有鉛和無鉛BGA混裝工藝研究

摘? ?要：BGA封裝器件具有較高的密度，而且具有高性能、多功能及高I/O引腳封裝特點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的器件種類之一。但軍工生產(chǎn)為追求產(chǎn)品的更高可靠性，目前還是以有鉛錫膏生產(chǎn)為主，主流芯片都是無鉛化，所以決定了軍品混鉛生產(chǎn)的必要性。文章從有鉛和無鉛焊料溫度特性展開分析，結(jié)合有鉛焊料和無鉛BGA混合組裝工藝中的難點(diǎn)部分、生產(chǎn)存在問題提出焊接工藝要求及注意事項(xiàng)等內(nèi)容。另外，通過采取合理的試驗(yàn)，闡述混合組裝焊點(diǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，為有鉛錫膏生產(chǎn)過程提供更有價(jià)值的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：有鉛;無鉛;BGA;混裝工藝

對于焊球陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）封裝的分類，主要是依照以下的幾種方式進(jìn)行劃分：根據(jù)芯片表面不同的封裝技術(shù)，可劃分陶瓷封裝BGA以及塑料封裝BGA（Plastic Ball Grid Array package，PBGA）。根據(jù)內(nèi)部芯片以及襯底連接要求，可劃分成柔性BGA以及倒裝片BGA。根據(jù)引出端形狀，劃分成針柵陣列和孔柵陣列[1];根據(jù)球間距的不同，又有可分為BGA、FBGA和CSP。下面基于BGA封裝優(yōu)勢和不足的基礎(chǔ)上，分析有鉛和無鉛BGA混裝工藝情況。

1? ? BGA封裝的優(yōu)勢和不足分析

BGA封裝具有以下優(yōu)勢。（1）就性能方面，BGA焊球引腳相對較短，將傳輸信號(hào)路徑明顯的減少，所以有效地減小寄生參數(shù)，對于電路性能起到積極的改善作用，在高速應(yīng)用中體現(xiàn)了這一優(yōu)點(diǎn)。（2）BGA具有較多的I/O引腳數(shù)，在小型結(jié)構(gòu)內(nèi)可處理高I/O數(shù)量，所以有助于實(shí)現(xiàn)高密度、低功耗、產(chǎn)品微型化[2]。（3）BGA封裝的IC具有自對中心能力，在再流焊接過程中可以抑制板級(jí)組裝工藝質(zhì)量問題，能夠?qū)①N裝成品率進(jìn)行明顯的提升，以減少成本支出。（4）BGA陣列焊球可以擴(kuò)大跟基板之間的接觸面積，更能夠獲得有效散熱的效果，而且能夠?qū)/O端共面性進(jìn)行改善，降低組裝期間損傷程度，實(shí)現(xiàn)了組裝安全可靠性的有效提升。（5）BGA在MCM封裝中具有良好的適用性，可以將其性能進(jìn)行增強(qiáng)。

BGA封裝具有以下不足分析。（1）BGA封裝具有一定的缺陷問題，BGA封裝會(huì)產(chǎn)生占用較大的基本面積。（2）對于焊點(diǎn)可靠性具有較高的要求標(biāo)準(zhǔn)。（3）BGA具有較高的檢測難度和技術(shù)性要求，通常需用X-RAY檢查。（4）返修方法具備一定的困難度，需專用設(shè)備進(jìn)行返修，且進(jìn)行返修后，芯片若想再利用必須要通過植球以后方可。（5）BGA封裝對于溫度和濕度具有較強(qiáng)的敏感性，需要保存于恒溫干燥的狀態(tài)中，生產(chǎn)前，通常需對于不同濕敏等級(jí)的BGA進(jìn)行烘烤識(shí)別和烘烤[3-5]。

2? ? 有鉛和無鉛混裝

無鉛化獲得相繼發(fā)展，在軍事電子制造領(lǐng)域中，已經(jīng)產(chǎn)生共存有鉛、無鉛，而且現(xiàn)下共同組裝有鉛以及無鉛BGA器件的情況是較多的。但是實(shí)際上有鉛焊球同無鉛焊球之間是具有各不同的熔點(diǎn)的。如采用Sn-Ag-Cu合金的無鉛BGA的焊球熔點(diǎn)較高為217 ℃，而Sn63-37Pb合金的有鉛BGA的焊球熔點(diǎn)為183 ℃。如實(shí)施Sn63-37Pb焊料的溫度曲線生產(chǎn)，一般峰值溫度在210～230 ℃，假如設(shè)定PBGA再流焊的峰值溫度是在220 ℃情況下，當(dāng)再流焊溫度升至183 ℃時(shí)，PCBA板上的有鉛焊膏開始熔化，但是無鉛BGA的Sn-Ag-Cu焊球是未熔化的。當(dāng)溫度上升到220 ℃時(shí)，按照有鉛工藝開始降溫、結(jié)束焊接，但此時(shí)無鉛焊球才剛剛?cè)刍幱诠滔嗑€跟液相線保持216～220 ℃的狀態(tài)中。盡管Sn-Ag-Cu合金標(biāo)稱具有217 ℃的熔點(diǎn)，但實(shí)際上在該溫度下不能形成牢固的合金界面層，容易造成PBGA一側(cè)焊點(diǎn)失效，因此，進(jìn)行混鉛組裝工藝過程，需對有鉛焊料和無鉛錫球的溫度特性進(jìn)行充分的考慮。

另外，進(jìn)行混合組裝過程中，在對組裝各個(gè)焊接流程進(jìn)行嚴(yán)格控制的基礎(chǔ)上，還應(yīng)加強(qiáng)管理以及控制好全部組裝環(huán)節(jié)的工作，這也是獲得高質(zhì)量焊接產(chǎn)品的重要保障。同時(shí)嚴(yán)格遵循實(shí)際狀態(tài)，展開針對性地分析，科學(xué)地調(diào)整生產(chǎn)方案，實(shí)施相應(yīng)的優(yōu)化，提升合理性、針對性，確保得到的產(chǎn)品更加優(yōu)質(zhì)和可靠。

3? ? 實(shí)際工藝試驗(yàn)和結(jié)果情況分析

有鉛和無鉛BGA混裝需要從兩個(gè)方面上進(jìn)行考慮。第一種是具有眾多的無鉛器件數(shù)量，同時(shí)也存在較大尺寸的情況，焊接主要是以兼容焊接工藝曲線方式進(jìn)行。基于有鉛工藝曲線前提下，將溫度進(jìn)行相應(yīng)的提升，控制好峰值溫度為230 ℃左右，同時(shí)掌握住25 s左右的峰值回流時(shí)間為宜。可以既滿足有鉛BGA器件的焊接，又符合無鉛BGA器件回流應(yīng)該具備的溫度，獲得更好的焊接成效。第二種是較多有鉛器件數(shù)量以及具有較小的無鉛BGA器件尺寸，經(jīng)植球工藝轉(zhuǎn)化無鉛器件為有鉛器件，之后通過有鉛工藝曲線的方式，展開焊接操作。此試驗(yàn)中，主要是實(shí)施PCB2試驗(yàn)板、PCB4試驗(yàn)板兩種，PCB厚度是1.8 mm。器件是應(yīng)用PBGA啞片（Sn63-37Pb以及Sn-Ag-Cu焊球）。PCB2內(nèi)有鉛啞片的是D2，D3，D5，另外進(jìn)行無鉛啞片植球以后實(shí)施焊接的是D1以及D6。PCB4內(nèi)具備啞片的為D2以及D3，D7，其他屬于無啞片（D1，D5，D6，D8）。

首先，落實(shí)組裝前的準(zhǔn)備工作。正式的組裝操作展開之前，需要仔細(xì)地檢查好BGA器件、印制板狀態(tài)。例如，嚴(yán)格檢查印制板的板面是否具有翹曲問題，以及觀察焊盤是否存在短路、斷路現(xiàn)象，禁止加工具有質(zhì)量較差、氧化嚴(yán)重等不良問題的印制電路板。如果印制電路板的表面部位不整潔，需要采取無水乙醇脫脂棉球進(jìn)行清洗。對于BGA元器件方面，需要進(jìn)行科學(xué)判別，組裝器件有鉛以及無鉛，觀察BGA焊球有無出現(xiàn)氧化、缺陷的情況等。

其次，展開組裝工作。組裝之前，展開烘烤BGA器件，將其內(nèi)部的濕氣進(jìn)行消除，主要原因是有助于增強(qiáng)耐熱性。在烘烤以后需要進(jìn)行半小時(shí)的自然冷卻，之后展開組裝操作。實(shí)施印刷焊膏期間，需要使得焊膏在焊盤上進(jìn)行覆蓋面積超過75%為宜，確保焊膏的表面處于光滑以及整潔、不具有空隙等，結(jié)束焊膏印刷直至再流焊接的等待時(shí)間需要在2小時(shí)以內(nèi)。設(shè)置焊接溫度曲線時(shí)，應(yīng)該遵循合計(jì)板子狀態(tài)再展開，例如板子的大小以及器件的種類和數(shù)量等，對焊接溫度曲線實(shí)施科學(xué)的調(diào)整以及設(shè)置。針對PCB4來說，板子上無鉛BGA期間數(shù)量同有鉛器件數(shù)量相比較多，所以實(shí)施設(shè)置兼容曲線展開焊接的方式。通過進(jìn)行爐溫測試儀溫度傳感器的測試顯示，PCB4印制板中，每一BGA器件的底部溫度是在232 ℃左右，峰值回流時(shí)間是在20 s左右。PCB2中，板子上有鉛BGA的器件數(shù)量更多，無鉛器件D1相對較小，所以應(yīng)該先落實(shí)植球處理D1以及D6項(xiàng)有鉛器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再實(shí)施設(shè)置有鉛焊接溫度曲線展開相應(yīng)的焊接，多次的測試以及調(diào)整曲線以后，合理地確定好有鉛焊接曲線參數(shù)內(nèi)容。通過展開爐溫測試儀溫度傳感器的測試，得到了PCB2印制板上面BGA器件底部具有215 ℃左右的溫度以及25 s左右的峰值回流時(shí)間。結(jié)束焊接工作以后，實(shí)施X-射線和外觀檢測PCB4以及PCB2試驗(yàn)板，顯示BGA器件都未產(chǎn)生短路的現(xiàn)象，而且印制電路板的表面部位未出現(xiàn)裂紋、斑點(diǎn)以及氣泡等不良現(xiàn)象[6-8]。

4? ? 可靠性驗(yàn)證探究

為了進(jìn)行試驗(yàn)可靠性的驗(yàn)證，需要展開試驗(yàn)板的分析測試。首先，結(jié)束焊接以后，予以兩試驗(yàn)板按照航空標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施溫度沖擊、隨機(jī)振動(dòng)耐久試驗(yàn)，結(jié)果顯示，全部的環(huán)節(jié)里，均具有良好的試驗(yàn)板外觀狀態(tài)，無異常情況發(fā)生。其次，為對于焊點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行深入掌握，予以BGA器件焊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室切片以及電鏡、染色的分析處理，結(jié)果顯示電鏡以及切片實(shí)驗(yàn)內(nèi)，試驗(yàn)板混合組裝的BGA焊點(diǎn)內(nèi)部并沒有產(chǎn)生氣泡空洞情況，而且焊點(diǎn)界面形態(tài)完整。實(shí)施染色試驗(yàn)以后顯示，元件的一側(cè)或者印制板的界面內(nèi)未滲透進(jìn)紅色的顏料，表明焊點(diǎn)試驗(yàn)之前沒有出現(xiàn)開裂的問題，同時(shí)也無虛焊情況。

5? ? 結(jié)語

在不斷發(fā)展無鉛化的情況下，不可避免地會(huì)出現(xiàn)有鉛以及無鉛BGA混合組裝的情況。在此模式下，不同的焊料溫度特性不盡相同，而且存在較小的焊接工藝窗口以及困難度，但是在明確好各焊料溫度特性情況下，經(jīng)相應(yīng)的調(diào)整試驗(yàn)以及對于工藝參數(shù)實(shí)施合理地優(yōu)化，生產(chǎn)期間嚴(yán)格地加強(qiáng)控制管理工作，便能夠確保焊接產(chǎn)品質(zhì)量的有效提升。

作者簡介：劉添福（1973— ），男，廣東河源人，工程師，學(xué)士;研究方向：研發(fā)工藝師。

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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