BGA組裝技術(shù)與工藝

第6期電子元件與材料VoL 25 No 62006年6月ELECTRONIC COMPONENTS MATERIALS綜述REVIEHBGA組裝技術(shù)與工藝胡強(上海貝爾阿爾卡特股份有限公司,上海200070)摘要:從BGA的封裝形式、PCB的設計、焊膏印刷、貼片、回流焊接工藝等方面分析了BGA組裝過(guò)程中應注意的問(wèn)題及其預防措施。以常用的PBGA和CBGA為例,分析了兩種不同封裝形式BGA的結構特點(diǎn)和組裝過(guò)程中應注意的問(wèn)題,以焊膏Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5為例,分析了傳統的SnPb組裝工藝和無(wú)鉛組裝工藝的特點(diǎn),以提高BGA組裝的質(zhì)量關(guān)鍵詞:半導體技術(shù);BGA;綜述;封裝;PCB;無(wú)鉛;回流焊接;溫度曲線(xiàn)中圖分類(lèi)號:TN605文獻標識碼:A文章編號:1001-2028(2006)06-0010-03BGA ASSembly Technology and ProcessHU Qiang(Alcatel Shanghai Bell Co, Ltd, Shanghai 200070, China)Abstract: Attention questions and measures during BGa assembly were analyzed to increase BGa assembly quality byBGa package, PCB design, solder paste print, place BGA, and reflow soldering process. As a matter of common PBGA andCBGA,different package structures of BGA and attentional problems during assembly were analyzed. And traditional SnPbassembly process and lead free assembly process were analyzed by Sn63Pb37. Sn62Pb36Ag2 and Sn965Ag30Cu0 5 pastes toKey words: semiconductor technology; BGA; review; package; PCB; lead free; reflow soldering; temperature profile由于BGA封裝形式的特殊性,其返修需要特殊程中具有自對中功能;消除了窄節距焊膏印刷;減小的返修工具,而且返修難度大,成功率低。對于電子了焊盤(pán)之間橋連的可能。組裝生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō),提高BGA組裝質(zhì)量,對于提高PBGA器件是一種高度的濕度敏感器件,其必須產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本具有重要的意義。在恒溫干燥的條件下保存,避免元器件在組裝前受到BGA的封裝形式影響。一般BGA較理想的保存環(huán)境為20-25℃,RH小于10%(有氮氣保護措施更佳)。故BGA密封的防目前出現的BGA封裝,按基板的種類(lèi),主要分潮包裝一旦被打開(kāi),必須在規定的時(shí)間內組裝到PCB為PBGA(塑料封裝的BGA)、CBGA(陶瓷封裝的上。PBGA芯片在拆封后必須使用的期限由芯片的敏BGA)和TBGA(載帶狀封裝的BGA)。PBGA封裝感性等級所決定,如表1所示。由安裝和互連到雙面或多層PCB基板的芯片組成,通表1PBGA芯片拆封后必須使用的期限ab I PBGa time limit after package opening孔將頂層表面的信號印制線(xiàn)互連到基板底部相應的焊敏感性等級芯片拆封后置放環(huán)境條件拆封后必須使用的期限盤(pán)上,在芯片粘結和引線(xiàn)鍵合之后,用遞?；蜃⒛９?0℃,RH<85%≤30℃,RH<60%藝將組裝好的部分上模塑包封,是目前應用最為廣泛RH<60%的一種BGA器件,主要應用在通信產(chǎn)品和消費產(chǎn)品1 68 h4級≤30℃,RH<60%72h上。由于其具有以下優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應用于SMT的≤30℃,RH<60%48h≤30℃,RH<60924h組裝:高的ⅣO引出端數與封裝面積比;與環(huán)氧樹(shù)脂在組裝過(guò)程中,BGA的包裝被打開(kāi)后無(wú)法在相應PCB的熱膨脹系數CTE相匹配,熱綜合性能良好;的時(shí)間內進(jìn)行組裝,而且暴露的時(shí)間超過(guò)了表1中規良好的電氣性能;高的互連密度;SMT組裝中較低的定的時(shí)間,那么在下一次使用之前為了使BGA具有焊球共面性要求,一般為015020mm:SMT回流工良好的可焊性中國煤化工。烘烤溫度收稿日期:2005-12-20通訊作者:胡強CNMHG作者簡(jiǎn)介:胡強(1976)男,湖北安陸人,工程師,主要從事微連接材料與工藝方面的研究。Te125:E-malr:qiang. nu(walcatel-sbell comcn胡強:BGA組裝技術(shù)與工藝般不要超過(guò)125℃,RH低于60%,因為過(guò)高的溫度會(huì )豁口及拐角處。由于BGA的熱容量較大,為了使PCB增加焊球和BGA連接處金屬間化合物的厚度,在組表面元器件的熱均勻性,在BGA周?chē)?mm的區域內裝過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋導致BGA組裝失效。烘烤時(shí)間不應再布局元器件,以避免PCB組裝過(guò)程中溫度分布與BGA的濕氣敏感性等級和BGA的厚度有著(zhù)密切的不均勻產(chǎn)生變形。關(guān)系,如表2所示。為了減小PCB的變形,提高BGA組裝質(zhì)量,良ab 2 Roasting time好的PCB材質(zhì)是需要的,特別是對于適用于無(wú)鉛化電封裝厚度b/mm濕度敏感等級烘烤時(shí)間t/h子組裝的焊接工藝,由于回流溫度的升高,對PCB材質(zhì)提出了更高的要求。目前廣泛應用的改性FR4型基板,其Tg值大于170℃,基本上可以滿(mǎn)足無(wú)鉛和錫鉛回流焊接工藝的要求。BGA對應的PCB的焊盤(pán)設計,一般比焊球直徑小20%,每個(gè)焊球對應的焊盤(pán)應為實(shí)心銅盤(pán),PCB焊盤(pán)的最大直徑為BGA器件底部焊球的焊盤(pán)直徑,最48小直徑應為BGA器件底部焊盤(pán)直徑減去貼裝精度焊盤(pán)周?chē)鷳O計阻焊膜,阻焊膜尺寸應比焊盤(pán)大480.1-0.l5mm,防止焊料流失,引起短路或虛焊。焊盤(pán)PBGA焊球成分一般為Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2旁邊應設計通孔,通孔在孔化電鍍后,必須采用介質(zhì)和Sn96.5Ag30Cu0.5等合金,焊球間距一般有1.50,材料或導電膠進(jìn)行堵塞,高度不得超過(guò)焊盤(pán)高度。127,10.08,05mn,焊球直徑可根據不同應用對3BGA的組裝工藝間距越小的BGA,其封裝密度越高,對于BGA組裝在BGA的組裝過(guò)程中,每一個(gè)步驟,每一個(gè)工的工藝要求越高。藝參數都會(huì )對BGA的組裝造成影響,因此對于BGACBGA的互連由Sn10Pb90高溫焊球和把該焊球組裝的每一個(gè)步驟都要嚴格控制。對于錫鉛和無(wú)鉛的通過(guò)Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn965Ag30u0.5電子組裝工藝而言,焊膏印刷、貼片工藝過(guò)程都沒(méi)有等低熔點(diǎn)焊料焊接到基板上完成的。焊球數組的間距太大的差別,主要的區別在于回流過(guò)程中溫度曲線(xiàn)的為127mm時(shí)所用的焊球直徑為0.89mm,間距為10設定,錫鉛回流焊接工藝與無(wú)鉛回流焊接工藝存在較mm時(shí)所用的焊球直徑為0.64mm。CBGA封裝的主大的差異。另外由于BGA的封裝形式的不同,存在要優(yōu)點(diǎn)包括:(1)封裝組件的可靠性高,性能優(yōu)良;的熱阻不同,為了滿(mǎn)足回流焊接溫度曲線(xiàn)的要求,其(2)共面性好,易于焊接;(3)對濕氣不敏感,存儲溫度設定與時(shí)間也存在一定的差異。時(shí)間長(cháng);(4)電氣性能良好;(5)封裝密度高。CBGA3.1焊膏印刷存在的主要缺點(diǎn)是與PCB的熱膨脹系數CTE不匹配焊膏是合金焊料粉末、助焊劑系統和觸變劑系統易造成熱疲勞失效,因此熱可靠性差,而且封裝體邊均勻混合而成,具有觸變性能的膏狀流體。焊膏的貯緣與PCB焊盤(pán)對準困難,封裝成本較高。存條件一般在2-5℃下保存3-6個(gè)月,貯存時(shí)不會(huì )發(fā)TBGA是用銅/聚酰亞胺載帶作基板實(shí)現芯片與生化學(xué)變化,也不會(huì )出現焊料粉與焊劑分離現象,并焊料球和PCB連接的一種封裝形式,TBGA封裝具以保持其黏度和粘性不變。焊膏在印刷之前須自然回溫,下特點(diǎn):()和環(huán)氧樹(shù)脂電路板的熱匹配性好;(2)可通般回溫時(shí)間為48h,在焊膏回溫到室溫前,切勿過(guò)封裝體邊緣與PCB焊盤(pán)對準;(3)對濕度和熱敏感,拆開(kāi)容器或攪拌焊膏和強制加熱回溫,以免造成助焊不同材料的多元聚合對可靠性產(chǎn)生不利影響劑等成分析出。以保證良好的印刷性和焊接性。焊膏印刷的量要適宜,過(guò)多容易產(chǎn)生橋連等焊接2PCB設計缺陷,過(guò)少又容易產(chǎn)生開(kāi)路或虛焊等焊接缺陷。焊膏由于BGA封裝的特殊性,其焊點(diǎn)位于BGA封裝印刷量的控制取決于印刷范本的厚度、刮刀壓力的大體下部的面陣結構,在組裝過(guò)程中PCB的微量變形就小和印刷速度。印刷范本一般采用不銹鋼材料,對于可能造成BGA焊球的開(kāi)路。因此BGA的位置設計應BGA范本開(kāi)口直徑胳小干焊盤(pán)直徑,其厚度在遠離PCB撓度很大的區域和高應力區,如PCB的般為0.12-0.1中國煤化工印刷四角、邊緣位置、接插件、安裝孔、槽、拼板的切割、印刷焊膏CNMH④刮刀,刮刀壓電子元件與材料力一般控制在35-100N,壓力太小使焊膏轉移量不足,60~-180s,以便助焊劑能夠充分發(fā)揮其作用?；罨A太大又使所印刷焊膏太薄,增加焊膏污染范本反面和段的溫升速率一般控制在0.3~0.5℃/s。PCB基板的可能性。印刷速度一般為10~25mm/s,太回流階段:此階段焊點(diǎn)的溫度已經(jīng)上升到焊膏的快易造成刮刀滑行、漏印,太慢易造成焊膏卬跡邊緣熔點(diǎn)溫度以上,焊膏處于熔融狀態(tài)?；亓麟A段的主要不齊,污染PCB基板表面。BA焊點(diǎn)間距越小,印刷目的是使熔融的焊料潤濕焊盤(pán)與元器件的引腳,達到速度愈慢,才能保證良好的印刷質(zhì)量。印刷后的脫模良好的焊接要求。對于PBGA,其焊球為Sn63Pb37,速度一般設定為0.5~1.0mms,焊點(diǎn)間距愈小,脫模速Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等合金,在回流過(guò)度應愈慢。目前有硏究表明,將脫模速度設定為可加程中焊球與焊膏一起熔化混合熔融后形成焊點(diǎn);對于速的,即從零逐漸加速,可避免等速脫模時(shí)焊膏塌陷CBGA,其焊球為Sηl0b9髙溫合金,在冋流過(guò)程中和焊膏與范本分離不良,其脫模效果良好焊球是不熔化的,焊膏熔化與焊盤(pán)和髙溫焊球潤濕形另外,在印刷時(shí)要注意控制操作的環(huán)境,溫度控成焊點(diǎn)。因此需要合遹的時(shí)間保證熔融的焊膏能夠很制在25℃左右,濕度控制在RH55%左右,卬刷后的好的潤濕焊盤(pán)和焊料球,時(shí)間過(guò)短可能造成潤濕不良PCB應在30min以?xún)冗M(jìn)行回流焊工藝,防止焊膏在空形成虛焊,時(shí)間過(guò)長(cháng)則可能使焊料與焊盤(pán)之間形成很氣中暴露過(guò)久而影響組裝質(zhì)量。厚的一層金屬間化合物 CuSs和Cu3Sn,由于其脆性3.2貼片的特性易形成開(kāi)裂造成焊點(diǎn)的失效。特別是對于無(wú)鉛貼片的主要目的是使BGA上的每一個(gè)焊球與化電子組裝,由于無(wú)鉛焊料中合金元素Sn的含量高,PCB上的每一個(gè)對應的焊盤(pán)對正。由于BGA上的焊更易在高溫下形成較厚的金屬間化合物導致焊點(diǎn)的失球位于其封裝體的底部,必須采用專(zhuān)門(mén)的設備來(lái)對中。效。對于SnPb焊接,一般要求在熔點(diǎn)183℃以上的時(shí)放置BGA的貼片杋其貼片的精確須達到0.001mm左間控制在60~90s,其中峰值溫度210225℃范圍內的右,BGA器件通過(guò)鏡像識別,可以準確的放置在PCB時(shí)間控制在10-20s;對于無(wú)鉛焊接,一般要求熔點(diǎn)板上。由于BGA焊球的共面性存在一定的偏差以及217~219℃以上的時(shí)間控制在60-120s,其中峰值溫度焊膏印刷存在一定的差異,為了保證良好的焊接質(zhì)量,230~-235℃范圍內的時(shí)間控制在20~40s為佳。般將BGA高度減去2541~50.80m,同時(shí)使用延時(shí)冷卻階段:焊膏經(jīng)過(guò)回流后助焊劑被完全消耗,關(guān)閉真空系統約400ms,使BGA在貼裝時(shí)其焊球能形成了熔融的金屬焊點(diǎn)。冷卻階段的主要目的是在焊夠與焊膏充分接觸,從而避免BGA在回流過(guò)程中某點(diǎn)凝固的同時(shí)細化晶粒,抑制金屬間化合物的增長(cháng),個(gè)焊電開(kāi)路的現象。以提高焊點(diǎn)的強度。但由于過(guò)快的冷卻速度會(huì )造成3.3回流焊接PCB的變形和電子元器件的熱裂化,特別是BGA這回流焊接是BGA組裝工藝中較難控制的流程,樣的吸熱量大的元器件,冷卻速率過(guò)快易造成內部封設定工藝參數,獲得合適的溫度曲線(xiàn)對于BGA的良裝的損壞,從而導致BGA的失效。一般冷卻速率控好焊接是非常重要的。由于BGA的封裝形式的不同,制在1~3℃s以?xún)菴BGA的熱阻比PBGA要大,因此達到相同的溫度,CBGA比PBGA需要更高的溫度設定和較長(cháng)的預熱時(shí)4結論間。對于錫鉛焊膏和無(wú)鉛焊膏,其溫度設定值和加熱BGA的組裝是一個(gè)非常復雜的工藝過(guò)程,從BGA時(shí)間都有明顯的不同。的封裝形式、PCB的設計、焊膏的特性及其印刷工藝、預熱階段:預熱的主要目的是使PCB及其元器件貼片工藝和適宣的回流焊接溫度曲線(xiàn),任何一個(gè)工序均勻受熱,同時(shí)對PCB和元器件具有烘烤的作用,除出現問(wèn)題都有可能造成BGA組裝的失敗。因此在去其中的水分,以及蒸發(fā)掉焊膏中適量的熔劑。預熱BGA組裝過(guò)程中,必須嚴格控制組裝工藝流程,從而階段的升溫速率不能過(guò)快,以防止PCB受熱過(guò)快而產(chǎn)提高BGA的組裝質(zhì)量。生較大的變形。一般升溫速率控制在3℃/s,預熱時(shí)間為60-90s之間參考文獻活化階段:此階段的主要目的是使焊膏中的助焊[]CA哈珀電子組裝制造M.北京:科學(xué)出版社,2005[2]張征翔.實(shí)現BGA的良好焊接[J.電子工藝技術(shù),2003,24(1):79劑活化,除去焊盤(pán)表面和焊膏合金表面的氧化物,達]劉正偉BGA再流焊接技術(shù)電訊技術(shù),204,):132-134到潔凈的金屬表面,為焊膏回流過(guò)程做好準備。同時(shí)[4] Wojciechowski Dominique, Chan Moses, Martone Fabrizio. Lead freeplastic area array BGAs and polymer stud grid arrays package reliability蒸發(fā)掉焊膏中過(guò)多的助焊劑和對PCB進(jìn)行預熱,防止J Microelectron Reliab, 2001, 41: 1829-1839[5]楊兵,劉穎.BGA封裝技術(shù)[.電子與封裝,2003,(7):6-13回流過(guò)程中升溫過(guò)快造成PCB的變形。對于錫鉛焊[6賈斌BGA元件接,此階段的溫度在150~180℃應保持60~120s;對于無(wú)鉛焊接,此階段的溫度在160-200℃應保持H中國煤化工(12)5963編輯:尚木)CNMHG