孫國清，李承虎

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230031)

印制板組件的高密度化、高可靠性以及無鉛化發(fā)展趨勢(shì)，其對(duì)元器件封裝尺寸、性能以及組裝工藝要求愈加苛刻。

CSP/BGA器件因其小尺寸、低阻抗、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛應(yīng)用于電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品中。但同時(shí)，CSP/BGA器件在無鉛組裝工藝中有著較大的難度系數(shù)，開展其焊接工藝研究顯得比較迫切。

1 封裝

1.1 定義

CSP：是chip size package的英文縮寫，即芯片級(jí)尺寸封裝。它是指芯片的面積與封裝體面積之比大于80%，通俗的說，芯片的邊長(zhǎng)比封裝體的邊長(zhǎng)小僅僅1mm左右。CSP/BGA就是具有芯片級(jí)尺寸封裝的器件。

1.2 結(jié)構(gòu)

CSP/BGA器件應(yīng)用較多的主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，即引線鍵合和倒裝鍵合（見圖1）。

圖1 引線鍵合和倒裝鍵合

2 焊盤設(shè)計(jì)

0.5 mm間距CSP/BGA器件，其焊球直徑為0.3mm。

（1）應(yīng)為每個(gè)焊球采用單獨(dú)焊盤，焊盤尺寸直徑設(shè)計(jì)為0.3 mm；間距與焊球一致，為0.5 mm；焊盤上不可設(shè)置過孔。

（2）布線時(shí)，焊盤可直接走線或通過過孔走線，過孔應(yīng)位于周邊4個(gè)焊盤的中間位置。CSP/BGA封裝體之下的所有過孔均用阻焊膜覆蓋。

（3）應(yīng)用NSMD（阻焊層圍繞銅箔焊盤幷留有間隙）的阻焊方式。

3 焊膏印刷工藝

要保證焊膏至少75%的釋放率，焊膏的選擇、網(wǎng)板設(shè)計(jì)、印刷工藝參數(shù)設(shè)置等異常關(guān)鍵。

3.1 選擇焊膏

應(yīng)選擇適合細(xì)間距器件印刷的無鉛焊膏，顆粒直徑在20～45μm之間。對(duì)無鉛焊膏的選擇應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行參考：

（1）熔點(diǎn)。焊膏合金共晶溫度不能太高，根據(jù)元器件耐受溫度以及回流峰值溫度，一般選擇在210～220℃較為合適；

（2）無毒。無鉛焊膏材料符合ROHS規(guī)范，不含有毒物質(zhì)；

（3）可靠性。焊接后，焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電率；

（4）成本。焊膏成本要低，應(yīng)用廣泛。

我們優(yōu)選熔點(diǎn)在217℃左右的錫－銀－銅系焊膏。

3.2 設(shè)計(jì)網(wǎng)板

3.2.1 網(wǎng)板加工制作

CSP/BGA器件網(wǎng)板開孔尺寸很小，要保證焊膏有效地從網(wǎng)板孔內(nèi)釋放，網(wǎng)板制作方法選擇至關(guān)重要。

現(xiàn)階段網(wǎng)板加工制作方法主要有：化學(xué)腐蝕法、激光切割法以及電鑄法。結(jié)合使用絲網(wǎng)印刷機(jī)特點(diǎn)以及加工成本考慮，我們優(yōu)選激光切割外加孔壁拋光制作工藝方法。

3.2.2 網(wǎng)板厚度及開孔形狀、尺寸設(shè)計(jì)

網(wǎng)板厚度、開孔設(shè)計(jì)直接影響焊膏釋放率。相比有鉛焊膏，對(duì)于無鉛焊膏釋放率下降幅度可達(dá)10%～15%。

IPC7525標(biāo)準(zhǔn)要求，焊膏印刷時(shí)，網(wǎng)板開口尺寸滿足如下要求：

孔徑比即W/T＞1.5；

開口面積/開口四周孔壁面積比＞0.66，對(duì)于圓形孔，面積比公式為D/4T；對(duì)于矩形孔，面積比公式為L(zhǎng)W/[2(L+W)T]

式中：L為開口長(zhǎng)度；W為開口寬度；T為網(wǎng)板厚度；D為圓形開口直徑。

根據(jù)以上要求，初步設(shè)計(jì)幾種網(wǎng)板開口尺寸（見表1）。

最終選擇0.1 mm厚度的A4、A5、A6三種代號(hào)網(wǎng)板展開印刷試驗(yàn)。

3.3 印刷工藝參數(shù)設(shè)置

影響焊膏印刷質(zhì)量的參數(shù)主要有：刮刀角度、刮刀類型、印刷速度、印刷壓力、脫模速度、脫模距離等。

表1 網(wǎng)板開口形狀、尺寸

刮刀角度：刮刀角度一般在45～75(°)間。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，為了保證印刷過程中焊膏有較好的滾動(dòng)性和填充性，刮刀角度選擇在60°。

刮刀類型：選擇不銹鋼刮刀，刮刀與網(wǎng)板接觸面應(yīng)無變形、扭曲，刮刀長(zhǎng)度應(yīng)選擇比印刷圖形長(zhǎng)度長(zhǎng)20mm左右。

印刷速度：印刷速度設(shè)定必須保證焊膏在移動(dòng)過程中處于滾動(dòng)狀態(tài)，一般印刷速度低，焊膏填充性好。對(duì)于0.5mm間距器件，一般印刷速度為10～20 mm/s。

印刷壓力：印刷壓力不可過大，否則印刷過程中刮刀與網(wǎng)板之間壓力變大，刮刀印刷部位產(chǎn)生變形，導(dǎo)致刮刀印刷部位與網(wǎng)板之間產(chǎn)生間隙，印刷后網(wǎng)板上會(huì)殘留焊膏。

脫模速度、脫模距離：采用全自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)時(shí)，脫模速度、脫模距離是影響印制板印刷完焊膏下降過程中的兩個(gè)關(guān)鍵因素。印制板下降過程中，由于焊膏與網(wǎng)板之間的附著力，網(wǎng)板會(huì)產(chǎn)生一定的變形，如果脫模速度過快、脫模距離短，網(wǎng)板會(huì)快速恢復(fù)變形，致使印制板上焊膏被拉起。一般對(duì)于0.5mm間距的器件，脫模速度設(shè)定在0.5～1mm/s，脫模距離為2～3mm。

3.4 網(wǎng)板最終選擇

對(duì)0.1 mm厚度的A4、A5、A6三種代號(hào)網(wǎng)板展開印刷試驗(yàn)見表2。

表2 印刷試驗(yàn)

3.5 印刷工藝選擇

0.5 mm間距CSP/BGA器件使用絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行無鉛焊膏印刷時(shí)，應(yīng)采取如下措施：

(1)選擇熔點(diǎn)在217℃左右的錫－銀－銅系焊膏。焊膏顆粒直徑在20～45μm之間。

（2）網(wǎng)板設(shè)計(jì)。網(wǎng)板鋼片采用0.1 mm厚度，開孔應(yīng)設(shè)計(jì)成邊長(zhǎng)0.28mm方形口，為保證焊膏平滑漏印，開口四周拐角應(yīng)進(jìn)行0.06mm的倒圓角且開口孔壁進(jìn)行拋光工藝處理。

（3）絲網(wǎng)印刷機(jī)設(shè)置。刮刀角度選擇在60（°），印刷速度為10～20 mm/s；脫模速度設(shè)定在0.5～1mm/s；脫模距離為2～3mm。

4 貼裝工藝

4.1 預(yù)處理工藝

由于采用的CSP/BGA芯片為塑封封裝，極易吸潮。為防止芯片在回流焊接過程中產(chǎn)生鼓泡、裂紋等不良現(xiàn)象，貼片前，應(yīng)在真空干燥箱內(nèi)125℃下至少烘烤6 h。

4.2 貼片工藝設(shè)置

貼片的目的就是將CSP/BGA芯片準(zhǔn)確地放置在印好焊膏的印制板指定位置上。這里涉及到定義器件的封裝、貼片機(jī)吸嘴的選擇、照相機(jī)的選擇、供料器裝置設(shè)置以及印制板上基準(zhǔn)點(diǎn)定義、安裝CSP/BGA位置中心坐標(biāo)定義等等。

CSP/BGA器件安裝在印制板上時(shí)，必須保證焊球在Z軸方向能與焊膏充分接觸，x、y方向中心偏離焊盤不大于焊球直徑的25%。

5 回流焊接工藝

根據(jù)焊膏特性，我們選擇保溫型溫度曲線，整個(gè)回流時(shí)間控制在4min左右。

回流前，應(yīng)先確定回流速度（回流速度＝加熱區(qū)長(zhǎng)度/回流時(shí)間），再調(diào)整預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)以及冷卻區(qū)的參數(shù)設(shè)置。

預(yù)熱區(qū)：目的是將印刷線路板的溫度從室溫提升到錫膏內(nèi)助焊劑發(fā)揮作用所需的活性溫度，溫度升得不可太快。升溫速率控制在1～3℃/s。

保溫區(qū)：目的是使印刷線路板上各個(gè)區(qū)域的元器件溫度相同，減少他們的相對(duì)溫差，并使錫膏內(nèi)部的助焊劑充分地發(fā)揮作用，去除元器件焊端和焊盤表面的氧化物，從而提高焊接質(zhì)量。

溫度控制在160～190℃之間，升溫速率控制在1～2℃/s，時(shí)間控制在45S～90 s間。

回流區(qū)：目的是使焊點(diǎn)溫度提升到錫膏的熔點(diǎn)溫度以上并維持一定的焊接時(shí)間，使其形成合金，完成元器件焊端與焊盤的焊接。峰值溫度控制在235～250℃之間，液相線以上時(shí)間控制在40～80 s間。

冷卻區(qū)：目的是使焊點(diǎn)迅速降溫，焊料凝固。冷卻速度控制在4℃/s左右，有助于形成精細(xì)的焊點(diǎn)微結(jié)構(gòu)，提升焊點(diǎn)機(jī)械性能，增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性。

CSP/BGA器件經(jīng)回流焊接后需經(jīng)X-RAY檢測(cè)，應(yīng)無橋接、焊料球丟失、開路、冷焊、錫珠、空洞（空洞不大于焊點(diǎn)體積的15%）以及錯(cuò)位等不良缺陷。

6 結(jié)束語

0.5 mm間距CSP/BGA器件裝焊難度較大，裝焊過程中器件預(yù)處理、焊膏印刷、貼片、回流焊接等環(huán)節(jié)必須建立有效的控制手段，才能保證最后的焊接質(zhì)量。

[1]GJB 4907-2003.球柵數(shù)組封裝器件組裝通用要求[S].

[2]宋好強(qiáng)，戎孔亮.0.5mm間距CSP焊接工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，2003，24（3）：103-108.

[3]史建衛(wèi)，何鵬，錢乙余，袁和平。焊膏印刷技術(shù)及無鉛化對(duì)其的影響[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，（143）：29-38.

[4]吳兆華，周德儉.表面組裝技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.