球柵陣列制備方法研究

趙鶴然，王廣奇，鄭 策，馬艷艷，蔡 震，劉慶川

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

上世紀90 年代以后，單芯片集成度不斷提高，I/O 引腳數急劇增加，功耗也隨之增大，為滿足新的發展需要，BGA（Ball Grid Array Package，球柵陣列封裝）作為一種新的封裝形式應運而生。最近20 年間，國內涌現出大量的關于BGA 的研究，尤其2000年到2005 年之間發表了許多高引用數的文章，較為全面地探討了BGA 技術的優勢，推動了后續研究工作的開展。行業內最關注的是BGA 的可靠性問題，從應力-熱損傷到疲勞、加速試驗、強化試驗、焊點形貌、界面時效演化等主題層層展開[1-4]。提出了“填充加固”、“缺陷檢查”、“失效機理”、“熱應力仿真”、“壽命預測”、“高速電性能仿真”等諸多具體技術范疇。直至現在，“可靠性”、“空洞”、“應力”、“高頻特性”等方向[5-6]，仍然是國內BGA 研究的熱點。基于已有的成果，本研究偏重于BGA 球柵陣列的制備過程，結合試驗分析，介紹三種有代表性的方法，闡述它們的植球原理及成球的基本形貌，對比每種植球方法的特點，比較不同焊球制備方法在平面度和剪切力等方面的表現。

2 試驗條件及要求

試驗采用7×11 陣列PCB 板，焊盤直徑0.63mm，焊盤中心距為1.27mm；使用Sn63Pb37 錫鉛焊球和Sn10Pb90 高鉛焊球。焊球的固化工藝選用回流焊，回流溫度曲線如圖1 所示。使其峰值溫度略高于Sn63Pb37 熔點。固化后焊球的高度為0.6±0.1mm，焊球為0.76 mm。

圖1 回流溫度曲線

3 球柵陣列制備方法

3.1 “助焊劑-錫鉛焊球”植球法

助焊劑植球如圖2 所示。它是先在焊盤上均勻刷一層助焊劑，再通過鋼網將錫球放置在助焊劑上，之后進行回流固化。回流固化時，焊球到達熔點發生熔化，在助焊劑的作用下，焊球底部與焊盤表面完成潤濕。在回流固化過程中，助焊劑起到清除焊盤和錫球表面氧化膜、提高潤濕性的作用。由于焊球熔化導致其中的助焊劑成分流失，以及熔化后焊球的鋪展，焊球高度會有損失。

圖2 助焊劑植球原理圖

選擇適當的助焊劑類型和助焊劑用量是保證植球高成品率的關鍵。一方面，在回流固化之前，助焊劑也要承擔起固定錫球的作用，因此需要選擇具有一定粘性的膏狀助焊劑。移動樣品過程中難免會產生傾斜、振動，如果助焊劑涂得太薄，對錫球的粘附性就弱，這會導致錫球移位，在回流過程中容易橋連或多個焊球聚合在一起，如圖3 所示。同時，局部的助焊劑不足不利于焊球的充分熔化和鋪展，易形成畸形焊球或球內空洞，如圖4 所示。另一方面，膏狀助焊劑受熱后，其流動性大大加強，如果助焊劑過多，會導致錫球隨助焊劑的流動而發生移位，同樣對植球效果產生影響。綜上，合理設計助焊劑的用量，及助焊劑精準涂覆，是良好植球的關鍵。

圖3 焊球橋連和聚合

圖4 焊球畸形及空洞

3.2 “焊錫膏-錫鉛焊球”植球法

焊錫膏植球如圖5 所示。它是先在焊盤上預制焊錫膏，再將錫球放置在焊錫膏上。在回流固化時，焊錫膏和錫球到達熔點以上后熔化，重新聚合成球，固化后形成焊球。

圖5 焊錫膏植球原理圖

由于焊錫膏對焊球的粘附力較強，在置球后焊球不易移位和脫落。固化時，焊錫膏熔化并參與到錫鉛焊球的固化反應中，兩者共同完成與焊盤之間的浸潤，形成界面。焊錫膏作為焊點的一部分，彌補了錫球在固化過程中損失助焊劑成分而減小的體積，因此，植球后的錫球高度比使用助焊劑植球的錫球高度有所提高。相比于其它兩種植球方式，這種焊錫膏-錫球互熔的過程最為復雜，如果焊球本身氧化，或回流過程控制不好，會導致焊球氧化或過熔，其表面易呈現橘皮狀的褶皺紋理，如圖6 所示。

圖6 橘皮狀褶皺紋理

鑒于焊錫膏在焊點中扮演的重要角色，其涂刷均勻性也直接影響固化后焊球的一致性。可以通過適當擴大鋼網開口、降低鋼網厚度，來提高鋼網的透錫率。另外，也可通過使用自動印刷設備來提高刷錫一致性。

3.3 “焊錫膏-高鉛焊球”植球法

高鉛焊球一般用在陶瓷球柵陣列中，是可控塌陷芯片互連技術的擴展產品[7]，其原理如圖7 所示。可采用絲網印刷的方式，在焊盤上印刷Sn63Pb37 焊料，再放置Sn10Pb90 高鉛焊球。高鉛焊球的熔點高于Sn63Pb37 焊料，在回流過程中不會熔化塌陷，植球后焊球高度與焊球高度相近，從而獲得較高的共面性。

圖7 高鉛焊球植球原理圖

印刷的Sn63Pb37 焊料在回流熔化后，向焊盤和高鉛焊球兩端浸潤，形成“托舉”狀，抱住焊球。因此，Sn63Pb37 焊料對植球效果起著決定性作用，需嚴格控制。焊料印刷偏離焊盤，會導致植球后焊球中心與高鉛焊球中心偏移；同時，每個焊盤之間焊料涂刷的均勻性會影響植球后高鉛焊球的共面性。研究表明，鋼網厚度、涂刷焊料厚度等因素都會對焊球的剪切力造成不可忽視的影響[8]。

由于焊球與焊料之間未形成互溶，焊球僅靠潤濕力的作用對位，會不可避免出現“偏心”現象，此時需通過目檢或X 射線檢查確保其在可控范圍內，如圖8 所示。

圖8 高鉛焊球與焊料之間的“偏心”

4 對比分析

4.1 焊球高度及共面性測量

采用激光三坐標測量儀，以植球焊盤平面為基準面，分別測量每只電路球柵陣列的77 個焊球高度。圖9 給出了“助焊劑-錫鉛焊球”、“焊錫膏-錫鉛焊球”和“焊錫膏-高鉛焊球”三種植球方法獲得的樣品焊球高度數值分布情況。圖10 給出了三種植球方法焊球高度的極值和均值。

圖9 焊球高度數值分布情況

圖10 焊球高度的極值和均值

從圖9、圖10 可以看出，助焊劑植球獲得的焊球高度最低，主要集中在0.591 mm～0.627 mm，高度均值為0.607 mm，極差值為0.037 mm；焊錫膏植球獲得的焊球高度略高于助焊劑植球獲得的焊球高度，但高度波動性明顯較大，主要集中在0.590mm～0.649mm，高度均值為0.616mm，極差值為0.059mm；高鉛焊球植球后，焊球高度數值主要集中在0.715 mm～0.732 mm，高度均值為0.724 mm，極差值為0.017mm，其共面性遠遠好于其它兩種植球方式。

至此可知，高鉛焊球在保證焊球高度和焊球高度共面性上，具有顯著優勢。

4.2 剪切力測試

采用上述三種植球方法，分別制備樣品，對每種樣品的焊球進行剪切力抽樣測試，得到的剪切力數值和均值如表1 所示。從表中可看出，三種植球方法的焊球剪切強度相近，其中焊錫膏植球的焊球剪切強度最大，均值比其它兩種高12%左右。

表1 清洗后焊球剪切力數值 單位：N

剪切強度的分布情況如圖11 所示。可見，助焊劑植球和焊錫膏植球的剪切強度相對穩定，而高鉛焊球植球的剪切力波動區間較大。這主要是因為高鉛焊球剪切力完全由焊錫膏與焊球、焊盤之間的界面結合力提供，由于焊錫膏在印刷時相對較薄，焊錫膏量的波動對植球后剪切力影響很大。可以通過調節絲網厚度、增加焊錫膏厚度，從而整體提高剪切強度數值，以抵消焊錫膏量波動對剪切強度的影響。

圖11 焊球剪切力數值分布

5 結 束 語

選取“助焊劑-錫鉛焊球”、“焊錫膏-錫鉛焊球”和“焊錫膏-高鉛焊球”三種球柵陣列制備方法對BGA 封裝展開研究。通過焊球高度測量，對比分析結果表明，高鉛焊球具有較高的焊球高度和平面度。對植球和清洗后的BGA 樣品做焊球剪切力測試試驗，結果表明，三種植球方法的焊球剪切強度相近，其中高鉛焊球剪切強度數值波動性最大。研究方法及結論可為BGA 相關技術領域的工作提供參考。