塑封BGA封裝器件雙面裝焊工藝研究 ①

李文建，劉 瀟，王曉博，郭瑞霞，翟海艷，賈 亮，吳言沛，王 宏

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著遙感領(lǐng)域微小數(shù)傳產(chǎn)品的發(fā)展，數(shù)字類單機(jī)低成本、小型化及大容量的需求日益迫切，未來(lái)航天產(chǎn)品中將大量使用flash(編碼型快閃記憶體)、ddr(雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)等存儲(chǔ)器類BGA封裝器件[1]。由于電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化[2-5]，航天電子產(chǎn)品要被動(dòng)采用越來(lái)越多的無(wú)鉛BGA封裝器件，但是航天電子產(chǎn)品在制作過(guò)程中使用的還是Sn-Pb焊料，也就是說(shuō)，無(wú)鉛BGA封裝器件焊接完成后形成的是有鉛無(wú)鉛的混合焊點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混裝焊點(diǎn)開(kāi)展了大量的研究工作[6-11]，結(jié)果表明SAC焊球與Sn-Pb焊料形成的混合焊點(diǎn)與典型的Sn-Pb焊點(diǎn)在性能上是等效的。桂林電子科技大學(xué)的蔣延彪[12]等人研究了不同工藝參數(shù)，認(rèn)為只要工藝參數(shù)控制得當(dāng)，使用共晶Sn-Pb焊料焊接無(wú)鉛BGA封裝器件是可行的。中電38所包誠(chéng)[13]等人的研究表明，在熱循環(huán)溫度載荷的作用下混裝焊點(diǎn)的抗疲勞失效性能優(yōu)于錫鉛共晶焊料焊點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于混裝焊點(diǎn)的可靠性研究?jī)H停留在單面焊接的層面上，BGA封裝器件雙面裝焊的焊點(diǎn)形態(tài)及可靠性少有研究。為了加速航天電子產(chǎn)品小型化、高密度的轉(zhuǎn)型升級(jí)，本文針對(duì)航天電子產(chǎn)品中無(wú)鉛BGA封裝器件雙面裝焊工藝進(jìn)行研究，采用Surface Evolver軟件對(duì)SS面焊球直徑為0.47 mm 的BGA封裝器件焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行仿真，得出SS面BGA封裝器件焊點(diǎn)形態(tài)及承重極限值，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證SS面BGA封裝器件焊點(diǎn)形態(tài)及其可靠性。

1 焊點(diǎn)形態(tài)仿真及驗(yàn)證

1.1 焊點(diǎn)模型建立

焊點(diǎn)的形態(tài)是器件焊球承受重力與表面張力相平衡的一個(gè)過(guò)程，與器件重量和焊膏量有關(guān)。本文模擬結(jié)構(gòu)是倒置BGA焊點(diǎn)，如圖1所示，幾何模型中PCB焊盤在上方，器件封裝體焊盤在下方，并且考慮到封裝體焊盤與側(cè)面阻焊材料之間存在臺(tái)階，本文建模將該結(jié)構(gòu)也考慮其中，模型中與封裝體焊盤連接位置的釬料有一個(gè)“頸部”結(jié)構(gòu)，使用Surface Evolver對(duì)模型進(jìn)行求解，Surface Evolver軟件基于最小能量原理和有限元數(shù)值分析方法，根據(jù)焊點(diǎn)引腳幾何尺寸、焊盤幾何尺寸及形狀、材料性質(zhì)等因素即可得到不同焊點(diǎn)的焊點(diǎn)形態(tài)[14]。

1.1.1 分析對(duì)象及模型參數(shù)

本文的分析對(duì)象BGA78器件，器件重量0.21 g，平均到每個(gè)焊球上承受的重量約為0.002 692 g，焊球材料為SAC305，直徑為0.47 mm，焊球中心間距0.8 mm，PCB板上焊盤尺寸0.4 mm，漏板厚度0.12 mm。無(wú)鉛BGA封裝器焊接時(shí)采用的混裝工藝，混裝焊點(diǎn)的表面張力數(shù)據(jù)沒(méi)有相應(yīng)的文獻(xiàn)可以參考，因此仿真時(shí)針對(duì)SAC和Sn-Pb兩種焊球材料分別進(jìn)行仿真，制定了如表1所列的焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)方案。

1.1.2 Surface Evolver焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果

焊點(diǎn)形態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖如圖2所示，焊點(diǎn)高度與單個(gè)焊球承重的關(guān)系如圖3所示。

(a)A1 (b)A2 (c)A3 (d)A4 (e)A5 (f)0.038 9 g

從圖3中可以看出，當(dāng)焊球承重較小時(shí)，隨著焊球承重的增加，焊點(diǎn)高度呈線性增加；當(dāng)焊球承重較大時(shí)，隨著焊球承重的繼續(xù)增大，焊點(diǎn)高度增加的速率加大。另外，通過(guò)逐步逼近的方法找到焊球發(fā)生斷裂的極限承重值，SAC305材料的單球承重極限為0.038 9 g(圖2(f))，Sn63Pb37材料的單球承重極限為0.033 5 g(圖2(l))，由于SAC焊料的表面張力比Sn-Pb焊料的表面張力大，承重極限大。焊球(SAC)與焊膏(Sn-Pb)混合形成焊點(diǎn)表面張力介于兩者之間。因此，混合焊點(diǎn)的承重極限也在兩者之間為0.033 5 g～ 0.038 9 g。

圖3 焊點(diǎn)高度與單個(gè)焊球承重關(guān)系

1.2 焊點(diǎn)形態(tài)仿真驗(yàn)證

在驗(yàn)證仿真的實(shí)驗(yàn)中選取SAC材料的焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，PBGA78器件重量為0.21 g，器件自身重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單球承重的極限值。因此，焊接PCB板CS面時(shí)需對(duì)SS面的PBGA78器件進(jìn)行配重，具體的單球承重及配重如表2所列，A4和A5是為了驗(yàn)證單球承重極限值。

表2 仿真驗(yàn)證方案

PCB板CS面焊接完成后的A5組樣件的3個(gè)器件從PCB板上脫落，將A1～A4四組樣件采用環(huán)氧樹脂鑲嵌后研磨拋光，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行剖切，具體結(jié)果如圖4所示。

(a)A1 (b)A2 (c)A3 (d)A4 (e)A5

每種承重的焊球剖切54個(gè)焊點(diǎn)，測(cè)量每個(gè)焊點(diǎn)截面的BGA焊球的高度并計(jì)算平均值，與焊點(diǎn)形態(tài)仿真結(jié)果對(duì)比，并計(jì)算仿真誤差，仿真誤差=(試驗(yàn)高度-仿真高度)/仿真高度，詳見(jiàn)表3所列。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

A4組試驗(yàn)顯示焊點(diǎn)高度約為429.9 mm，A5組數(shù)據(jù)表明單球承重0.040 g時(shí)已經(jīng)超過(guò)了單球承重的極限重力。因此，單球承重的極限值在0.038 g～ 0.04 g之間，也就是說(shuō)極限值的仿真誤差小于13.5%。目前，大部分文獻(xiàn)提供的回流焊條件下SAC釬料的表面張力范圍在480～520 erg/cm2，本次課題仿真時(shí)SAC釬料的表面張力取值為480 erg/cm2。表面張力取值與實(shí)際回流焊接時(shí)釬料表面張力的差異是本次仿真誤差產(chǎn)生的主要原因。

有灰色底紋的部分代表了當(dāng)前連接的數(shù)據(jù)庫(kù)名稱、角色名、密碼，在項(xiàng)目里添加好之前寫好的連接數(shù)據(jù)庫(kù)的工具類文件就可以連接數(shù)據(jù)庫(kù)了[5]。

2 SS面混裝焊點(diǎn)可靠性試驗(yàn)

2.1 混裝焊接曲線

混裝工藝關(guān)鍵在于混裝回流焊接曲線的設(shè)置，本文通過(guò)反復(fù)調(diào)試形成了具有如下特征的回流焊接曲線：1)具有足夠高峰值溫度以保證Sn63Pb37焊膏和SAC305焊球達(dá)到完全混合；2)峰值溫度不超過(guò)240 ℃，不會(huì)損傷PCB板和其他有鉛元器件[15-17]。本文采取的混裝曲線的測(cè)溫結(jié)果如圖5所示，SS面BGA封裝器件焊點(diǎn)溫度曲線與CS面BGA封裝器件焊點(diǎn)溫度曲線幾乎沒(méi)有差別，峰值溫度均約為238 ℃，183 ℃以上的回流時(shí)間均約為108 s，217 ℃以上的時(shí)間均約為57 s。

圖5 回流焊接溫度測(cè)試曲線

樣件制作完成后的焊點(diǎn)外觀及X-ray檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。PCB兩面焊球與焊料融合充分并發(fā)生塌陷，形成了形態(tài)為腰鼓狀的焊點(diǎn)。焊點(diǎn)大小均勻，邊界清晰，無(wú)橋連、短路等缺陷。焊點(diǎn)中存在少許空洞，但是空洞率小于10%，在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

(a) CS面焊點(diǎn)外觀 (b)CS面X-ray照片 (c)SS面焊點(diǎn)外觀 (d)SS面X-ray照片

2.2 可靠性試驗(yàn)

將雙面裝焊BGA封裝器件的PCB組件安裝在機(jī)殼上進(jìn)行200個(gè)溫度循環(huán)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，可靠性試驗(yàn)完成后進(jìn)行外觀檢查、金相分析及染色滲透試驗(yàn)。

2.2.1 外觀檢驗(yàn)

器件在經(jīng)歷可靠性考核試驗(yàn)后的外觀照片如圖7所示，器件外排焊點(diǎn)與可靠性試驗(yàn)前相比無(wú)明顯變化，焊點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)裂紋。

(a) 試驗(yàn)前 (b) 試驗(yàn)后

對(duì)經(jīng)過(guò)可靠性考核后的器件進(jìn)行金相分析，如圖8所示。

圖8 焊點(diǎn)金相照片及IMC層

從圖中可以看出，SS面BGA封裝器件焊點(diǎn)在經(jīng)歷了兩次回流焊接后形成的混合焊點(diǎn)組織均勻，說(shuō)明焊接過(guò)程中錫鉛焊料和無(wú)鉛焊球得到了充分?jǐn)U散和遷移，形成了有效的混裝焊接[18]；焊點(diǎn)潤(rùn)濕良好，無(wú)可見(jiàn)裂紋；個(gè)別焊點(diǎn)中存在局部空洞，但空洞位于焊球內(nèi)部，且空洞直徑尺寸小于焊球直徑的10%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從焊點(diǎn)的SEM形貌可以看出，在焊接過(guò)程中，器件焊球、基板焊盤與焊料同時(shí)發(fā)生了明顯的擴(kuò)散和遷移，形成了有效的界面金屬間化合物(IMC)層[19]。從IMC層的厚度分析可以看出，所有焊點(diǎn)的IMC層厚度均保持在1～4 μm，厚度均勻，無(wú)可見(jiàn)裂紋，證明了本次混合焊接的可靠性。

2.2.3 染色滲透試驗(yàn)

染色試驗(yàn)是分析振動(dòng)試驗(yàn)后所有焊點(diǎn)的完整性，可以統(tǒng)計(jì)表面焊接的陣列器件所有焊點(diǎn)的狀況。對(duì)經(jīng)過(guò)可靠性考核后的器件進(jìn)行染色試驗(yàn)。如圖9所示，器件焊點(diǎn)未出現(xiàn)染色滲透現(xiàn)象，開(kāi)裂模式為PCB焊盤與基材間開(kāi)裂，染色結(jié)果也是對(duì)本次可靠性混合焊接的有力佐證。

圖9 染色結(jié)果

3 結(jié)論

本文給出了SS面BGA封裝器件焊點(diǎn)形態(tài)仿真結(jié)果，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，由于焊點(diǎn)的表面張力遠(yuǎn)大于器件自身的重力，PCB板兩面的焊點(diǎn)形態(tài)無(wú)明顯差異。采用優(yōu)化后的回流曲線參數(shù)完成了Sn63Pn37焊膏焊接SAC焊球器件的有效焊接，并通過(guò)外觀檢查、X-ray檢測(cè)、金相切片分析和染色滲透試驗(yàn)對(duì)SS面BGA封裝器件混裝焊接質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：該工藝焊接實(shí)現(xiàn)的SS面無(wú)鉛BGA封裝器件焊點(diǎn)外觀滿足要求，焊點(diǎn)局部存在細(xì)微空洞且空洞率小于10%；可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證后焊點(diǎn)質(zhì)量滿足要求，形成的IMC層結(jié)構(gòu)完整、連續(xù)、無(wú)裂紋，厚度范圍1～4 μm，滿足合格焊點(diǎn)要求。該工藝成功實(shí)現(xiàn)了BGA封裝器件的雙面可靠性焊接，能夠滿足后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品小型化，高密度的發(fā)展需求。