無鉛BGA焊球重置工藝

轉自：SMT技術網；作者：韋荔甫 李鵬

摘要：    

對無鉛BGA焊球重置工藝展開研究，通過試驗設計，對比分析驗證助焊劑的涂敷方式與涂敷量對BGA焊點高度變化、剪切強度及其可靠性的影響。研究結果表明：在焊錫球直徑相同的條件下，焊點間距較小的陣列對助焊劑涂敷量變化較敏感，在液相線以上時間(TAL)不超過90s?；亓骱阜逯禍囟葹?45℃時，助焊劑涂敷量對焊點強度的影響比較明顯，當回流焊峰值溫度較高時（如255℃），其影響不明顯。

關鍵詞: BGA焊點、助焊劑、涂敷方式、可靠性

00

引言

    傳統(tǒng)鉛錫焊料由于含有對人體及環(huán)境危害嚴重的鉛，如今已被無鉛焊料所取代，Sn-Ag-Cu是目前常用的一類無鉛焊料。在大容量引腳封裝上有著極強生命力和競爭力的無鉛BGA，因回流工藝與材料的差異，其熔點溫度和焊劑成分也隨之而改變，造成焊接工藝參數(shù)上發(fā)生了改變，這使得單個器件在實際應用中的價格并不便宜。因此在預研產品試驗時，往往希望把所有從基板上取下的BGA器件能重新植球，再利用。BGA植球時，根據(jù)BGA返修工藝要求，應先在焊盤上涂一層助焊劑，再植球，以便減少焊盤和焊球上的氧化物；使用BGA時，為得到良好的熔濕性和焊點完整性，也必須在焊盤上涂一層助焊劑。然而，在返修中，經常出現(xiàn)BGA錫球橋接現(xiàn)象，從返修工藝角度出發(fā)，這種現(xiàn)象與助焊劑涂敷的方法和涂敷量之間勢必存在某種聯(lián)系，而這種聯(lián)系對BGA焊點高度變化、焊接質量以及焊點可靠性有何影響，影響到什么程度，目前在SMT相關論壇和相關的學術期刊上也沒找到更詳細、更全面地報道。因此，本文通過試驗對其作進一步分析和探討。

01

試驗設計

    焊接是電子裝配中的主要工藝過程，助焊劑是焊接時使用的輔料，助焊劑的主要作用是清除焊料和被焊母材表面的氧化物，使金屬表面達到必要的清潔度。它防止焊接時表面的再次氧化，降低焊料表面張力，提高焊接性能。本次試驗以目前生產中常用的Sn3Ag0.5Cu（熔點為217~220℃）無鉛錫球和無鉛助焊劑作為研究對象，同時以助焊劑的涂敷方式與涂敷量、錫球間距以及焊盤直徑作為試驗因素，有針對性地分批試驗。試驗目的主要考察助焊劑的涂敷方式和涂敷量對BGA焊點高度、焊接質量及可靠性的影響。    試驗方法：采用模板（方式2）和手工（方式1）兩種涂敷方式直接將助焊劑涂敷在基板上，BGA的錫球選用直徑為0.76mm的Sn3Ag0.5Cu焊球，節(jié)距為1.50mm，焊盤直徑為0.8mm，試驗主要設備使用IR550A型返修臺、微型光學檢測儀和剪切設備。    第一類方式是從BGA返修工藝角度考慮，試驗在同一回流溫度曲線下進行，即在液相線時間不超過90s，回流峰值溫度在245℃時進行。助焊劑采用手工直接涂敷方式，經過四次試驗，得到如圖1所示的試驗結果。結果表明，用手工在基板上直接涂敷助焊劑時，由于助焊劑涂層厚度無法控制而造成涂敷量不均，回流后助焊劑涂敷量偏大的區(qū)域容易產生焊點橋接現(xiàn)象。

圖1 手工涂敷助焊劑對應試驗結果

第二類方式是采用模板對助焊劑的涂敷量進行控制。使用不同厚度模板對助焊劑涂敷量進行控制，結果表明，采用模板可使助焊劑涂敷厚度比較均勻，經回流后沒有發(fā)現(xiàn)焊點橋接現(xiàn)象，如圖2所示，返修質量比較穩(wěn)定。但隨著試驗參數(shù)的改變，焊盤陣列的間距越小對助焊劑涂敷量就越敏感（間距0.08mm時開始出現(xiàn)橋接），助焊劑涂敷量越大，越容易導致焊點橋接，如圖3所示。使用該方法的優(yōu)點，可通過改變模板厚度和開口直徑來改變助焊劑的涂敷量，從而提高了焊點的焊接質量。

02

焊點高度分析

     組裝過程中，常存在因共晶錫球塌陷不足而產生焊點開路時效。試驗的主要目的是分析不同工藝條件下回流后焊球高度變化情況。試驗時，主要考察回流曲線的峰值溫度、焊盤直徑和助焊劑涂敷量以及它們之間的交互作用對回流后焊球高度的影響。    對試驗結果進行L8（27）正交表設計，同時對沿著每個已完成植球的BGA器件的對角線取16個焊點進行測量，測量方法如圖4所示。之后，取其平均值進行極差分析和方差分析。表1的極差分析結果來看，回流峰值溫度對焊球高度的影響遠遠大于其他因素以及各因素之間的交互作用；表2的方差分析結果表明，在95%的置信水平上，峰值溫度對焊球高度的影響是最顯著的，而其他因素以及各因素之間的交互作用對焊球高度的影響均不顯著。

圖4 焊球高度測量方法

綜上所述，回流曲線的峰值溫度是影響焊球高度的決定性因素，焊盤直徑和助焊劑涂敷量對焊球高度的影響不大。從可靠性的角度考慮，BGA器件在熱循環(huán)過程中，由于封裝體與PCB板之間存在熱膨脹系數(shù)不匹配，導致其焊點上存在切應力，而增加焊點高度有利于減小焊點上的切應力，所以在返修過程中，應嚴格控制BGA的焊點高度。

焊點剪切強度試驗

    BGA封裝元器件的焊點常常由于熱失配、器件裝配外力等原因發(fā)生剪切破壞，良好的焊點剪切強度是器件高可靠性的重要保障，BGA焊點剪切強度與焊球材料和焊盤金屬有關。從微觀上看，焊接界面材料微觀結構的變化將直接影響焊點剪切強度的大小。本文主要對不同工藝條件下完成回流后的BGA焊點作剪切強度試驗。試驗中，主要考慮在液相線時間不超過90s時，回流峰值溫度和助焊劑模板類型對焊接強度的影響，剪切強度試驗原理如圖5所示，剪斷焊點時所需的力試驗結果如圖6折線圖所示。

由圖6可知，方案1中焊球的剪切力最小，只有1.0cN左右，部分焊點承受的剪切力小于1.0cN。根據(jù)BGA無鉛焊點剪切試驗的標準，BGA無鉛焊點所承受的剪切力至少在1.0cN以上，最好能達到1.3cN以上，所以方案1不可取。   

方案2中焊球的剪切力均大于1.4cN力，其中大部分在1.5cN力以上，回流時其峰值溫度為245℃，從焊點高度方面考慮，低的峰值溫度有利于獲得較理想的焊球高度，從焊接強度的角度來看，方案2是可取的。方案3和方案4中焊球的剪切力均在1.8cN以上，從焊接強度的角度來考慮，是比較理想的選擇對象，但方案3和方案4回流的峰值溫度是260℃，與方案2相比，其焊接后的焊球高度相對較低。在兼顧焊接強度和焊球高度的情況下，方案3和方案4的競爭力稍差。綜上，方案2是一個較優(yōu)的方案，既能滿足焊接強度的要求，又能得到較理想的焊球高度。   

研究結果表明，助焊劑涂敷量對焊球回流后強度的影響在回流峰值溫度較低時（如245℃）比較明顯，在確保正常焊接的前提下，助焊劑涂敷量較少時焊接強度較大；而當回流峰值溫度較高時（如260℃），這種影響不明顯。

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結論

    研究表明，通過使用模板控制助焊劑的涂敷量，能夠消除橋接和助焊劑涂敷不均等缺陷。在焊球直徑相同的條件下，焊球間距較小的陣列對助焊劑涂敷量的變化更敏感。極差分析表明，若以回流后影響焊點高度因素的重要性，按從大到小排序，為回流曲線的峰值溫度、助焊劑涂敷量、焊盤直徑；方差分析表明，在95%的置信水平上，回流曲線的峰值溫度對回流后焊球高度的影響顯著。焊球剪切試驗表明，回流峰值溫度較低時（如245℃），助焊劑涂敷量對焊接強度的影響比較明顯，而當回流峰值溫度較高時（如260℃），影響不明顯。

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