CBGA、CCGA植球植柱焊接返工可靠性研究*

丁榮崢，楊軼博，陳 波，朱 媛，高娜燕

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 前言

多功能、高性能、高可靠性及薄型化、輕量化是集成電路發(fā)展的趨勢。以航空航天為代表的高可靠應(yīng)用中，CBGA和CCGA形式的封裝需求在快速增長。CLGA外殼/基板植球或植柱之后的CBGA和CCGA電路二次組裝使用中，常出現(xiàn)焊球或焊柱的焊接不良、焊球或焊柱的各種損傷、變形等導(dǎo)致電路不能繼續(xù)使用甚至失效的情況，處于經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等考慮，必須進(jìn)行植球或植柱的焊接返工。在返工過程中，除對焊接外觀、焊接層孔隙等進(jìn)行控制外，研究返工過程對植球植柱焊盤鍍層的影響也是保證焊接可靠性的重要工作。一次返工后焊盤表面鍍金層已不存在，繼續(xù)返工時需要在殘留少量焊料的鎳層刷焊膏然后植球/植柱，焊接面的可焊接性等性質(zhì)與鍍金層已完全不同；同時再次植球/植柱時由于焊接層中金含量極少，而鍍鎳層部分也被熔蝕，因此焊接層中的金屬間化合物含量和成分與首次返工前有明顯不同。這對植球植柱的焊接質(zhì)量、焊接可靠性是否存在影響及影響程度都需要進(jìn)行分析。

根據(jù)焊接及以往引線器件焊料焊接返工的可靠性經(jīng)驗，返工有三個重要的注意事項：

（1）從外殼/基板上鏟除焊球或焊柱要求不對外殼/基板焊盤以及其他布線、密封框、標(biāo)志等造成損傷，即返工不能帶來任何損傷。

（2）返工后，重新焊接的焊球直徑、高度、位置度、共面性等要滿足相關(guān)要求，即返工前后尺寸一致，以保證二次組裝質(zhì)量及質(zhì)量的一致性。

（3）在規(guī)定返工次數(shù)范圍內(nèi)，返工重新焊接的焊球或焊柱，其抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度符合相關(guān)要求，即返工前后的可靠性符合要求。

CBGA、CCGA返工工藝質(zhì)量及返工后的可靠性研究目前還未見報道。本文主要研究采用無鉛焊料SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊接和采用有鉛共晶焊料（Sn63Pb37）焊接的兩種返工工藝，在多次返工過程中鍍鎳層熔蝕變化的趨勢以及隨著返工次數(shù)的增加焊球/焊柱拉脫強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的變化趨勢。本文實驗采用兩家陶瓷外殼廠商的CLGA基板分別進(jìn)行植球返工，對兩套數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2 CBGA、CCGA植球植柱焊接返工流程

CBGA/CCGA植球植柱返工工藝流程包括：CBGA/CCGA焊料溫度確認(rèn)、焊接加熱溫度-時間工藝曲線調(diào)試、CBGA/CCGA植球植柱鏟除/拆卸、CBGA/CCGA焊盤上焊料清處、外殼/基板清洗、CBGA/CCGA植球植柱焊膏印刷（低溫焊球可印刷助焊劑）、回流焊、清洗、外觀檢查。參見圖1。

在外殼/基板研制、植球或植柱工藝開發(fā)階段，以及CBGA和CCGA器件板級組裝，CBGA轉(zhuǎn)換成CCGA，有鉛焊料與無鉛焊料、不同焊料柱或不同鍍層金屬柱轉(zhuǎn)換中，返工是不可避免的。

圖1 CBGA/CCGA植球植柱返工流程圖

3 焊接返工試驗方案

3.1 焊接返工可靠性試驗用材料

選用2家外殼生產(chǎn)廠的高溫氧化鋁共燒陶瓷外殼分別為CLGA729和CLGA429，焊盤W金屬化層上鍍Ni-Au（Ni≥3.5μm，Au≤0.3μm），焊盤直徑Φ0.60mm，CLGA729的焊盤節(jié)距為1.27mm，CLGA429焊盤節(jié)距為1.00mm。

焊膏為免清洗型SAC305和免清洗型Sn63Pb37；1.0mm節(jié)距的CLGA729植球采用Φ0.60mm 的Sn10Pb90高溫焊球，1.27mm節(jié)距的CLGA429植球采用Φ0.76mm的Sn10Pb90高溫焊球。

3.2 焊接試驗設(shè)備及焊接和回流/返工工藝曲線

3.2.1 焊接試驗設(shè)備

回流焊爐TYR108N-C，控溫加熱臺JRT-0606C。

3.2.2 返工工藝流程

Sn63Pb37焊膏植球的返工去球及去焊料：高精度控溫加熱臺JRT-0606C溫度設(shè)定為220℃，待溫度到達(dá)設(shè)定值，用金屬鑷子將待返工電路放置在加熱臺上保持60s，用刮刀刮除焊球并用吸錫繩吸去殘留焊料，最后取下電路冷卻。

3.2.3 植球回流焊接工藝曲線

采用Sn63Pb37焊膏，植球回流焊接工藝曲線如圖2。

圖2 Sn63Pb37共晶焊膏植球焊接工藝曲線圖

圖3 SAC305焊膏植球焊接工藝曲線圖

采用SAC305焊膏，植球回流焊接工藝曲線如圖3。

3.2.4 SAC305焊膏植球的返工去球及去焊料

高精度控溫加熱臺JRT-0606C溫度設(shè)定為250℃，待溫度到達(dá)設(shè)定值，用金屬鑷子將待返工電路放置在加熱臺上等待60s，用刮刀刮除焊球并用吸錫繩吸去殘留焊料，取下電路冷卻。

3.3 焊接返工可靠性試驗樣品制備

將SAC305無鉛焊膏、Sn63Pb37焊膏分別進(jìn)行返工1次、返工2次、返工3次、返工4次和返工5次。返工流程按圖1進(jìn)行。

4 試驗樣品分析與檢測

返工后對焊球進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試、抗剪強(qiáng)度測試。參見圖4。

圖4 焊球抗拉強(qiáng)度測試和抗剪強(qiáng)度測試示意圖

去球后，對焊盤進(jìn)行解剖。參見圖5。

焊球拉脫強(qiáng)度檢測采用DAGE4000微測儀進(jìn)行，拉升速度為0.20mm/s，CBGA729和CBGA429試驗樣品的焊球抗拉強(qiáng)度測試值見表1和表2。

表1 CBGA729焊接及不同返工次數(shù)后的拉脫強(qiáng)度單位/ kg

去除焊球后清理焊料不干凈、焊接內(nèi)部孔隙甚至檢測人員人為因素也會引起焊球抗拉強(qiáng)度值的波動，觀察返工及返工次數(shù)對焊接強(qiáng)度的影響，應(yīng)看出整體有變?nèi)踮厔?，而不?yīng)僅看測試值的波動。從表1和表2可以看出焊球返工第1次、第2次、第3次、第4次和第5次，焊球的抗拉強(qiáng)度均無明顯的變?nèi)踮厔荨?/p>

表2 CBGA429焊接及不同返工次數(shù)后的拉脫強(qiáng)度單位/ kg

表3 CBGA729焊接及不同返工次數(shù)后的剪切強(qiáng)度單位/ kg

表4 CBGA429焊接及不同返工次數(shù)后的剪切強(qiáng)度單位/ kg

圖5 返工后焊盤解剖局部圖

焊球剪切強(qiáng)度檢測采用DAGE4000微測儀進(jìn)行，推速為0.10mm/s，CBGA729和CBGA429試驗樣品焊球剪切強(qiáng)度測試值見表3和表4。

同樣，從表3和表4可以看出，除采用SAC305焊料的CBGA429焊球剪切強(qiáng)度與返工第1次、第2次、第3次、第4次和第5次后的剪切強(qiáng)度有明顯變化外，其他均未出現(xiàn)焊球抗剪強(qiáng)度隨返工次數(shù)的增大而有明顯變?nèi)醯内厔荨２捎肧AC305焊料的CBGA429出現(xiàn)反常，分析認(rèn)為是鍍層表面狀態(tài)引起，與返工次數(shù)無關(guān)，第1次、第2次、第3次、第4次和第5次返工后的測試值無明顯變化趨勢。

采用德國蔡司ZEiss Super55掃描電鏡對解剖樣品鍍鎳層厚度、成分等進(jìn)行分析，參見圖6。

圖6 隨著CBGA植球返工次數(shù)增加，鍍鎳層厚度變化趨勢

從分析圖上可以看出，返工一次后的能譜圖中未出現(xiàn)金元素，表明金層在第1次鏟去焊料時即完全去除。隨著返工次數(shù)的增加，鍍鎳層及其焊接生成的金屬間化合物層厚度明顯減小，當(dāng)返工次數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時，金屬鎢表面的含鎳層可能消失，如果再進(jìn)行返工回流焊接，就會形成“虛焊”。故CBGA、CCGA植球或植柱外殼的鍍鎳層厚度要嚴(yán)格控制，通常將燒結(jié)致密的鎳層厚度控制在3.8μm以上。

5 試驗結(jié)果分析

將表1、表2、表3和表4的數(shù)據(jù)代入到數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件中，均符合正態(tài)分布，表明返工及返工后的拉脫強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度測試正常。

圖6的電鏡照片和能譜數(shù)據(jù)表明，在第一次回流焊接后，鍍金層全部溶解到焊料中，并在第1次返工過程中隨焊料去除。因此，CBGA、CCGA的植球和植柱的返工全部在鍍Ni層上進(jìn)行。

當(dāng)鍍鎳層厚度達(dá)到3.8μm或更大時，外殼/基板能經(jīng)受5次返工，且鍍鎳層隨著返工次數(shù)的增加，厚度逐漸減小，因此要提高CLGA外殼/基板耐返工的次數(shù)，必須控制鍍鎳層具有足夠厚度。相比起潤濕焊料和防氧化作用的金層，鎳層對于SAC305、Sn63Pb37等焊料具有優(yōu)異的抗熔蝕能力。在鍍鎳層消失前，鎳層厚度對植球植柱的可焊性無影響，焊球或焊柱的拉脫強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度亦無明顯變差的趨勢，控制返工次數(shù)可以保證植球或植柱的焊接質(zhì)量及其可靠性。

6 結(jié)論

通過對高溫氧化鋁共燒陶瓷外殼/基板CLGA729、CLGA429的焊球返工試驗，發(fā)現(xiàn)對于厚度大于3.8μm的鍍鎳層，返工后焊球或焊柱的拉脫強(qiáng)度值、剪切強(qiáng)度值沒有明顯變化。且植球植柱焊盤能經(jīng)受5次返工，不存在PBGA基板返工后焊盤脫落等問題。CLGA外殼/基板的耐焊接性顯著強(qiáng)于覆銅結(jié)構(gòu)的印刷線路板，CBGA或CCGA植球或植柱返工是可行的，在控制鍍鎳層厚度與返工次數(shù)后其可靠性是有保證的。

[1] 孫忠新. BGA組裝與返修技術(shù)[J].印刷電路與貼裝，2001，1：71-75.

[2] 胡強(qiáng).BGA的返修工藝與技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2006，27(1)：19-25.

[3] 成立，楊建寧，等.焊球陣列封裝及其返修工藝技術(shù)[J].2007，32(6)：535-538.

[4] 李全英，朱珠，等.BGA焊球返修工藝[J].兵工自動化，2010，29(3)：31-32.

[5] 張偉，孫守紅，等.無鉛BGA返修工藝方法[J].電子工藝技術(shù)，2012，33(2)：86-89.