CBGA封裝植球清洗影響因素分析

姜學(xué)明，林鵬榮，練濱浩，姚全斌

（北京時(shí)代民芯科技有限公司，北京 100076）

1 引言

在當(dāng)今信息時(shí)代，隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等產(chǎn)品日益普及。人們對(duì)電子產(chǎn)品的功能要求越來越多，對(duì)性能要求越來越強(qiáng)，而體積要求卻越來越小、重量要求越來越輕。這就促使電子產(chǎn)品向多功能、高性能、小型化、輕型化方向發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，IC芯片的特征尺寸越來越小，復(fù)雜程度不斷增加，于是，電路的I/O數(shù)越來越多，封裝的I/O密度不斷增加。為了適應(yīng)這一發(fā)展要求，一些先進(jìn)的高密度封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，BGA封裝技術(shù)就是其中之一[1]。而陶瓷焊球陣列（CBGA）作為BGA的一種封裝形式，與傳統(tǒng)的PBGA相比，具有電熱性能好、氣密性強(qiáng)、抗?jié)裥阅芎煤涂煽啃愿叩膬?yōu)點(diǎn)。CBGA封裝植球技術(shù)采用雙焊料結(jié)構(gòu)，用高熔點(diǎn)（＞300℃）90Pb10Sn合金焊料制作高溫焊料球, 通過低熔點(diǎn)共晶焊料（63Pb37Sn）連接到封裝基板和后續(xù)的PCB板上，封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。CBGA植球工藝的過程主要包括焊膏印刷、置球、回流焊、清洗和檢測等步驟。其中，CBGA植球清洗是保證CBGA電路長期使用可靠性的關(guān)鍵一環(huán)。

圖1 CBGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖

在CBGA封裝過程中，采用的焊膏主要包含合金焊料（63Sn37Pb顆粒）和助焊劑兩種物質(zhì)，助焊劑在CBGA植球過程中起到活化和去除氧化膜的作用?；亓骱?，合金焊料完全熔化實(shí)現(xiàn)高鉛焊球與陶瓷基板的互連，而部分助焊劑揮發(fā)至空氣中，另一部分助焊劑難以揮發(fā)，并殘留在陶瓷基板及焊點(diǎn)表面上，通常呈透明粘稠狀。殘留在電路上的助焊劑對(duì)電路有一定的腐蝕，并降低電導(dǎo)性，產(chǎn)生遷移或短路，影響產(chǎn)品的可靠性。因此CBGA植球回流焊后需要對(duì)電路進(jìn)行清洗，去除表面殘留的助焊劑，而電子元器件植球回流焊后的清洗效果將直接關(guān)系到該產(chǎn)品的電氣性能、工作壽命和可靠性。

影響電子元器件回流焊后助焊劑清洗效果的因素較多，影響的程度也各有差異。本文針對(duì)CBGA封裝器件植球工藝特點(diǎn)和大量試驗(yàn)積累，重點(diǎn)研究清洗溫度和清洗劑濃度兩個(gè)方面對(duì)CBGA植球回流焊后殘留助焊劑清洗效果的影響，從而通過嚴(yán)格控制清洗溫度和清洗劑濃度保證CBGA植球工藝質(zhì)量，進(jìn)而提高CBGA封裝器件可靠性。

2 助焊劑清洗機(jī)理分析

在CBGA植球工藝中，殘留助焊劑的清洗通常采用水基清洗劑。水基清洗劑是借助于含有表面活性劑、乳化劑、滲透劑等的潤濕、乳化、滲透、分散、增溶等作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)油污、油脂的清洗。而水基清洗劑具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)去污清洗能力強(qiáng)，對(duì)清洗工件無損傷，不腐蝕。

(2)不燃不爆，使用安全，不污染環(huán)境。水基清洗劑無閃點(diǎn)，不會(huì)燃燒和爆炸；水基清洗劑廢液中和后可直接排放，不污染環(huán)境。

(3)無毒無害，水基清洗劑不會(huì)像三氯乙烯、三氯甲烷、氟里昂等ODS類溶劑會(huì)因有機(jī)溶劑的揮發(fā)造成對(duì)大氣臭氧層的破壞以及對(duì)操作工人身心健康的傷害。

在使用水基清洗劑的情況下，按清洗工藝可以分為：機(jī)械攪拌清洗、浸泡清洗、噴淋清洗、超聲波清洗、電解清洗等，而我們的產(chǎn)品選擇的是噴淋清洗。在工藝流程中，首先使用水基清洗劑對(duì)電路進(jìn)行清洗，去除助焊劑，再用去離子水漂洗和烘干。

水基清洗劑以表面活性劑為主要成分，同時(shí)添加各種添加劑如助劑、穩(wěn)定劑、緩蝕劑、增溶劑、消泡劑、防霉劑、防凍劑等。表面活性劑具有浮化、濕潤、增溶、滲透、分散、防腐、絡(luò)合等特性，在清洗液中起主要作用。表面活性劑是一種兩親分子，當(dāng)這種兩親分子附著于油-金屬界面時(shí)，其親油端容易吸附在油污表面，并伸向油污內(nèi)部，而極性親水端則吸附在金屬表面，在油-金屬界面間形成一層緊密的定向排列的表面活性劑分子膜。這種膜能減弱油-金屬界面的附著力，增加金屬零件的濕潤性。在水溶液浸泡、撞擊零件過程中，表面活性劑分子在水分子的吸引下，油污從金屬零件表面脫離，起到清洗零件的目的。當(dāng)這種兩親分子附著于油-水界面時(shí)，其親水端向水中伸入，形成一層膜，降低油-水的界面張力。當(dāng)溶液中的表面活性劑分子達(dá)到一定濃度時(shí)（臨界膠束濃度），就會(huì)使油污在溶液中形成穩(wěn)定的微小油污顆粒，形成溶解了油污的乳化液，達(dá)到清洗零件的目的[2]。

3 清洗溫度的影響

在CBGA清洗過程中，清洗溫度是一個(gè)關(guān)鍵因素，合適的清洗溫度能夠加快助焊劑的去除，得到最佳的清洗效果。當(dāng)清洗電路過程中，清洗劑與吸附在被清洗基體表面上的水溶性污物和非水溶性污物在界面上發(fā)生一系列物理化學(xué)變化而達(dá)到清洗效果。

在同一批次電路中隨機(jī)抽取15只回流后的電路，分成3組分別在40℃、60℃、80℃溫度下清洗。圖2是同種電路在不同溫度下的清洗效果。

從圖2中可以看出，不同溫度下的清洗效果表現(xiàn)出不同的現(xiàn)象，見表1。

表1 不同溫度下的清洗效果

圖2 不同溫度下的清洗效果

60℃時(shí)的清洗效果最好，40℃時(shí)的清洗效果最差，而80℃時(shí)殘留的助焊劑變?yōu)榘咨?。通常情況下，隨著清洗劑溫度的升高，其去污能力也隨之提高，但超過一定溫度后，去油污能力反而下降。通常溫度越高，助焊劑和電路之間的力就越弱，表面活性劑就越容易將助焊劑去除。同時(shí)，溫度的變化可導(dǎo)致膠束本身性質(zhì)和被增溶物在膠束中溶解情況發(fā)生變化。當(dāng)溫度升高，氫鍵減弱，有的甚至斷裂，水合作用減小，膠束易于形成，膠束的聚集數(shù)亦顯著地增加，對(duì)油脂等污染物的增溶量增大，這種情況有利于清洗。當(dāng)溫度升高到65℃左右時(shí)，增溶的空間減小，增溶能力下降，清洗液由透明變成乳濁液，這一溫度被稱做溶液的濁點(diǎn)溫度[3]。只有溫度接近表面活性劑溶液的濁點(diǎn)溫度時(shí)，增溶能力最強(qiáng)，因而清洗液的溫度定在55℃～65℃比較合理。

4 清洗劑濃度的影響

在同一批次電路中隨機(jī)抽取10只電路，分成2組，分別在清洗液5%、10%濃度下清洗，清洗的效果如圖3和表2所示?？梢钥闯?，清洗液的濃度也是影響清洗效果的因素之一。

10%濃度的清洗液比5%濃度的清洗液清洗效果好。從清洗機(jī)理中知道，只有當(dāng)表面活性劑在水中的量達(dá)到臨界膠束濃度之上，溶液中有膠束存在時(shí)，它的清洗作用最大。溶液的配比濃度要根據(jù)臨界膠束濃度和電路表面的污染程度來確定，既要確保清洗過程中溶液內(nèi)部有足夠的膠束存在，同時(shí)又不至于過多地浪費(fèi)清洗劑。一般情況下，清洗同種電路，配比濃度在8%～12%。

圖3 不同清洗液濃度下的清洗效果

表2 不同清洗液濃度下的清洗效果

5 結(jié)論

綜合以上分析可知，溫度越高，清洗效果不一定會(huì)好，只有當(dāng)溫度接近表面活性劑溶液的濁點(diǎn)溫度時(shí)清洗效果最佳。而溶液配比濃度要根據(jù)臨界膠束濃度和電路表面的污染程度來確定，才能達(dá)到最佳的清洗效果。為了提高產(chǎn)品的清洗效率，應(yīng)該明確清洗的最適溫度和濃度。

[1] 楊兵，劉穎. BGA封裝技術(shù)[J].電子與封裝，2003，7-14.

[2] 孟冬華. 水基清洗劑在表面處理中的應(yīng)用[J].材料保護(hù)，2003，36(7).

[3] 曹寶成，洪磊，等. 新型半導(dǎo)體清洗劑的清洗工藝[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2002：778-781.