2017-08-21摘自：SMT China表面組裝技術

      隨著電子產品向便攜化、小型化、網絡化和高性能方向的發展，BGA器件由于其獨特的優越性在我所預研型號產品中得到了越來越廣泛的應用，該類器件封裝由于自身特點，只能采用專用設備進行焊接和檢測。由于其節距越來越小，焊裝難度越來越大，工藝要求也越來越高。另一方面，由于其檢測設備價格昂貴，使該類器件的焊接質量的檢測相對困難。因此，對BGA器件焊接的一次合格率要求很高，這就為焊接過程控制提出了更高的要求。本文通過對焊盤設計、焊膏量的控制、貼片精度要求、BGA器件焊接方法、溫度曲線、焊接界面表面狀態的選擇等方面進行研究，闡述通過工藝控制來保證CBGA器件的質量與可靠性。

1. BGA器件特點簡介

1.1 BGA的主要優點 ：

a）沒有器件引腳彎曲的問題，共面性較好。 

b）引出端節距大，減少了由于焊膏印刷而引起的焊接短路問題。 

c）焊球的表面張力可以使器件在回流焊過程中自動校正。 

d）良好的電性能和熱性能。 

e）互連密度較高。 

1.2 BGA的主要缺點 ： 

a）需要 X 射線設備進行檢測，檢測成本較高。 

b）返修較困難，返修后的器件一般不再使用。 

根據封裝體材料的不同，BGA器件主要分為以下幾種： 

      PBGA（Plastic BGA，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。基板下表面用 63/37 的低熔點共晶焊料制作焊料球。

      CBGA（Ceramic BGA，陶瓷封裝BGA）：CBGA最早源于IBM公司的C4倒裝芯片工藝，它采用雙焊料結構，芯片通過 63/37 低熔點共晶焊料焊接在多層陶瓷基板的上表面，然后進行封裝以提高其可靠性并提供機械保護。在多層陶瓷的下表面用 90/10 高溫焊料制作焊球。 

      CBGA的優點：封裝器件的可靠性高；對濕氣不敏感；封裝密度高（焊球為全陣列分布）； 

      CBGA的缺點：和環氧樹脂電路板的熱膨脹系數不同、熱匹配性差；通過封裝體邊緣對準比較困難；封裝成本相對較高。

2. CBGA器件組裝工藝研究 

      為解決BGA封裝器件的電裝問題，通過對CBGA器件進行焊接，對焊點質量和可靠性進行分析和評價，確認器件裝聯工藝的可行性和適用性，摸索可靠的工藝方法，使其應用于航空電子產品的生產中。 

      結合我所電子產品實際應用情況對CBGA的整個焊接工藝過程進行研究。課題選用的器件型號為：PC107橋片。器件引腳數量多、組裝密度高，又是靜電敏感器件，焊接過程中由于引腳為 90Pb10Sn 的材料，熔點為268℃—302℃，而焊接過程器件最高承受的溫度僅為220℃，這些同一般球柵陣列（BGA）的焊接過程不同，因此BGA器件的焊接工藝及檢驗方法在CBGA器件焊接中不能完全適用。圖1a是為課題設計的工藝試驗板；圖1b為CBGA器件的內部結構。 

 圖 1a. 工藝實驗板。

 圖 1b. CBGA器件內部結構。

      CBGA焊接是個復雜的工藝過程，需要關注的環節較多，其中包括：焊盤設計、焊膏量的控制、貼片精度要求、BGA器件焊接方法、溫度曲線、焊接界面表面狀態的選擇等，下面將分別做研究。

2.1 焊盤設計

     BGA封裝器件的焊盤，節距大于等于0.8mm的，一般采用雙盤結構，通過連接盤實現互連，連接盤位于4個焊盤的中間位置；節距小于0.8mm的，一般采用HDI工藝實現互連。所有的連接盤和導線，均應采用阻焊膜進行覆蓋。圖2為CBGA焊盤設計要求。 

圖 2. CBGA焊盤設計要求。

      所有過孔盤及走線，均應用阻焊膜覆蓋，不能露銅；兩個焊盤中間走線的數量一般由電氣性能和PCB生產工藝決定。焊盤尺寸設計原則：根據引腳尺寸確定焊盤尺寸，使兩者相匹配。 

2.2 焊膏量的控制 

      在BGA焊接過程中，絲印焊膏量的多少、絲印焊膏的質量都將對焊接質量、焊接的可靠性起到重要的作用，焊膏不僅保證CBGA器件封裝在Z軸方向上的誤差，同時要保證焊點有足夠的強度，焊膏量少，如果不能彌補器件管腳Z軸誤差，將會將會出現影響某些焊點強度，嚴重情況下，在溫度交變過程在器件引腳與焊點處出現焊點開裂。焊膏量過多，焊接后易出現橋連，導致焊接失敗。根據所選器件，焊膏選擇常用的 Alpha 公司 RMA9086 三號粉。印刷網版厚度采用0.15mm，焊接后沒出現橋連，認為絲網印刷過程得到了質量控制。圖3為良好的印刷焊膏圖形。

 圖 3. 印刷焊膏圖形。

2.3 貼片 

      利用返修工作臺進行器件貼裝，返修工作臺正常的貼片過程可以利用雙向光學認證系統，對焊料柱和焊盤進行同位對中，從而更有效地滿足器件貼片后的精度要求。滿足器件引腳與焊盤貼裝后在X、Y方向上的最大允許偏差小于25%的要求。 

2.4 BGA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，即紅外熱風再流焊、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再流焊接和汽相再流焊接兩種焊接方式。紅外熱風再流焊的應用較廣，工藝曲線已成熟，焊點光亮，但因為器件本體的遮擋，無法完全均勻一致的對底部引腳進行加熱。汽相再流焊利用加熱高沸點液體作為轉換介質，利用它沸騰后產生的飽和蒸汽來加熱工件，達到焊接所需溫度。汽相再流焊的高溫飽和蒸汽可使組件均勻加熱，尤其對于大型的BGA、CCGA等焊點在底部的復雜封裝器件焊接十分有利。另外因為焊接過程中，組件處于高溫汽相蒸汽中，隔絕了氧氣，有利于形成高質量焊點。

2.5 溫度曲線是決定焊接質量的關鍵 

      選用汽相再流焊爐進行焊接。再流焊接是BGA組裝過程中關鍵步驟，再流焊接過程分預熱過程、保溫過程、再流過程、冷卻過程，由這四個過程組成一個焊接曲線，這四個過程溫度和時間合理設置才能形成一個良好焊點。圖4為焊接曲線圖。

 4. 焊接曲線圖。 

       由于CBGA器件引腳密集的引腳，使得外層引腳和內層引腳間的溫度有一定差別，所以保證有良好內層引腳和外層引腳同時達到良好的焊接溫度和保溫時間，同時器件又不能超過允許的焊接溫度和時間，這是在工藝改進中需要重點解決的關鍵技術問題。加熱方式不同，對焊接溫度及各種不同封裝器件原來設定的焊接條件，在實際焊接時的溫度曲線會發生一定的變化，正式焊接前，需進行溫度曲線的測試。 

2.6 焊接界面表面狀態的選擇 

      BGA器件由于儲存原因，焊接前會出現其引腳焊接界面狀態不均勻，分析是氧化造成的。BGA器件引腳有氧化現象，焊膏對該表面潤濕性就變差，嚴重時可能不潤濕，二者不能熔為合金，在焊料和連接面被氧化膜隔離，焊點強度很低，盡管有局部接觸暫時表現為導通，但在溫度交變或振動等外力作用下該焊點界面很容易被拉脫，形成開路。下面是本試驗中出現的BGA器件焊接氧化導致焊接缺陷的一個案例。 

左邊是5a；右邊是5b。

      案例：圖5是BGA焊球表面氧化，未經去氧化處理焊接的BGA焊點，焊錫表面呈灰色，皺狀，且無良好的光澤，焊點潤濕不良，再流焊接后，發現焊點電路不通。

      原因分析：BGA器件的焊球表面氧化(元器件受潮和存儲時間長造成的)，器件的電極表面焊接部位顏色發黑，焊接時焊錫無法完全潤濕被焊球表面從而易形成虛焊。焊接缺陷見圖5a、圖5b。 

      后果：這種焊接缺陷如果沒有檢測出來，可能會很早就出現故障，其原因要么是球和焊盤之間建立的氧化層，要么是在熱循環中CTE（熱膨脹系數）應力不匹配引起的質量問題。壽命周期試驗將揭示出這種冷焊點會很早就出現故障。因此，BGA器件焊接前，焊球表面檢查和氧化性清潔處理至關重要。

2.7 三防與粘固 

      為了進行環境試驗，對BGA器件進行了固封。BGA器件采用底部填充聚氨酯膠的方式，填充前聚氨酯膠需抽真空排除氣泡。填充采用“L”型（即器件相鄰兩邊）填膠的方法，通過毛細作用使膠液流過器件底部，可保證元器件底部無氣泡存在，如果BGA器件四角有足夠空間，可以采取四角先點環氧膠后再填充。

3. 檢測技術 

3.1 目視檢查 

      通過10X-40X光學顯微鏡進行焊點外觀形貌檢測，BGA形成連續、堅固的橢圓焊點，并且順著淚滴形焊盤有潤濕。CGA焊柱應與焊料潤濕良好，形成連續焊點，并且焊點順著淚滴形焊盤有潤濕。BGA可檢測的常見缺陷有：短路、開路（虛焊）、焊錫珠、錯位、空洞等。 

3.2 內部焊點焊接檢測 

      內部焊接情況可以通過 X-ray 檢測，傾轉一定的觀測角度，直到避開高鉛柱列的阻擋，可以觀察SnPb共晶焊點部分。而本試驗采用的CBGA器件引腳為90Pb10Sn，由于焊接后引腳在焊接過程并不熔化，鉛錫引腳的厚度足以阻擋X射線，通過X射線檢測只能檢測器件引腳間是否有橋連，焊點及內部形狀無法看到。

3.3 電性能測試 

     組裝件完成焊接后，進行了電性能測試。首先對對測試片通過菊花鏈進行通斷電性能測試，及時發現問題，確定其具體位置，分析原因，優化設置。無源元件應進行功能性測試，可采用菊花鏈。須無信號丟失；阻抗連續變化須少于10％（在室溫下測試）。 

3.4 溫度循環測試 

      a. 熱循環要求：-55 ～ 100℃，溫變速率不應超過10℃/min，極限溫度至少保持15min，每個循環1小時，200個循環，陣列器件需要做500個溫度循環。 

      b. 試驗樣件在做溫循前應進行預烘去潮，溫度60℃～ 80℃。 

      c. 溫度循環可在振動試驗前或后完成。振動試驗可在任何數量個溫度循環后完成。針對本次試驗情況只進行了組裝件的無損檢測。 

結論 

      通過試驗，本文給出了認為合理的CBGA工藝設計及工藝管理過程。CBGA在電子裝聯中的直通率可以達到很高水平，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，工藝控制要重點關注薄弱環節。

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