短引腳PGA選擇性波峰焊工藝技術

杜 爽 楊京偉 齊 林 田小梅 趙亞飛

(北京空間機電研究所，北京 100094)

0 引言

數字信號處理在航天航空、軍用裝備、自動控制等領域均有廣泛的應用，其封裝類型包括四面扁平封裝(QFP)、球柵陣列封住(BGA)和針柵陣列封裝(PGA)［1］。其中，PGA封裝器件底面引腳呈陣列狀排布，陶瓷封裝，引腳呈針狀，引腳長度一般在1.5～7 mm，引腳間距一般為 2.54 mm 或 1.27 mm，PGA 封裝相對于QPF和BGA封裝優點有:(1)裝聯方便;(2)通孔安裝焊點的機械強度優于表面貼裝焊點。因此，PGA封裝是高可靠性信號處理設計的首選。

由于航天產品的特殊應用場合和很多特殊的要求，使得選用間距為1.27 mm、引腳長度為2 mm的PGA封裝器件在裝聯時會面臨以下問題:(1)安裝不滿足航天標準要求，元器件引腳末端在電路板焊接面要伸出(1.5±0.8)mm，電路板厚度一般在 1.6～2.5 mm，短引腳PGA引腳長度為2 mm，無論是否抬高，短引腳PGA安裝后伸出印制板面的高度都達不到標準規定的最小距離;(2)焊點過錫及檢測困難，短引腳PGA封裝器件裝聯在大面積敷銅的多層印制板上時，接地焊點很容易過錫不完全，而焊點的合格標準為過錫100%，由于PGA抬高高度有限，目視無法檢測到元件面焊點外觀質量及過錫情況;(3)焊點可靠性，短引腳PGA焊接后，引腳不能露出焊點，與標準規定的合格焊點不同，而焊點的可靠性影響著整個產品的使用壽命，因此這種非常規焊點的可靠性能否滿足長壽命高可靠的應用需要研究。

IPC標準(國際電子工業聯接協會)和ECSS標準(歐空局)已經形成完善的電氣互聯標準，用于不斷發展的高密度引腳器件、多層印制板通孔焊接、多芯片微組裝等需求，但是對于PGA引腳零伸出甚至負伸出的裝聯情況，國內外均無標準可依據。張艷鵬等人［1］對短引腳PGA封裝器件的焊接方法進行了研究，采用底部預熱設備配合不同烙鐵頭對PGA進行焊接，但是對其焊點的可靠性如何并無分析。本文以短引腳PGA封裝器件為研究對象，探討適用于這種器件焊接的工藝方法。

1 工藝方法及焊接機理

1.1 工藝方法

短引腳PGA封裝器件焊接主要有三種工藝方法:手工焊接方法;回流焊接方法;選擇性波峰焊接方法。

手工焊接方法是通過提高預熱溫度、焊接溫度和焊接時間，實現大面積敷銅焊點過錫。PGA引腳數量多達幾百甚至上千個，焊接方法依賴工人的操作手法，焊點一致性差，對于不過錫的焊點多次反復焊接存在金屬化孔失效的質量隱患。

回流焊接方法是把PGA作為貼裝器件，陣列排布與CCGA封裝器件類似。對比PGA與CCGA的各項參數:首先，引腳形狀不同，常用CCGA引腳為柱狀，直徑為0.5～0.6 mm，而 PGA 引腳為針狀，直徑只有0.3 mm，表貼安裝時PGA引腳與焊盤的接觸面積小，不易形成可靠的焊點;其次，引腳成分不同，CCGA引腳成分為鉛錫合金，多為90Pb10Sn合金，PGA引腳成分為可伐合金(鐵鎳鈷合金)，去金搪錫后，僅引腳表面有鉛錫成分。PGA引腳比CCGA剛性強，應力釋放差，容易產生疲勞損傷，回流焊接后形成的合金層厚度也會有所不同。

選擇性波峰焊接方法是波峰焊接方法的一種，焊料通過焊接噴嘴中不斷涌出，形成穩定的動態錫波，針對所選區域實現逐點焊接的過程［2］。選擇性波峰焊可以實現電路板整板預熱，焊錫熱容大、焊接溫度穩定、波峰強度高等特點，因而在焊接多層印制電路板時，敷銅焊點能很好的過錫，形成良好的焊點。

綜上所述，短引腳PGA的焊接試驗采用選擇性波峰焊接方法，其優點在于參數設置合理后，焊點一致性好，可擺脫手工焊接多次受熱導致可靠性降低的影響，進一步提高生產效率。

1.2 焊接機理

在波峰焊工藝中，通孔的填充過程是指安裝了元器件的雙面或者多層印制電路板經過助焊劑去除元器件焊盤與引腳的氧化層后，接觸焊料波峰，利用焊料對器件引腳的毛細作用力填充金屬化孔，實現焊接的過程。在金屬化孔內，焊料主要承受重力PG、由印制電路板浸入焊料引起的靜壓力PY以及表面張力引起的附加壓力PA，如圖1所示。其中，焊料爬升的主要力為表面張力形成的附加力，即毛細作用力［3］。熔融態焊錫的爬升高度和動態爬升速度表示為［4］:

式中，h表示焊料爬升高度;σsg表示固氣界面的張力;σsl表示固液界面張力;ρ表示液態焊料密度;g表示加速度;α表示通孔直徑;σt表示焊料的表面張力;θ表示液面的接觸角;η表示熔融焊料的黏度;y表示任意時刻的爬升高度。

由公式(1)可知，元器件引腳與焊盤孔壁的間隙成反比，即間隙越小，焊料爬升高度越高，焊點的透錫效果越好。由公式(2)可知，爬升速度與焊料的黏度和爬升高度成反比，填充中印制電路板的溫度應保持在一定范圍之內。

2 工藝試驗

2.1 試驗準備

采用SMJ320C6415工業級短引腳PGA，引腳高度為2 mm，引腳直徑為0.3 mm，引腳中心間距為1.27 mm。印制電路板選用FR－4基材，層數為12層，制板厚度(1.7±0.2)mm，焊盤鍍層為鉛錫合金。根據相關標準，通孔元器件的焊盤孔徑大于其引腳直徑0.2～0.4 mm，基于前述的焊接機理，器件的引腳直徑和焊盤設計直徑分別為0.3和0.6 mm。接地焊盤設計為“+”花焊盤，防止熱量快速流失。

2.2 選擇性波峰焊接

根據選擇性波峰焊技術的主要工藝參數:陣列器件PGA多采用拖焊的焊接方法，可避免由焊點拉尖引起的缺陷;根據印制板的層數和覆銅層數設置錫鍋溫度，錫鍋溫度一般設置在280～300℃;根據PGA的焊接區域面積選擇噴嘴尺寸，拖焊速度為噴嘴尺寸除以焊接時間，焊接速度一般為2～3.5 mm/s;助焊劑采用霧狀噴涂方式，速度設置為10～25 mm/s。

短引腳PGA引腳長度為2 mm，貼板安裝由于氣密導致透錫率不良，抬高過低不利于安裝面助焊劑的清洗，并導致焊點橋連;按照行業標準抬高0.75 mm以上，器件引腳不能露出印制板板面，甚至只能伸進焊盤孔一半，嚴重影響引腳與焊盤孔內焊錫的結合強度，導致焊點可靠性降低。綜合考慮各方面需求，短引腳PGA采取抬高0.3 mm焊接，保證引腳在焊盤孔內的長度且便于清洗。短引腳PGA選擇性波峰焊接的技術難點在于波峰高度和運行速度的設置，經過多次焊接參數調整，表1、圖2分別為選擇性波峰焊接的參數設置和焊接過程。

表1 選擇性波峰焊接參數Tab.1 The parameters of selective wave soldering

2.3 焊點驗證試驗

根據焊點的主要失效模式及遇到的環境應力對焊點可靠性進行驗證，熱應力和機械應力是焊點可靠性驗證的主要影響因素。因此，采用振動和溫度循環試驗對短引腳PGA焊點可靠性進行驗證，其中環境試驗中振動和溫循條件是參照ECSS－70－08C制定的［5］。

2.3.1 振動試驗

正弦振動:頻率范圍為10～2 000 Hz，15 g;振動幅值(峰－峰值)為 10～70 Hz，1.5 mm;掃描速率為 1倍頻/min;試驗持續時間為一次循環，10～2000～10 Hz。

隨機振動:頻率范圍為20～2 000 Hz，15g;功率頻譜密度為0.1 g2/Hz;試驗持續時間為10 min，每一軸向。

2.3.2 溫度循環試驗

溫度范圍為－55～100℃;溫度變化率不超過10℃/min;極限溫度保持時間15 min;試驗次數為200個循環。

如表2所示，驗證試驗安排包含:電性能測試、視覺檢查、振動試驗、溫度循環試驗和顯微剖切。

表2 焊點驗證試驗安排Tab.2 Experiment of solder joint verification

3 結果分析

3.1 外觀檢查

短引腳PGA封裝器件焊接完成后，用顯微鏡檢查焊點外觀，由圖3可以看出引腳未伸出焊點，根據IPC標準IPC－A－610D的要求，焊點表面清潔、光亮、無裂紋、無顆粒，除引腳伸出高度外均滿足標準要求。

3.2 X光射線檢測

通過X射線對焊點橋連和過錫效果進行檢測如圖4所示。從圖4(a)看出，焊點圖像均勻，邊界清晰，未出現橋連和裂紋缺陷;從圖4(b)看出，焊點過錫效果良好且無明顯氣泡。

3.3 環境試驗

經過振動和溫度循環試驗后，按照表2試驗安排，再次對印制電路板上PGA進行外觀和X射線檢測，檢查結果良好，沒有明顯缺陷，并且電性能良好。

3.4 金相分析

依據表2對環境試驗前后的器件進行顯微剖切，剖切位置為每個器件的1、2、5、6、8列(5列總共116個焊點)。焊點的切片圖顯示，焊錫與器件引腳、焊盤孔壁結合處良好且形態一致，透錫量100%，無裂紋;所有焊點的合金層厚度滿足合格焊點的要求，在0.5～5.0μm內，且合金層厚度在環境試驗后無明顯變化，保證了焊點可靠性。圖5為環境試驗后的PGA焊點切片全貌，圖6為環境試驗后的焊料與PGA引腳結合處的合金層厚度。

4 結論

針對短引腳PGA開展了相關工藝研究，通過分析三種焊接方法，采用選擇性波峰焊接方法進行焊接工藝試驗，經過對波峰焊參數的多次調試，得到適用于短引腳PGA焊接的工藝參數，完成了X射線檢測、顯微剖切、溫度循環試驗、振動試驗等驗證試驗。結果數據表明，焊點外觀良好，透錫量100%，顯微剖切后沒有縱向裂紋，該工藝方法適用于短引腳PGA的焊接，具備一定工藝應用價值。

［1］張艷鵬，王玉龍，張偉.軍用短引腳陶瓷封裝PGA裝聯工藝技術研究［J］.電子工藝技術，2015，36(5):281－282

［2］嚴貴生，楊淑娟，王修利，等.選擇性波峰焊工藝技術研究［J］.航天制造技術，2014(3):10－13

［3］樊融融.印制電路板波峰焊接系統工程技術［C］//四川省電子學會SMT專業委員會，山西省電子學會SMT專業委員會，2001:229

［4］王曉敏，史建衛，楊冀，等.無鉛波峰焊不同板厚通孔焊點的填充性研究［J］.電子工業專用設備，2008，37(10):36－42

［5］ECSS－Q－ST－70－38C，表面裝配高可靠性焊接

［6］IPC－A－610D電子組件的驗收條件