檢驗(yàn)。

錫珠和空洞大有時單獨(dú)出現(xiàn)，有時會同時存在。從工藝生產(chǎn)的五要素：“人、機(jī)、料、法、環(huán)”來分析（見圖3）。

人員：要求具備一定的技能水平，責(zé)任心強(qiáng)；

機(jī)器：印刷、貼片、回流等設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，滿足使用要求，經(jīng)過校測合格；

材料：元器件來料包裝合適，無氧化變形；印制板焊盤設(shè)計(jì)合理；焊膏粒度合適且按要求存放及使用；元器件和印制板焊前按要求進(jìn)行烘干；鋼網(wǎng)厚度及開口方式合適；

方法：工藝曲線合適；貼裝參數(shù)合適；焊膏印刷參數(shù)合適；

環(huán)境：生產(chǎn)環(huán)境溫、濕度達(dá)標(biāo)，合理、穩(wěn)定。

2 問題研究及解決

在實(shí)際生產(chǎn)中，某印制板上LGA器件在焊接后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的空洞，同時大量焊點(diǎn)存在少錫的缺陷，該印制板印刷采用了0.1 mm厚度的鋼網(wǎng)，LGA器件焊接后如圖4所示。

按圖3中的生產(chǎn)要求逐個進(jìn)行分析查找可能造成缺陷的原因。從焊接后焊點(diǎn)的狀態(tài)來看，部分焊點(diǎn)錫料量明顯少，部分焊點(diǎn)空洞超標(biāo)。使用的焊膏粒度為3，大小為25 μm～45 μm，焊膏印刷后狀態(tài)均勻；實(shí)際測試LGA焊點(diǎn)回流焊實(shí)際溫度曲線測試符合規(guī)范，各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)合理。初步分析認(rèn)為，鋼網(wǎng)厚度薄、焊錫量不足是造成焊接缺陷的主要原因。最初將印制板鋼網(wǎng)制作為0.1 mm厚度是因?yàn)橛≈瓢迳洗嬖?.3 mm細(xì)間距的QFP（細(xì)節(jié)距四邊引腳扁平封裝）器件。通過制作階梯鋼網(wǎng)，調(diào)整后鋼網(wǎng)基準(zhǔn)厚度為0.12 mm，QFP器件局部制作0.1 mm的階梯。使用0.12 mm厚的鋼網(wǎng)，焊接后發(fā)現(xiàn)LGA器件焊點(diǎn)依然存在空洞率偏高的問題，同時伴隨有錫珠、溢錫、少錫的缺陷。

圖3 LGA焊接缺陷分析魚骨圖

再次分析認(rèn)為，因?yàn)長GA器件為無引腳焊接，器件與焊盤之間的連接是通過焊膏融化后焊錫連接的。焊膏回流焊坍塌后，高度十分有限，如采用0.12 mm厚度的鋼網(wǎng)，坍塌后器件高度約為0.06 mm，器件回流焊后四周因助焊劑殘留存在氣密性的可能，導(dǎo)致助焊劑揮發(fā)過程氣體無法逸出，形成空洞，或因局部氣體密閉導(dǎo)致高溫狀態(tài)下氣體沖破密閉區(qū)域，造成焊膏噴濺，形成錫珠。解決辦法一是增加LGA器件處焊膏厚度，考慮將焊膏厚度增加到0.2 mm以上；二是對鋼網(wǎng)上LGA器件處開孔形狀進(jìn)行修改，方案包括修改一字架橋和十字架橋2種，便于焊接中氣體逸出。LGA器件架橋開口鋼網(wǎng)（見圖5）。

圖4 LGA器件用0.1 mm厚鋼網(wǎng)印焊后焊點(diǎn)圖

圖5 LGA器件架橋開口鋼網(wǎng)

印刷焊膏后發(fā)現(xiàn)采用十字架橋鋼網(wǎng)印刷的試驗(yàn)件，存在焊膏透錫差及鋼網(wǎng)難清洗的現(xiàn)象。而采用一字架鋼網(wǎng)印刷的試驗(yàn)件橋透錫率良好，所以選擇一字架橋的方法。

鋼網(wǎng)開口形狀確定后，需要確定錫膏量。由于大鋼網(wǎng)LGA器件處的厚度無法達(dá)到0.2 mm或采用0.2 mm后的階梯鋼網(wǎng)會影響印刷效果，所以采用了LGA器件預(yù)上錫回流，再貼焊的工藝方法。單獨(dú)LGA器件預(yù)上錫后回流，不存在焊劑揮發(fā)而造成空洞的問題，所以在預(yù)上錫回流后再進(jìn)行印制板貼焊，能最大化的減少焊劑的比例，從而降低空洞率。

通過LGA器件預(yù)上錫鋼網(wǎng)的尺寸，調(diào)整LGA器件焊接的焊錫量。印制板上LGA器件焊點(diǎn)的焊盤尺寸和LGA器件底部焊盤尺寸均為0.635×0.635 mm。為對比不同焊膏量對空洞等缺陷的影響，制作預(yù)上錫鋼網(wǎng)（見表1）。為保證鋼網(wǎng)在印刷時的脫模效果，預(yù)上錫鋼網(wǎng)使用納米涂層鋼網(wǎng)。PCB預(yù)上錫印刷后效果（見圖6）。

不同錫膏量的LGA器件貼裝焊接后，X光檢測 4種不同尺寸鋼網(wǎng)預(yù)上錫焊接后LGA器件焊點(diǎn)。通過對比，試驗(yàn)板采用0.7×0.7×0.25的鋼網(wǎng)開口時，空洞率最小，說明空洞率與LGA器件預(yù)上錫焊膏量多少正相關(guān)。因試驗(yàn)板上只焊接了LGA器件，而實(shí)際印制板上LGA器件周圍有一些元器件的阻擋，所以實(shí)際焊接中LGA器件的空洞率會稍大，當(dāng)采用預(yù)上錫鋼網(wǎng)G4后焊接，實(shí)際空洞率也不會超過10%，但在實(shí)際批量生產(chǎn)時個別焊點(diǎn)有時會出現(xiàn)溢錫的現(xiàn)象。

安裝LGA器件的印制板焊盤實(shí)物如圖7所示。焊盤與其它焊盤設(shè)計(jì)不同，首先圖中的焊盤開孔為SMD焊盤（阻焊定義焊盤），并且在焊盤開口的一邊有非常小的高度落差。在貼裝時，由于貼裝壓力或貼裝高度的存在，器件在貼裝時會有一個下壓的工作，以保證器件與焊膏的充分接觸和一定的粘附力，對于輕小器件能夠防止器件在回流過程中的偏移。而對于LGA器件，默認(rèn)貼裝高度為0.2 mm，所以貼裝時器件下壓會使焊膏有少量的外溢，在回流焊時由于焊膏融化后表面張力的作用，會將溢出的焊錫拉回到焊盤上方，但由于LGA器件較重，以及焊膏在貼裝溢出時，溢出的一邊高度低，所以在回流焊后，溢出部分焊膏未能回到焊盤的上方，造成了溢錫的現(xiàn)象。該缺陷主要是由于印制板可制造性設(shè)計(jì)差造成的，通過修改焊盤的設(shè)計(jì)可以解決。

表1 預(yù)上錫鋼網(wǎng)開口參數(shù)表

圖6 LGA器件的PCB預(yù)上錫印刷后

圖7 LGA器件印制板焊盤實(shí)物圖

3 總結(jié)

LGA器件由于焊接高度低，容易出現(xiàn)空洞大為主的焊接缺陷。分析認(rèn)為空洞大主要是焊膏量少，器件高度低，回流焊時焊膏中的助焊劑難以及時揮發(fā)逸出造成的，有時還會造成錫珠的缺陷。

通過更改鋼網(wǎng)開孔形狀，對鋼網(wǎng)上LGA焊盤開口更改為一字架橋鋼網(wǎng)，同時對LGA器件采用預(yù)上錫回流的工藝方法，提高LGA器件的焊接焊膏量。通過對LGA器件進(jìn)行4種不同預(yù)上錫鋼網(wǎng)試驗(yàn)，對比預(yù)上錫焊膏量對空洞率的影響，發(fā)現(xiàn)采用焊膏量較大時更有利與消除空洞和錫珠缺陷。能夠很好解決常見的LGA器件焊接的空洞和錫珠缺陷。