BGA植球的實(shí)驗(yàn)研究與工藝方法

陸 偉，謝 鑫，金大元

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

BGA植球的實(shí)驗(yàn)研究與工藝方法

陸 偉，謝 鑫，金大元

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

為了節(jié)約生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)BGA器件的再次利用，文中開展了BGA植球工藝的研究。通過理論分析確立了BGA植球質(zhì)量的4個(gè)關(guān)鍵因素：植球方式、助焊劑、植球鋼片、回流溫度曲線，并對(duì)4個(gè)因素進(jìn)行了一系列對(duì)比工藝實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確立了最佳的工藝參數(shù)，形成了較完善的植球工藝。重植球BGA的性能檢測(cè)表明，重植球BGA芯片二次利用時(shí)能正常工作且性能穩(wěn)定。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該植球工藝的可行性，可有效應(yīng)用于BGA返修中。

BGA；植球；實(shí)驗(yàn)；工藝

引 言

BGA(ball grid array)球柵陣列封裝技術(shù)是20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的一種先進(jìn)的高性能封裝技術(shù)[1]，其外引線為焊球或焊凸點(diǎn)，成陣列分布于封裝基板的底部平面上，而在基板的上表面裝配大規(guī)模集成電路(LSI)芯片，這是LSI芯片的一種表面封裝類型。BGA無需進(jìn)行維護(hù)處理，較QFP(四方扁平封裝)具有更多的I/O引腳及更大的引腳間距，同時(shí)還具備引線硬度好、自對(duì)準(zhǔn)特性高的特點(diǎn)?；谏鲜鰞?yōu)良特性，BGA器件已廣泛應(yīng)用于SMT(surface mount technology)表面組裝技術(shù)中。

現(xiàn)今，很多產(chǎn)品已廣泛采用BGA器件，但因多品種、小批量的產(chǎn)品特性，以下兩類問題在生產(chǎn)中較突出：1)多品種、小批量的產(chǎn)品特性導(dǎo)致采購(gòu)的單種BGA器件的量較少，往往無法從原廠直接采購(gòu)，需通過代理商購(gòu)買，個(gè)別購(gòu)入的BGA器件存在引腳氧化、部分焊球缺失或存在缺陷等情況；2)印制板受熱翹曲、焊盤設(shè)計(jì)不符、焊膏印刷不良及焊接溫度不足等原因?qū)е翨GA器件存在短路或虛焊等焊接缺陷。采用報(bào)廢原器件更換新器件的處理方式一方面大大增加了生產(chǎn)成本，另一方面某些BGA器件若無庫存，則需重新進(jìn)行采購(gòu)，而BGA器件采購(gòu)周期一般較長(zhǎng)，從而嚴(yán)重延誤了生產(chǎn)進(jìn)度。若芯片本身無質(zhì)量問題，上述情況只需更換器件的焊球即可實(shí)現(xiàn)器件的再次利用。因此，為實(shí)現(xiàn)BGA器件的二次利用，開展BGA植球工藝的研究十分必要。

1 植球工藝

通過相關(guān)資料查詢及實(shí)際BGA植球應(yīng)用可知，影響B(tài)GA植球質(zhì)量的因素主要為以下4個(gè)方面[2-4]：焊球貼裝方式；助焊劑；植球鋼片；回流溫度曲線。本文對(duì)以上4個(gè)因素進(jìn)行了一系列對(duì)比、分析實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取最佳工藝參數(shù)，確定BGA植球的工藝方法。

1.1 焊球貼裝方式

文中植球選用的焊球?yàn)楸本┻_(dá)博長(zhǎng)城錫焊料有限公司的63Sn/37Pb鉛錫焊球，焊球球徑則根據(jù)BGA的焊盤間距選擇合適尺寸。

BGA的焊球貼裝方式分為正裝法和倒裝法，見圖1。

文中選用兩種不同焊盤間距的芯片作為植球?qū)嶒?yàn)樣本，檢測(cè)不同球徑的焊球在兩種貼裝方式下的成功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中焊球無缺失為植球合格，個(gè)別焊球缺失為可接受，個(gè)別缺失焊球可手工補(bǔ)貼，部分焊球缺失及大部分焊球缺失均為植球不合格。由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，正裝法的植球成功率明顯高于倒裝法。

圖1 焊球貼裝方式

表1 正裝法、倒裝法植球成功率對(duì)比

1.2 助焊劑

選用合適的助焊劑對(duì)保證植球質(zhì)量也有著重要意義。

分別配置兩種不同濃度的松香酒精溶液作為助焊劑進(jìn)行植球?qū)嶒?yàn)，具體的特性及植球效果見表2，植球?qū)嶒?yàn)次數(shù)為50次。

表2 助焊劑對(duì)植球效果的影響

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，松香濃度為30%的松香酒精溶液更接近于膏體，其粘度較20%松香濃度的松香酒精溶液高，更適于焊錫球的植球貼裝。但上述兩種助焊劑均存在焊接擾動(dòng)較大的問題(因其酒精含量較大，在加熱過程中易劇烈蒸發(fā)造成焊球偏移)，且其熔點(diǎn)較低，導(dǎo)致助焊劑在焊錫球熔融前已基本揮發(fā)殆盡，影響了助焊的效果。因此，基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，通過廣泛調(diào)研及多次實(shí)驗(yàn)最后選定Alpha up78助焊膏作為助焊劑。

1.3 植球鋼片

植球鋼片的參數(shù)也是影響植球效果的重要因素。文中選用Hanson公司的HSZ6植球器，以正裝植球法進(jìn)行植球?qū)嶒?yàn)求取最佳的植球鋼片參數(shù)。

植球鋼片的參數(shù)包含孔徑和厚度兩個(gè)方面。鋼片加工廠家給出了不同焊球球徑下的植球鋼片參數(shù)，見表3。

表3 廠家提供的植球鋼片參數(shù) mm

焊錫球徑鋼片開孔鋼片厚度0．7620．860．20．6350．730．20．60．680．150．450．530．12

根據(jù)大量植球?qū)嶒?yàn)結(jié)果可知，表3中的植球鋼片開孔孔徑參數(shù)基本可行，但鋼片厚度參數(shù)不滿足實(shí)際需要。以常見的1.0 mm間距BGA芯片為例，以0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm 3種厚度的鋼片分別進(jìn)行20次植球?qū)嶒?yàn)，結(jié)果顯示采用0.25 mm厚度鋼片的植球成功率最高(75%)，而0.15 mm厚度鋼片的植球成功率最低(55%)。分析原因?yàn)殇撈奖∑溟_孔成形后翹曲度越大，0.15 mm厚度鋼片的翹曲可達(dá)2～4 mm，較大的翹曲度嚴(yán)重影響了植球中漏球操作的成功率。通過大量實(shí)驗(yàn)，我們固化了以下3種常見BGA間距及焊球球徑下的植球鋼片參數(shù)，見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)確定的植球鋼片參數(shù) mm

BGA間距焊錫球徑鋼片開孔鋼片厚度1．270．760．850．2510．65/0．60．70．250．80．450．50．2

1.4 回流溫度曲線

初期的植球回流焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示焊球的連焊現(xiàn)象較嚴(yán)重。經(jīng)過分析，主要原因是在實(shí)驗(yàn)中直接選用了印制板整板焊接用回流溫度曲線，該曲線在預(yù)熱區(qū)的升溫較快，助焊劑中的酒精揮發(fā)過于激烈，從而導(dǎo)致焊球偏離焊盤，與周邊焊球連焊。針對(duì)上述情況，一方面需盡可能降低助焊劑涂膜厚度，另一方面更需要優(yōu)化回流曲線，使預(yù)熱區(qū)加熱過程中助焊劑中的酒精緩慢揮發(fā)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，最終固化的BGA植球回流溫度曲線如表5所示。

表5 植球回流溫度曲線 ℃

溫度及公差溫區(qū)12345678910上溫區(qū)溫度909090110130150180200220240溫度公差±5±5±5±5±5±5±5±5±5±5下溫區(qū)溫度909090110130150180200220240溫度公差±5±5±5±5±5±5±5±5±5±5

1.5 注意事項(xiàng)

上述一系列實(shí)驗(yàn)確立了植球工藝的4個(gè)關(guān)鍵因素的最佳參數(shù)，形成了BGA的植球工藝，但在BGA植球過程中還需注意以下事項(xiàng)：

1)助焊膏回溫：助焊膏Alpha up78從冰箱取出后需在常溫下回溫3 h；

2)去潮處理：BGA器件對(duì)潮氣十分敏感，為了有效去除BGA內(nèi)部的潮氣，防止器件本體開裂現(xiàn)象的發(fā)生，在BGA植球前需將器件放入125 ℃的烘箱里烘烤24 h，對(duì)器件進(jìn)行去潮處理；

3)BGA本體焊盤的清理：在BGA本體焊盤上涂覆少量的助焊劑，用扁平頭烙鐵和吸錫帶將焊盤上的殘留焊錫清除干凈，并用專用清洗劑清洗焊盤。

2 研究結(jié)論

通過焊球貼裝方式、助焊劑選擇、植球鋼片參數(shù)選用、回流溫度曲線設(shè)置4個(gè)方面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)確立了最佳的工藝參數(shù)及材料，形成了較完善的植球工藝。采用該植球工藝對(duì)BGA進(jìn)行植球?qū)嶒?yàn)，并通過焊球外觀檢查、X光檢測(cè)及器件電性能檢測(cè)驗(yàn)證植球工藝的可行性。

2.1 外觀檢查

利用數(shù)字顯微鏡比對(duì)植球BGA和原廠BGA的焊球形貌，如圖2所示，可見各重植焊球完整，無連焊，且基本處于焊盤中心，無明顯偏移。由此可知，所植焊球在外觀形態(tài)上符合要求。

但通過圖2亦可發(fā)現(xiàn)，植球BGA的焊球在一致性、陣列的整齊性及表面質(zhì)量方面較原廠BGA還存在一定差距。

圖2 植球BGA與原廠BGA的焊球形貌

2.2 X光檢測(cè)

根據(jù)IPC要求，當(dāng)焊球空洞率達(dá)到25%時(shí)，其對(duì)焊點(diǎn)的熱疲勞可靠性呈負(fù)面影響。通過X光機(jī)檢測(cè)重植球BGA的焊球空洞率，檢測(cè)結(jié)果顯示，焊球的空洞率均在5%以內(nèi)，遠(yuǎn)小于25%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 性能檢測(cè)

將重植球的BGA芯片應(yīng)用于集成電路板上，經(jīng)整板調(diào)試檢測(cè)，BGA芯片運(yùn)行正常且性能穩(wěn)定。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行高低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后復(fù)測(cè)重植球BGA器件性能，結(jié)果顯示BGA芯片運(yùn)行正常、性能穩(wěn)定。

因此可知，重植球BGA的電氣性能亦滿足要求。

2.4 結(jié)論

通過重植焊球外觀檢查、焊球空洞率檢測(cè)及器件電性能檢測(cè)結(jié)果證實(shí)，該植球工藝切實(shí)可行，可有效應(yīng)用到BGA返修中，實(shí)現(xiàn)BGA的二次利用。

3 結(jié)束語

通過以上研究及實(shí)驗(yàn)，固化了植球工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了BGA器件的再次植球利用。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用該植球工藝技術(shù)，可有效降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也保證了生產(chǎn)進(jìn)度。

此外，研究中亦發(fā)現(xiàn)重植球BGA在焊球的一致性、陣列的整齊性及表面質(zhì)量方面較原廠BGA還存在一定差距。后續(xù)將著重對(duì)上述方面的工藝改進(jìn)開展更深入的研究，以期進(jìn)一步提高植球的質(zhì)量。

[1] 李丙旺, 吳慧, 向圓, 等. BGA植球工藝技術(shù)[J]. 電子與封裝, 2013, 13(6): 1-6, 37.

[2] 李全英, 朱珠, 趙國(guó)玉, 等. BGA植球返修工藝[J]. 兵工自動(dòng)化, 2010, 29(3): 31-32.

[3] 韓滿林, 趙雄明. BGA返修工藝[J]. 電子工藝技術(shù), 2007, 28(4): 214-218.

[4] 倪宏俊. BGA芯片的返修與錫球重整[J]. 印制電路信息, 2011(9): 65-67.

陸 偉(1986-)，男，工程師，主要從事電路工藝研究工作。

謝 鑫(1988-)，男，工程師，主要從事電路工藝研究工作。

金大元(1964-)，男，研究員，副總工程師，主要從事電子機(jī)械工程系統(tǒng)研究工作。

Experimental Research and Process Methods of BGA Soldering-Ball

LU Wei，XIE Xin，JIN Da-yuan

(The36thResearchInstituteofCETC,Jiaxing314033,China)

The research of the BGA soldering-ball process is carried out for reusing the BGA devices. By using the BGA soldering-ball technology, the production costs can be reduced and the production schedule can be protected. Theory analysis determines four key factors of BGA soldering-ball quality: soldering-ball way, flux, soldering-ball steel and reflow profile. A series of comparison process experiments are carried out for these four factors, the optimal process parameters of the factors are determined and the improved BGA soldering-ball process is established. Performance tests for resoldering-ball BGA show that those resoldering-ball BGA work properly and stably in secondary use, so the BGA soldering-ball process is proved to be feasible and can be effectively applied to the BGA rework.

BGA; soldering-ball; experiment; process

2014-12-26

TN305.94

A

1008-5300(2015)02-0045-03