BGA植球過程控制及其風(fēng)險(xiǎn)管控

0 引言

隨著IC封裝技術(shù)向高密度、薄型化、高性能和低成本的方向發(fā)展，球柵陣列（BallGridArray，BGA）封裝技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前電子行業(yè)的主流，這使其在軍事、航空航天、國防等高可靠性領(lǐng)域占有非常重要的地位，同時也廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

BGA是一種高密度的表面安裝封裝形式，它的連接方式是通過焊球與電路板上的焊盤進(jìn)行電氣連接[1]。BGA在板級組裝時，常出現(xiàn)焊接不良，或焊球的各種損傷、變形等導(dǎo)致電路無法繼續(xù)使用甚至失效的情況。將BGA器件解焊后進(jìn)行返工植球，重新組裝用于產(chǎn)品中，對產(chǎn)品的研制進(jìn)度不會產(chǎn)生明顯的影響，對于減少浪費(fèi)、降低成本也大有益處，因而具有很大的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用價(jià)值2。

植球工藝是BGA芯片制造過程中關(guān)鍵的一步，它決定了焊球的形狀、尺寸、位置等參數(shù)，影響著芯片的性能、可靠性和壽命[3]。

手工植球包含焊盤除錫、錫膏印刷、植球、清洗、檢測等工步，采用手工操作的方式存在風(fēng)險(xiǎn)，可能影響植球質(zhì)量，造成焊點(diǎn)強(qiáng)度低，隨著長期使用器件焊點(diǎn)易開裂[4-5]。

本文通過對手工植球方式的焊盤除錫、錫膏印刷、植球、清洗、檢測等工步進(jìn)行研究，梳理出各個工步中影響植球質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)，并提出改善方法，從而提高植球工藝環(huán)節(jié)器件的焊接可靠性。

1 試驗(yàn)材料

選用BGA芯片，該器件為有鉛BGA，焊球成分為Sn63Pb37 。焊球尺寸為 0.5mm ，依據(jù)IPC-7351《表面貼裝設(shè)計(jì)及連接盤圖形標(biāo)準(zhǔn)通用要求》，焊盤大小應(yīng)為 0.35～0.45mm ，實(shí)際設(shè)計(jì)焊盤大小為 10.4mm 。

焊膏為漢高樂泰錫膏（SN63CR32AGS89.5），主要成分是Sn63Pb37。

本次試驗(yàn)使用的設(shè)備為回流爐（設(shè)備型號：Hotflow3/20）。

2 試驗(yàn)方法

器件原裝焊球?yàn)橛秀U焊球，對芯片進(jìn)行重新植有鉛焊球處理，下面對植球操作的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

2.1 焊盤除錫

焊盤除錫的操作步驟如下：1）將馬蹄形的烙鐵頭安裝在焊接手柄上。2）在干凈、微潮濕的海綿上清潔烙鐵頭。3）設(shè)置烙鐵溫度為 360^°C 。④使用小毛刷在器件的焊球上均勻涂刷助焊劑。5）使用蹄形烙鐵和焊錫絲清除器件上的焊錫球，目視焊球熔化后向下同時拖動烙鐵和焊錫絲，如圖1（a）所示，烙鐵頭需及時在海綿上擦除焊錫。6重復(fù)步驟 2）～5） ，直到目視焊盤上無錫球?yàn)橹埂?）將吸錫帶放在BGA器件焊盤上，用烙鐵輕壓吸錫帶，待焊盤上的殘留焊錫熔化，同時移動烙鐵頭和吸錫帶，如圖1（b）（c）所示。

8）當(dāng)局部焊料向吸錫帶流動停止，快速移開烙鐵和吸錫帶。

9）重復(fù)步驟7、8），直到所有焊盤上的殘留焊錫去除。

10）烙鐵頭重新上錫后，將手柄放回支架。

11）使用毛刷和酒精清洗器件上的殘留助焊劑，目視器件上無助焊劑后放置在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘烤，烘烤溫度 70^°C ，烘烤時間 10min 。

該過程即為去除原裝焊球的手工操作過程，該過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)如下：清洗不徹底導(dǎo)致錫渣或助焊劑殘留，影響植球質(zhì)量。

2.2 植球工裝準(zhǔn)備

植球工裝準(zhǔn)備的操作步驟如下：

1）檢查錫球有效期；

2）核對錫球直徑；

3）根據(jù)植球器件的封裝陣列選擇對應(yīng)錫膏印刷網(wǎng)板和植球網(wǎng)板；

4）安裝印刷網(wǎng)板（厚度為 ，鎖緊旋鈕使印刷網(wǎng)板不能上下晃動；

5）安裝植球網(wǎng)板（厚度為 0.25mm） ，鎖緊旋鈕使植球網(wǎng)板不能上下晃動。

該過程中將網(wǎng)板安裝至夾具中，是手工操作過程。通過夾具的緊固裝置可以保證網(wǎng)板安裝到位，該過程無風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 錫膏印刷

錫膏印刷的操作步驟如下：

1）將器件放置在器件定位器上，通過旋鈕固定器件。

2）將已固定器件的定位器安裝在植球器器件放置平臺上，打開植球器真空開關(guān)，松開定位器上固定旋鈕；再將定位器從植球器平臺上取下，器件被固定在器件放置平臺上。

③將已裝夾錫膏印刷網(wǎng)板的錫膏印刷裝置安裝在植球器主體上，調(diào)節(jié)放置平臺的高度旋鈕，使BGA器件焊盤和印刷網(wǎng)板之間無間隙，并通過鎖緊旋鈕固定。

④使用專用小刮刀取錫膏，將錫膏均勻印刷到器件焊盤上；多余錫膏放置回錫膏瓶中。

5）松開鎖緊旋鈕，使印刷面與印刷網(wǎng)板垂直分離，取下印刷網(wǎng)板裝置。

6目視自檢錫膏印刷無橋連、漏印，偏移小于焊 盤面積 25% 。

該過程是手工操作過程，主要風(fēng)險(xiǎn)如下：印刷時須保證網(wǎng)板開孔清潔，才能保證錫膏良好印刷至器件焊盤上，植球印刷網(wǎng)板清洗不及時，會導(dǎo)致印刷時錫膏殘留在鋼網(wǎng)開孔內(nèi)，導(dǎo)致后續(xù)印刷錫膏量不足，印刷后目視檢查無法有效發(fā)現(xiàn)細(xì)微的錫膏量不足問題，從而導(dǎo)致植球后的器件極個別焊球焊點(diǎn)可靠性不足，最終出現(xiàn)脫焊問題。

2.4 植球

植球的操作步驟如下：

1）將錫球漏印裝置安裝在植球器主體上，調(diào)節(jié)植球器主體上的高度旋鈕，使焊盤上的錫膏最高點(diǎn)與植球網(wǎng)板的間隙是焊球直徑的 1/2～2/3 ，如圖2所示。

2）在植球網(wǎng)板上倒入1.5倍焊球數(shù)量的錫球。

3雙手端起植球器并前后晃動，使焊球進(jìn)入植球網(wǎng)板開孔，直到網(wǎng)板所有開孔均有焊球。

4）打開錫球回收盒開關(guān)，向前傾斜植球器，待多余錫球滾動至錫球回收盒中關(guān)閉開關(guān)。

5）使用小鋼片輕壓焊球，使焊球充分陷入錫膏，錫膏有一定的黏稠度，能防止焊球偏移。

6松開植球器主體上的鎖緊旋鈕，取下錫球漏印裝置，目視檢查焊球均在BGA器件焊盤上。

7）關(guān)掉真空開關(guān)，使用小鋼片將已植球的器件轉(zhuǎn)移至焊接托板上，器件焊球朝上。

該過程是手工操作過程，主要風(fēng)險(xiǎn)如下：植球時會倒入較多的錫球，回收錫球時，錫球可能卡滯在植球器內(nèi)的間隙中，而植球器用于多種球徑焊球的植球，因此可能造成植球時混入不同球徑的焊球。但該風(fēng)險(xiǎn)可以通過X光檢測進(jìn)行把控，故該過程無風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 清洗

清洗的操作步驟如下：

1）使用防靜電軟毛刷和酒精清洗器件焊球上的殘留助焊劑。

2）目視無助焊劑后放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘烤，烘烤

溫度 70^°C ，烘烤時間 10min 。

3）清洗印刷網(wǎng)板，避免網(wǎng)板堆放。

該過程是手工操作過程，主要風(fēng)險(xiǎn)如下：植球過程中若印刷網(wǎng)板清洗不及時、不徹底，將會導(dǎo)致錫膏印刷過程產(chǎn)生不良問題，進(jìn)而影響植球焊接質(zhì)量。

2.6 檢測

檢測的操作步驟如下：

1）采用20倍放大鏡檢測BGA錫球無缺失、大小均勻一致；錫球之間無橋連，錫球光亮，如圖3所示。

2）X光檢測BGA焊球空洞面積小于 5% 。

該過程主要進(jìn)行植球后焊球外觀檢查和焊球內(nèi)空洞檢查，該過程無風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)果與驗(yàn)證

通過對植球操作過程進(jìn)行梳理和風(fēng)險(xiǎn)分析，可以得出如下結(jié)論：在去除BGA芯片原裝焊球后清洗不徹底會造成錫渣、助焊劑殘留在器件一側(cè)的焊盤上；錫膏印刷時印刷網(wǎng)板清洗不及時，會導(dǎo)致印刷時錫膏殘留在鋼網(wǎng)開孔內(nèi)，導(dǎo)致后續(xù)印刷錫膏量不足，最終導(dǎo)致植球焊接后的器件極個別焊球焊點(diǎn)可靠性不足，出現(xiàn)脫焊問題。

對芯片進(jìn)行植球處理，在“錫膏印刷”步驟連續(xù)印刷8次，其間不進(jìn)行印刷鋼網(wǎng)清洗，每印刷一次就檢查一次印刷效果，如圖 4～7 所示。可以看出，第 1～4 次印刷錫膏量飽滿、均勻，鋼網(wǎng)仍具有較好的脫模效果；從第5次印刷開始，目視檢查發(fā)現(xiàn)錫膏量受到影響，出現(xiàn)少錫現(xiàn)象；第 6～8 次印刷均存在錫膏量不足的缺陷。由此說明植球過程中印刷鋼網(wǎng)清洗不及時導(dǎo)致堵孔從而造成錫膏量不足的生產(chǎn)缺陷可以復(fù)現(xiàn)。

通過在\"焊盤除錫\"工步增加檢查要求“完成焊盤除錫后用體視顯微鏡檢查器件焊盤清潔度，保證器件焊盤無助焊劑、錫渣等多余物殘留，焊盤應(yīng)光亮、無起翹、無缺損”，在“植球工裝準(zhǔn)備”工步增加鋼網(wǎng)清洗要求“印刷鋼網(wǎng)使用四次后須進(jìn)行清洗”，在“清洗\"工步增加“網(wǎng)板清洗后目視檢查網(wǎng)板表面、開孔內(nèi)應(yīng)清潔，無錫膏殘留\"要求，可有效避免上述問題。

4結(jié)束語

BGA芯片植球工藝是一種關(guān)鍵的封裝技術(shù)，其操作步驟和方法直接影響芯片的性能、可靠性和壽命。通過嚴(yán)格控制植球過程中的材料、設(shè)備、操作人員等因素，可以確保植球后焊接的質(zhì)量；同時，不斷優(yōu)化植球工藝方法，提高植球質(zhì)量和效率，能夠滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)對表面組裝技術(shù)高密度、高性能、高可靠性的需求。

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