OEM工廠技術(shù)人員須知的BGA焊接技術(shù)

在SMT工藝質(zhì)量控制相當(dāng)成熟的今天，BGA的焊接一直是重要關(guān)注的環(huán)節(jié)。一個OEM工廠的制程能力，在很大程度上取決于BGA的焊接水平。電子行業(yè)的特點(diǎn)是：元件功能在不斷的升級換代，電子產(chǎn)品的性能越來越強(qiáng)大，而外形、體積卻越來越小。甚至有的元件采用了更為先進(jìn)的工藝。這些元件、產(chǎn)品的變化給SMT生產(chǎn)制造不斷提出挑戰(zhàn)。

1、花球焊盤弓形芯片
隨著電子封裝向高密度、薄型化發(fā)展，封裝的外形越來越小巧輕薄，而芯片的功能越來越強(qiáng)大。特別是用在手機(jī)、超極本中的CPU芯片，以上特征尤其明顯：既要求高度的性能集成，又要求在空間上縮小到極致。此類芯片焊點(diǎn)很多，一般是數(shù)以千計(jì)；為了縮小面積，設(shè)計(jì)的焊盤直徑較小，一般小于0.35MM,并且焊盤排列不規(guī)則。同時，這種芯片還有一個顯著現(xiàn)象是物料本體呈現(xiàn)翹曲狀態(tài)。對于此類芯片，我們姑且稱之為花球焊盤弓形芯片，見圖1。

圖1、物料本體翹曲

2、SMT階段控制要點(diǎn)

有花球焊盤弓形芯片在SMT階段對回流曲線的設(shè)置、網(wǎng)板開孔方案的確定以及錫膏的選擇，都提出很高的要求。首先，要解決的難題是在回流焊接后的共面性的問題:芯片本體和PCB能夠完美的貼合，勁量避免出現(xiàn)相對翹曲的現(xiàn)象；其次，要控制網(wǎng)板開孔方式，防止BGA出現(xiàn)橋接、枕頭效應(yīng)(HoP)和無潤濕開焊(NWO)等現(xiàn)象。最后，選擇適宜型號的錫膏，對提高生產(chǎn)合格率有著很大的幫助。
2.1 回流溫度控制
對于常規(guī)的無鉛BGA，焊球材料一般選用SAC305、 SAC405，峰值溫度一般選定在228-250℃之間。對于花球焊盤弓形芯片BGA，由于其芯片基板很薄，如果峰值溫度過高，芯片本體容易四角向上變形嚴(yán)重，四角焊點(diǎn)會出現(xiàn)枕頭效應(yīng)(HoP)和無潤濕開焊(NWO)等虛焊現(xiàn)象；峰值溫度過低，芯片本體的翹曲可能還沒有得到修正，四角焊點(diǎn)會緊貼PCB擠壓焊膏，從而出現(xiàn)橋接現(xiàn)象，而中心部分的焊點(diǎn)也可能會因?yàn)槔斐霈F(xiàn)虛焊。所以峰值溫度選擇要適中。同時，盡量選用多溫區(qū)的回流爐，采用較小升溫和降溫斜率的曲線，以便減小熱沖擊下變形的產(chǎn)生。
2.2 網(wǎng)板開口
由于基板變薄和整體封裝厚度變薄導(dǎo)致封裝翹曲度增加，在回流焊期間，芯片焊球和PCB焊盤錫膏會出現(xiàn)較大的相對位移，需要調(diào)整模板開口面積進(jìn)行補(bǔ)償。封裝在PCB期間彎曲，出現(xiàn)彎曲變形嚴(yán)重的部位是芯片的四周和中心部位。這些部位需要通過改變網(wǎng)板孔面積來減少錫球缺陷：通過擴(kuò)大網(wǎng)板開孔，進(jìn)而增加了錫膏體積，可以彌補(bǔ)這些部位因?yàn)锽GA焊球遠(yuǎn)離PCB焊盤而導(dǎo)致的焊膏欠缺，確保焊球和焊盤錫膏之間形成良好的焊接。反過來的情況是，在封裝的扭曲嚴(yán)重的位置和對PCB有壓縮的地方，BGA和PCB貼合太近，錫膏可能被擠壓變形了。在這種情況下，就需要減小網(wǎng)板孔而減少錫膏量，以便防止出現(xiàn)橋接缺陷。而對于其他部分的網(wǎng)板孔徑大小可以是1:1開口比例。
2.3 錫膏的選擇
根據(jù)BGA的特性可以知道，BGA本體在焊接過程中存在著熱變形的現(xiàn)象。再流焊接加熱與冷卻過程中，如果BGA的載板與芯片(Die)、封裝材料的，熱膨脹系數(shù)(CTE)相差比較大，它就會發(fā)生熱變形。隨著加熱溫度的升高，逐漸變?yōu)樗慕巧下N，隨著溫度的下降，又逐步恢復(fù)到室溫下的狀態(tài)。花球焊盤弓形芯片的焊球直徑很小，一般在0.35MM,焊球本身體積很小，相應(yīng)的焊盤上的焊膏量就很有限。我們知道，體積越小的物體表面積越大，在焊接過程中，這些焊料中助焊劑因?yàn)檫^大的表面積揮發(fā)迅速，焊料非常容易失去活性。當(dāng)焊料體積不足時，在BGA 的變形的情況下，焊料就會被拉伸，如果和焊球分開，孤立的焊膏體積很小，助焊劑不足，很容易失效?；谝陨系目紤]，選用黏著力大，助焊劑活性強(qiáng)的錫膏。錫膏黏著力大，芯片變形時錫膏也一起拉伸，錫膏和焊球不容易分離；錫膏活性大，彌補(bǔ)錫膏量體積小助焊劑容易揮發(fā)的缺陷，有助于防止枕頭效應(yīng)(HoP)和無潤濕開焊(NWO)等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3、驗(yàn)證過程

新工藝的器件，或者是特殊設(shè)計(jì)的器件，供應(yīng)商一般會提供溫度曲線和網(wǎng)板開孔等工藝控制的建議方案。即便嚴(yán)格遵循這些資料，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能制造出滿意的產(chǎn)品。因?yàn)椴煌漠a(chǎn)品，其性能、大小，整板元件的分布和配置等各有區(qū)別；不同制造商的設(shè)備和材料存在差異；最終產(chǎn)品的可接受的質(zhì)量、可靠性和成品率的要求也各不相同。以上這些因素，都要求在生產(chǎn)實(shí)踐中，現(xiàn)場工程師除了認(rèn)真參照供應(yīng)商提供的資料設(shè)定工藝參數(shù)外，還要對過程參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)和驗(yàn)證。經(jīng)過多次積累，才會得到準(zhǔn)確的工藝數(shù)據(jù)。
以下生產(chǎn)過程，按照SMT階段控制要點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整、控制。
3.1 芯片數(shù)據(jù)
DPS產(chǎn)品使用了花球焊盤弓形芯片。該芯片名稱為CORE I7-6600U 2C 4M 2.6G SR2F1(圖2)，封裝大?。?2×24mm，封裝為BGA1356。

圖2、CORE I7-6600U芯片原始焊盤
該BGA球徑一致為0.35mm，但此芯片焊盤設(shè)計(jì)多樣化，焊盤形狀不同，見表一。
3.2 制定并實(shí)施方案
結(jié)合花球焊盤弓形芯片SMT階段控制的三個要點(diǎn)，制定了工藝參數(shù)設(shè)定方案：
第一：調(diào)整溫度曲線，解決芯片變形問題。爐溫峰值到達(dá)240度以上，選用12溫區(qū)的:回流爐，升溫和降溫斜率控制在2-3℃/秒；
第二:重點(diǎn)調(diào)整網(wǎng)板的開口方式。重點(diǎn)增加焊膏量。
該產(chǎn)品使用了PITCH=0.4mm的IC元件和0201的阻容元件，為了兼顧整板元件焊接質(zhì)量，網(wǎng)板厚度選用了0.12mm的階梯網(wǎng)板，網(wǎng)板厚度采用0.12mm鋼片，PITCH=0.4mm的IC元件和0201的阻容元件處采用0.10mm的階梯。針對四角和中間容易虛焊位置，在保證安全距離的前提下，增大網(wǎng)板開口。結(jié)合該產(chǎn)品元件的特點(diǎn)，遵循焊點(diǎn)間距不大于0.2mm的原則，制定開口方案如下（圖3），具體數(shù)據(jù)見表三：

圖3、芯片焊盤開孔改變
依據(jù)IPC-7525鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)指南要求，為保證錫膏能順暢地從網(wǎng)板開孔中釋放到PCB焊盤上，在網(wǎng)板的開孔方面，面積比>0.66。該網(wǎng)板黃色位置開孔最小，經(jīng)過計(jì)算面積比：0.35*0.35/2*(0.35+0.35)*0.12=0.73>0.67。因此，網(wǎng)板采用0.12mm的鋼片厚度，可以滿足要求。
第三：錫膏選擇某品牌高黏著力錫膏，選擇4號粉顆粒。為了增加網(wǎng)板轉(zhuǎn)印率，采用納米膜技術(shù)。同時要求網(wǎng)板時間控制在2小時以內(nèi)，保證助焊劑活性。 該產(chǎn)品按照以上工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)， BGA和PCB實(shí)現(xiàn)了很好的貼合，形成了良好的共面性；生產(chǎn)的焊點(diǎn)狀態(tài)良好。沒有出現(xiàn)橋接、焊點(diǎn)拉伸及虛焊現(xiàn)象，見X-ARY檢查影像（圖4、5）。后期生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題。

圖4、I7-6600U影像局部

圖5、I7-6600U影像局部放大
3.3 后期驗(yàn)證
驗(yàn)證1：在生產(chǎn)SOM產(chǎn)品時，發(fā)現(xiàn)有同類型的芯片。該芯片名稱CORE I7-4650U，封裝尺寸40mm x 24mm x 1.5mm，F(xiàn)CBGA1168?（見圖6、圖7）。經(jīng)過產(chǎn)品評審，決定仍然采用階梯網(wǎng)板，網(wǎng)板厚度采用0.1mm鋼片，該BGA處采用0.12mm的階梯，開口方式借鑒DSP產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝控制。生產(chǎn)后經(jīng)過X-RAY 檢查沒有出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。經(jīng)過功能測試，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。
圖6、I7-4650U 芯片
圖7、I7-4650U網(wǎng)版
驗(yàn)證2：生產(chǎn)XTDB產(chǎn)品，產(chǎn)品使用Intel C612 25x25mm 836P FCBGA，焊盤設(shè)計(jì)方式類似，見(圖8、圖9)，網(wǎng)板采用同樣的開孔方案。焊接后沒有出現(xiàn)焊接不良現(xiàn)象。

圖8、Intel C612 芯片

圖9、Intel C612網(wǎng)板
當(dāng)然，一個穩(wěn)定的工藝參數(shù)不是一次就得出來的，小的細(xì)節(jié)需要進(jìn)行幾次調(diào)整。但是確定的工藝方案是正確的，大的方向不會改變。

結(jié) 論
在通常的BGA焊接控制中，焊膏選擇和爐溫參數(shù)設(shè)定是工藝質(zhì)量的重要控制內(nèi)容。對于花球焊盤弓形芯片SMT過程，除了同樣注意以上兩方面工藝控制外，還要注意以下幾點(diǎn)：
1)此類芯片功能復(fù)雜，為了適應(yīng)產(chǎn)品薄型化的要求，PCB和BGA都容易變形。一般控制爐溫曲線，需要到達(dá)240度，才能保證BGA平整，和PCB平整的貼合；
2)在保證焊接過程中不出現(xiàn)橋接的情況下，盡可能的擴(kuò)大網(wǎng)板開口。在參照供應(yīng)商建議的網(wǎng)板開孔方式的前提下，著重考慮BGA四角周圍和內(nèi)圈的焊點(diǎn)的開口改變。通過擴(kuò)大網(wǎng)板開孔而增加了焊點(diǎn)焊錫量，既能夠幫助焊膏的助焊劑保持活性，又可以補(bǔ)償焊點(diǎn)變形，有利于形成合格焊點(diǎn)；
3)使用該類芯片的產(chǎn)品功能復(fù)雜，使用的元件的種類差異較大，為了保證錫膏轉(zhuǎn)印率及避免橋接，考慮階梯網(wǎng)板；同樣，測溫板注意 特別要兼顧各類元件。
4)控制錫膏的網(wǎng)板時間，保持錫膏助焊劑的活性。結(jié)合網(wǎng)板脫模和錫粉顆粒的選擇，考慮選用黏著力大的錫膏；
5)在SMT 的全過程中，注意保證PCB支撐良好或使用合適的托盤，避免其變形。
該文分析呈現(xiàn)給業(yè)內(nèi)同行，期待通過技術(shù)交流，提高我們的生產(chǎn)工藝質(zhì)量控制能力。因?yàn)榫窒抻?a target="_blank">檢測分析設(shè)備匱乏及本人的經(jīng)驗(yàn)及理論水平，文中不足之處，歡迎專家批評指正。