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有铅和无铅BGA混装工艺研究

作者:未知

  摘   要:BGA封装器件具有较高的密度,而且具有高性能、多功能及高I/O引脚封装特点,是目前使用最为广泛的器件种类之一。但军工生产为追求产品的更高可靠性,目前还是以有铅锡膏生产为主,主流芯片都是无铅化,所以决定了军品混铅生产的必要性。文章从有铅和无铅焊料温度特性展开分析,结合有铅焊料和无铅BGA混合组装工艺中的难点部分、生产存在问题提出焊接工艺要求及注意事项等内容。另外,通过采取合理的试验,阐述混合组装焊点的可靠性和稳定性,为有铅锡膏生产过程提供更有价值的指导意义。
  关键词:有铅;无铅;BGA;混装工艺
  对于焊球阵列封装(Ball Grid Array,BGA)封装的分类,主要是依照以下的几种方式进行划分:根据芯片表面不同的封装技术,可划分陶瓷封装BGA以及塑料封装BGA(Plastic Ball Grid Array package,PBGA)。根据内部芯片以及衬底连接要求,可划分成柔性BGA以及倒装片BGA。根据引出端形状,划分成针栅阵列和孔栅阵列[1];根据球间距的不同,又有可分为BGA、FBGA和CSP。下面基于BGA封装优势和不足的基础上,分析有铅和无铅BGA混装工艺情况。
  1    BGA封装的优势和不足分析
  BGA封装具有以下优势。(1)就性能方面,BGA焊球引脚相对较短,将传输信号路径明显的减少,所以有效地减小寄生参数,对于电路性能起到积极的改善作用,在高速应用中体现了这一优点。(2)BGA具有较多的I/O引脚数,在小型结构内可处理高I/O数量,所以有助于实现高密度、低功耗、产品微型化[2]。(3)BGA封装的IC具有自对中心能力,在再流焊接过程中可以抑制板级组装工艺质量问题,能够将贴装成品率进行明显的提升,以减少成本支出。(4)BGA阵列焊球可以扩大跟基板之间的接触面积,更能够获得有效散热的效果,而且能够对I/O端共面性进行改善,降低组装期间损伤程度,实现了组装安全可靠性的有效提升。(5)BGA在MCM封装中具有良好的适用性,可以将其性能进行增强。
  BGA封装具有以下不足分析。(1)BGA封装具有一定的缺陷问题,BGA封装会产生占用较大的基本面积。(2)对于焊点可靠性具有较高的要求标准。(3)BGA具有较高的检测难度和技术性要求,通常需用X-RAY检查。(4)返修方法具备一定的困难度,需专用设备进行返修,且进行返修后,芯片若想再利用必须要通过植球以后方可。(5)BGA封装对于温度和湿度具有较强的敏感性,需要保存于恒温干燥的状态中,生产前,通常需对于不同湿敏等级的BGA进行烘烤识别和烘烤[3-5]。
  2    有铅和无铅混装
  无铅化获得相继发展,在军事电子制造领域中,已经产生共存有铅、无铅,而且现下共同组装有铅以及无铅BGA器件的情况是较多的。但是实际上有铅焊球同无铅焊球之间是具有各不同的熔点的。如采用Sn-Ag-Cu合金的无铅BGA的焊球熔点较高为217 ℃,而Sn63-37Pb合金的有铅BGA的焊球熔点为183 ℃。如实施Sn63-37Pb焊料的温度曲线生产,一般峰值温度在210~230 ℃,假如设定PBGA再流焊的峰值温度是在220 ℃情况下,当再流焊温度升至183 ℃时,PCBA板上的有铅焊膏开始熔化,但是无铅BGA的Sn-Ag-Cu焊球是未熔化的。当温度上升到220 ℃时,按照有铅工艺开始降温、结束焊接,但此时无铅焊球才刚刚熔化,处于固相线跟液相线保持216~220 ℃的状态中。尽管Sn-Ag-Cu合金标称具有217 ℃的熔点,但实际上在该温度下不能形成牢固的合金界面层,容易造成PBGA一侧焊点失效,因此,进行混铅组装工艺过程,需对有铅焊料和无铅锡球的温度特性进行充分的考虑。
  另外,进行混合组装过程中,在对组装各个焊接流程进行严格控制的基础上,还应加强管理以及控制好全部组装环节的工作,这也是获得高质量焊接产品的重要保障。同时严格遵循实际状态,展开针对性地分析,科学地调整生产方案,实施相应的优化,提升合理性、针对性,确保得到的产品更加优质和可靠。
  3    实际工艺试验和结果情况分析
  有铅和无铅BGA混装需要从两个方面上进行考虑。第一种是具有众多的无铅器件数量,同时也存在较大尺寸的情况,焊接主要是以兼容焊接工艺曲线方式进行。基于有铅工艺曲线前提下,将温度进行相应的提升,控制好峰值温度为230 ℃左右,同时掌握住25 s左右的峰值回流时间为宜。可以既满足有铅BGA器件的焊接,又符合无铅BGA器件回流应該具备的温度,获得更好的焊接成效。第二种是较多有铅器件数量以及具有较小的无铅BGA器件尺寸,经植球工艺转化无铅器件为有铅器件,之后通过有铅工艺曲线的方式,展开焊接操作。此试验中,主要是实施PCB2试验板、PCB4试验板两种,PCB厚度是1.8 mm。器件是应用PBGA哑片(Sn63-37Pb以及Sn-Ag-Cu焊球)。PCB2内有铅哑片的是D2,D3,D5,另外进行无铅哑片植球以后实施焊接的是D1以及D6。PCB4内具备哑片的为D2以及D3,D7,其他属于无哑片(D1,D5,D6,D8)。
  首先,落实组装前的准备工作。正式的组装操作展开之前,需要仔细地检查好BGA器件、印制板状态。例如,严格检查印制板的板面是否具有翘曲问题,以及观察焊盘是否存在短路、断路现象,禁止加工具有质量较差、氧化严重等不良问题的印制电路板。如果印制电路板的表面部位不整洁,需要采取无水乙醇脱脂棉球进行清洗。对于BGA元器件方面,需要进行科学判别,组装器件有铅以及无铅,观察BGA焊球有无出现氧化、缺陷的情况等。
  其次,展开组装工作。组装之前,展开烘烤BGA器件,将其内部的湿气进行消除,主要原因是有助于增强耐热性。在烘烤以后需要进行半小时的自然冷却,之后展开组装操作。实施印刷焊膏期间,需要使得焊膏在焊盘上进行覆盖面积超过75%为宜,确保焊膏的表面处于光滑以及整洁、不具有空隙等,结束焊膏印刷直至再流焊接的等待时间需要在2小时以内。设置焊接温度曲线时,应该遵循合计板子状态再展开,例如板子的大小以及器件的种类和数量等,对焊接温度曲线实施科学的调整以及设置。针对PCB4来说,板子上无铅BGA期间数量同有铅器件数量相比较多,所以实施设置兼容曲线展开焊接的方式。通过进行炉温测试仪温度传感器的测试显示,PCB4印制板中,每一BGA器件的底部温度是在232 ℃左右,峰值回流时间是在20 s左右。PCB2中,板子上有铅BGA的器件数量更多,无铅器件D1相对较小,所以应该先落实植球处理D1以及D6项有铅器件进行转换,再实施设置有铅焊接温度曲线展开相应的焊接,多次的测试以及调整曲线以后,合理地确定好有铅焊接曲线参数内容。通过展开炉温测试仪温度传感器的测试,得到了PCB2印制板上面BGA器件底部具有215 ℃左右的温度以及25 s左右的峰值回流时间。结束焊接工作以后,实施X-射线和外观检测PCB4以及PCB2试验板,显示BGA器件都未产生短路的现象,而且印制电路板的表面部位未出现裂纹、斑点以及气泡等不良现象[6-8]。   4    可靠性驗证探究
  为了进行试验可靠性的验证,需要展开试验板的分析测试。首先,结束焊接以后,予以两试验板按照航空标准实施温度冲击、随机振动耐久试验,结果显示,全部的环节里,均具有良好的试验板外观状态,无异常情况发生。其次,为对于焊点的状态进行深入掌握,予以BGA器件焊点进行实验室切片以及电镜、染色的分析处理,结果显示电镜以及切片实验内,试验板混合组装的BGA焊点内部并没有产生气泡空洞情况,而且焊点界面形态完整。实施染色试验以后显示,元件的一侧或者印制板的界面内未渗透进红色的颜料,表明焊点试验之前没有出现开裂的问题,同时也无虚焊情况。
  5    结语
  在不断发展无铅化的情况下,不可避免地会出现有铅以及无铅BGA混合组装的情况。在此模式下,不同的焊料温度特性不尽相同,而且存在较小的焊接工艺窗口以及困难度,但是在明确好各焊料温度特性情况下,经相应的调整试验以及对于工艺参数实施合理地优化,生产期间严格地加强控制管理工作,便能够确保焊接产品质量的有效提升。
  作者简介:刘添福(1973— ),男,广东河源人,工程师,学士;研究方向:研发工艺师。
  [参考文献]
  [1]姜学明,林鹏荣,练滨浩,等.有铅和无铅倒装焊点研究[J].电子工艺技术,2017(1):26-28.
  [2]贾忠中.BGA缩锡开裂现象形成机理分析与研究[J].电子工艺技术,2017(2):122-124.
  [3]徐枫.军用有铅无铅元器件混装技术及可靠性分析[J].国防制造技术,2015(3):46-47.
  [4]陈轶龙,贾建援,付红志,等.基于自组装成品率的球栅阵列焊点工艺参数分析[J].中国机械工程,2016(19):2658-2662.
  [5]陈莲英,徐卫合.表面贴装元器件有铅与无铅装配工艺的研究[J].无线互联科技,2014(5):168.
  [6]房玉锋,郭辉.有铅无铅混装焊接工艺在高铁产品中的应用研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2018(1):60-64.
  [7]李龙,冯瑞,赵淑红.有铅焊膏和无铅BGA混装焊点的可靠性探索[J].电子工艺技术,2018(2):88-91.
  [8]黄智丹,张森,许永号,等.波峰焊对BGA焊点的影响[J].新型工业化,2018(7):68-72.
  Abstract:Ball Grid Array package devices have high density, high performance, versatility and high I/O pin package characteristics, and are one of the most widely used device types. However, in order to pursue higher reliability of products, military production is still dominated by lead-based solder paste. The mainstream chips are lead-free, which determines the necessity of mixed lead production of military products. The article analyzes the temperature characteristics of leaded and lead-free solders, combines the difficult parts of the lead-solder and lead-free BGA hybrid assembly process, and has problems in production, welding requirements and precautions. In addition, by taking reasonable tests to illustrate the reliability and stability of the hybrid assembly solder joints, it provides more valuable guidance for the lead solder paste production process.
  Key words:lead; lead-free; BGA; mixed process
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