摘要：
在高速信號和熱應(yīng)力載荷作用下，球柵陣列封裝（BGA）器件存在的焊點空洞大和焊接強度差等高發(fā)性缺陷，極易導(dǎo)致焊點破裂并引發(fā)器件故障。針對有鉛焊球的BGA器件，通過真空汽相焊接技術(shù)從汽相液注入方式與升溫速率之間的平衡規(guī)律入手，系統(tǒng)探討了不同焊接階段真空抽壓以及調(diào)控真空度對焊點空洞的抑制機理。結(jié)果表明，在保溫區(qū)真空度 50mbar 時 BGA 焊點具有較低的空洞率為 0.9%，均勻的微觀組織分布以及良好的焊接質(zhì)量，可有效解決焊點空洞率過大而引發(fā)的可靠性問題。
關(guān)鍵詞：
球柵陣列封裝；真空汽相焊；真空度；空洞率
1、引言
隨著宇航型號向小型化和集成化發(fā)展，使用的各類封裝元器件也逐漸面向高密度化和微型化方向設(shè)計。目前，廣泛應(yīng)用的柱柵陣列封裝(CCGA)、BGA等面陣列封裝器件，具有尺寸更小、引腳數(shù)更多和高性能等優(yōu)勢。對于BGA器件而言，密間距排列的球形焊點不僅要求保證良好的機械支撐強度，而且還作為電氣互聯(lián)和高效散熱通道。由于宇航型號產(chǎn)品需要在復(fù)雜的空間環(huán)境下長期在軌可靠服役并且具有不可維護(hù)性，因而對BGA器件的質(zhì)量可靠性要求十分嚴(yán)格。存在焊點空洞等缺陷的BGA器件在熱沖擊和高強度震動等極端條件下會導(dǎo)致焊點開裂和焊接強度降低，進(jìn)而造成產(chǎn)品失效。
受回流焊接設(shè)備的局限性，BGA器件在焊接過程中產(chǎn)生的缺陷都集中表現(xiàn)在焊點上。BGA器件焊點空洞現(xiàn)象是在絕大部分表面貼裝技術(shù)(SMT)中常見的 嚴(yán)重缺陷，與焊膏選用、氣氛環(huán)境、回流曲線設(shè)置等工藝參數(shù)以及助焊劑的合理釋放途徑都密切相關(guān)。但空洞現(xiàn)象尚且無法通過優(yōu)化常規(guī)的回流焊接工藝徹底解決，影響了BGA器件的高焊點質(zhì)量和焊接可靠性。研究表明，真空再流焊接技術(shù)不僅實現(xiàn)了BGA器件的焊點低空洞化，而且能夠?qū)更c有空洞的BGA器件進(jìn)行返修。
2、實驗
2.1 實驗樣品
實驗所用BGA器件的有鉛焊球成分為Sn63Pb37，標(biāo)稱熔點為183℃，粒徑為0.6mm，焊球間距為1mm；焊錫膏為Sn63Pb37型共晶免清洗焊膏，其中金屬質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為90.2%，標(biāo)稱熔點為183℃。印刷焊膏網(wǎng)板與印 制板焊盤按1:1尺寸比例開孔，鋼網(wǎng)厚度為0.2mm。
2.2 實驗設(shè)備
實驗焊接設(shè)備為Rehm Condenso XM型真空汽相焊接系統(tǒng)；X-Ray檢測設(shè)備為YXLON Cougar EVO型檢測儀；焊點金相組織使用AXIO Imager A2m型金相顯微鏡記錄；焊點微觀組織通過HITACHI SU8100型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察和X射線能譜分析儀分析元素分布。
2.3 BGA優(yōu)良焊點標(biāo)準(zhǔn)
3、真空汽相焊接工藝研究
3.1 升溫速率調(diào)控分析
溫度曲線設(shè)置是焊接工藝的核心管理工具，決定了元器件乃至整個印制電路板的焊接可靠性。真空汽相焊接技術(shù)可以實現(xiàn)升溫速率的精準(zhǔn)調(diào)控，憑借導(dǎo)熱介質(zhì)汽相液相變時放出熱量對元器件均勻加熱，熱傳導(dǎo)率和焊接時間與汽相液所提供的熱量呈現(xiàn)良好的相關(guān)性。通常，焊接曲線由預(yù)熱、保溫、回流和冷卻區(qū)4個部分組成。其中，預(yù)熱區(qū)起到加熱印制板組裝件達(dá)到平衡狀態(tài)，同時防止焊膏發(fā)生坍塌和焊料飛濺的作用。但較高的預(yù)熱區(qū)升溫速率會對元器件造成熱沖擊損害和熱機械應(yīng)力，低升溫速率則會影響焊劑活化和焊點潤濕效果。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)QJ3173《航天電子電氣產(chǎn)品再流焊接技術(shù)要求》，焊接預(yù)熱區(qū)的升溫速率應(yīng)保 持在0.5～2℃之間。
3.2 階段性真空抽壓分析
圖1、焊點空洞抑制機理示意圖
在控制焊膏使用、焊盤設(shè)計等變量的基礎(chǔ)上， 利用真空汽相焊接工藝核心的真空技術(shù)通過階段性真空抽壓和優(yōu)化腔體真空度，以期降低焊料的氧化 程度以及排出釋放的氣體，如圖1所示。從本質(zhì)上來說，絕大多數(shù)BGA焊點中產(chǎn)生的空洞都是回流階段熔融焊料包裹氣體造成的，導(dǎo)致焊點表面層冷 凝固化后仍有氣體截留在焊點內(nèi)部，主要原因可分為以下4類：
a、焊膏：焊膏中金屬含量與和尺寸決定了揮發(fā)氣體從緊密焊膏中逃逸的難度。通常，金屬含量越高，焊粉粒徑越細(xì)，BGA焊點冷卻后內(nèi)部空洞的體積比例越高；
b、助焊劑：吸納在焊膏中的助焊劑沸點和粘度影響了焊接過程中助焊劑分解和揮發(fā)的時間和暢通性；
c、焊盤設(shè)計：由于微孔和盲孔等焊盤的設(shè)計使BGA器件的底部位置容易產(chǎn)生空洞；
4、結(jié)果與分析
4.1升溫速率曲線結(jié)果
根據(jù)有鉛焊料的熔點特性選用了相應(yīng)的汽相液，其在腔體內(nèi)達(dá)到沸騰狀態(tài)則與汽相液注入量和腔體壓強緊密相關(guān)。經(jīng)過大量試驗驗證，合理的升溫速率通過調(diào)節(jié)汽相液注入量與腔體真空度的平衡關(guān)系如圖2所示。當(dāng)100～600mL的汽相液注入后立即真空抽壓至800mbar、600mbar、400mbar和200mbar時，升溫速率在0.67～1.49℃/s范圍內(nèi)，均符合焊接標(biāo)準(zhǔn)的要求。從圖2中看出，較少的汽相液注入量在相變過程中提供的熱容無法使印制板組裝件快速升溫，溫度呈現(xiàn)緩慢上升的狀態(tài)。當(dāng)汽相液注入量達(dá)到600mL時，腔內(nèi)溫度至120℃后的升溫速率明顯提升，主要是由于大量的汽相液由液態(tài)完全轉(zhuǎn)換為氣態(tài)需要一定的時間，當(dāng)完全轉(zhuǎn)換后使印制板組裝件的升溫速率劇增。基于此，在注入300mL汽相液后真空抽壓至200～400mbar區(qū)間內(nèi)，具有最緩和且線性的升溫速率為1.01～1.18℃/s，用于進(jìn)一步指導(dǎo)真空汽相焊接工藝曲線的設(shè)置。
4.2工藝曲線結(jié)果
圖3、不同真空汽相焊工藝和溫度實測曲線圖
4.3焊點剖面檢測結(jié)果
圖4、BGA焊點金相剖切圖
4.4焊點X-Ray檢測結(jié)果
真空汽相焊接后BGA器件的底部焊點將通過X射線進(jìn)一步檢測空洞率。由圖5可知，大小一致的黑色圓為BGA焊球，其中雜亂無章的白色圓為產(chǎn)生的氣泡。預(yù)熱區(qū)真空抽壓后BGA焊點形成的空洞數(shù)量較多，經(jīng)過計算后焊點空洞率約為11.9%，其中部分焊點的內(nèi)部空洞已超過焊球投影面積的最大值25%。在保溫區(qū)真空抽壓至100mbar時所得BGA焊點的氣泡顯著減少，大幅度抑制了焊點空洞現(xiàn)象至2.6%的空洞率。隨后，在焊接曲線峰值溫度的回流區(qū)真空抽壓時，BGA焊點的整體空洞率進(jìn)一步降低為1.8%，但存在2個BGA焊球橋連在一起形成短路的嚴(yán)重缺陷。焊接溫度與氣體壓強關(guān)系的解釋可以依據(jù)式（1）克拉伯龍方程[8]：PV=nRT（1）
圖5、BGA焊點X射線檢驗圖
4.5真空度優(yōu)化檢測結(jié)果
b.金相剖切圖 c.X射線檢驗圖圖6、保溫區(qū)真空度50mbar焊接效果圖
5、結(jié)束語
屹立芯創(chuàng) · 除泡品類開創(chuàng)者
