林鵬榮，姜學(xué)明，黃穎卓，練濱浩，姚全斌，朱國良

（北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076）

1 引言

隨著電子元器件不斷向輕、小、高性能和高集成度的方向不斷發(fā)展，陶瓷球柵陣列封裝CBGA（Ceramic Ball Grid Array）作為一種高密度、面陣排布的表面貼裝封裝形式，近年來被廣泛應(yīng)用于以航空航天為代表的高可靠產(chǎn)品中。CBGA器件采用的基板是多層陶瓷，金屬蓋板用密封焊料焊接在基板上從而實(shí)現(xiàn)氣密性封裝，用以保護(hù)芯片、引線及焊盤。焊球材料為高溫合金90Pb10Sn（熔點(diǎn)大于300 ℃），焊球和封裝基板的互連采用低溫合金63Sn37Pb（熔點(diǎn)183 ℃），焊接過程中，共晶焊料熔化，而焊球不熔化，保持接頭的高度，提高了接頭的可靠性[1]，緩解了因陶瓷封裝基板與PCB板之間存在的熱膨脹系數(shù)不匹配帶來的焊點(diǎn)失效問題，從而提高了CBGA器件的使用可靠性。CBGA封裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

焊點(diǎn)空洞是影響CBGA器件及組裝可靠性的主要缺陷之一，其對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，業(yè)界仍持不同觀點(diǎn)[2]：一種觀點(diǎn)認(rèn)為空洞位置易引起應(yīng)力集中，會(huì)降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度和疲勞壽命；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為空洞的存在可能增加焊點(diǎn)的柔性，增強(qiáng)焊點(diǎn)的彈性變形能力，從而吸收在溫度循環(huán)條件下的應(yīng)力，減少焊點(diǎn)在溫度循環(huán)載荷條件下的塑性應(yīng)變范圍，提高焊點(diǎn)的疲勞壽命。

CBGA植球空洞的形成主要由于回流過程中，助焊劑中揮發(fā)性氣體被焊球或焊盤捕捉未能及時(shí)排出而產(chǎn)生的[3]。本文通過調(diào)節(jié)回流溫度曲線對(duì)空洞的形成機(jī)理以及加熱回流等階段對(duì)空洞率的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，以指導(dǎo)CBGA植球工藝改進(jìn)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 主要原材料及設(shè)備

選用的外殼為高溫共燒氧化鋁陶瓷外殼，型號(hào)為CLGA256，焊盤W金屬化層上鍍Ni-Au（Ni≥3.5 μm，Au≤0.5 μm），焊盤直徑為Φ0.85±0.05 mm，焊盤節(jié)距為1.27 mm。

焊球采用Φ0.889 mm的90Pb10Sn高溫焊球，焊膏采用免清洗型63Sn37Pb共晶焊膏，熔點(diǎn)為183 ℃。

主要設(shè)備包括：鏈?zhǔn)交亓鳡t，美國BTU公司；KIC爐溫測(cè)試儀；絲網(wǎng)印刷機(jī)；置球機(jī)；X射線檢測(cè)設(shè)備。

2.2 植球回流焊溫度曲線

回流焊溫度曲線通?？梢苑譃樗膫€(gè)階段：

預(yù)熱階段：預(yù)熱的主要目的是使封裝器件均勻受熱，同時(shí)對(duì)封裝器件具有烘烤的作用，除去其中的水分，使焊膏內(nèi)的揮發(fā)物質(zhì)釋放出來，且不會(huì)引起焊料飛濺，同時(shí)使CBGA器件達(dá)到焊膏的潤濕溫度。

活化階段：活化階段的主要目的是使焊膏中的助焊劑活化，除去焊盤表面和焊膏合金表面的氧化物，為焊膏回流過程做好準(zhǔn)備。同時(shí)也使CBGA器件上的所有焊點(diǎn)同時(shí)接近焊接溫度。

回流階段：回流階段是使焊點(diǎn)迅速上升到焊膏的熔點(diǎn)溫度以上，達(dá)到焊接溫度，使熔融的焊料潤濕陶瓷外殼的焊盤，達(dá)到良好的焊接要求。對(duì)于CBGA器件，其焊球?yàn)?0Pb10Sn高溫合金，在回流過程中焊球是不熔化的，焊膏熔化與焊盤和高溫焊球潤濕形成焊點(diǎn)。

冷卻階段：冷卻階段的主要目的是在焊點(diǎn)凝固的同時(shí)細(xì)化晶粒，抑制金屬間化合物的增長，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度。冷卻階段有風(fēng)冷和自然冷卻兩種。

本試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)總體加熱時(shí)間、活化階段時(shí)間和回流階段時(shí)間設(shè)定了多條回流溫度曲線并進(jìn)行植球，典型回流溫度曲線見圖2。通過X射線檢測(cè)對(duì)回流焊后的CBGA器件進(jìn)行焊點(diǎn)空洞檢測(cè)，并對(duì)空洞的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如圖3所示，每個(gè)CBGA器件上的空洞數(shù)量統(tǒng)計(jì)選取1～5共五個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均為4×4陣列。

3 CBGA植球空洞形成的機(jī)理分析

CBGA器件植球工藝與PBGA器件植球工藝有所不同，CBGA器件采用的是高溫合金90Pb10Sn，在回流焊過程中通過63Sn37Pb共晶焊膏實(shí)現(xiàn)高溫焊球與焊盤之間的冶金連接，而PBGA器件通常采用63Sn37Pb或SnAgCu等無鉛焊球在助焊劑的輔助下熔化并潤濕焊盤。因此，對(duì)于CBGA器件而言，焊膏熔化過程是產(chǎn)生空洞的根本原因。

焊膏主要由助焊劑和金屬顆粒組成，金屬顆粒尺寸一般為25～45 μm。在回流焊過程中，焊膏經(jīng)歷了預(yù)熱、活化、回流及冷卻等階段，焊膏中的助焊劑在此過程中發(fā)生分解、揮發(fā)并釋放出氣體，而金屬顆粒在預(yù)熱至回流整個(gè)焊接過程中由顆粒狀的固體逐漸熔化，轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w并聚集。熔化的焊料在表面張力的作用下向中心處集中，而排出的氣體同樣在表面張力的作用下密閉在焊料中未能及時(shí)排出產(chǎn)生空洞。焊膏回流過程中產(chǎn)生空洞的原理示意圖如圖4所示。

另外，易揮發(fā)性的助焊劑容易產(chǎn)生高粘性的殘留物，其難以從熔化的焊料中排出，因此在熔化焊料中就會(huì)存在氣體釋放的隱患，容易造成空洞[4]。

再者，金屬焊盤上的氧化物及有機(jī)污染物也是助焊劑捕捉的主要成份，其在加熱回流過程中反應(yīng)并釋放出氣體，若氣體未能及時(shí)排出，則容易產(chǎn)生空洞。因此氧化物及有機(jī)污染物也是CBGA器件植球過程中產(chǎn)生空洞的原因之一。

綜上，在回流焊過程中釋放出的氣體是空洞形成的根本因素，而通過回流溫度曲線的調(diào)節(jié)，如調(diào)節(jié)回流的時(shí)間，可有效改善氣體的溢出，從而降低空洞率。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

采用8溫區(qū)鏈?zhǔn)交亓鳡t結(jié)合KIC爐溫測(cè)試儀進(jìn)行回流焊試驗(yàn)，針對(duì)CLGA256陶瓷外殼，以基準(zhǔn)曲線為原型，通過改變帶速和設(shè)定溫度，使加熱時(shí)間延長或縮短，共設(shè)定了7條回流溫度曲線，如表1所示?；鶞?zhǔn)曲線如圖5所示。

針對(duì)每一條設(shè)定的回流溫度曲線，在同一批次CLGA256陶瓷外殼中隨機(jī)抽取3只進(jìn)行植球，然后通過X射線檢測(cè)設(shè)備對(duì)規(guī)定的區(qū)域進(jìn)行空洞檢測(cè)，經(jīng)X射線檢測(cè)的空洞形貌照片如圖6所示?？梢钥闯觯亓骱负蠛更c(diǎn)空洞主要集中于焊點(diǎn)邊緣處，焊點(diǎn)中心處基本無空洞，整體呈現(xiàn)以焊點(diǎn)中心為圓心向外放射，空洞逐漸增多的趨勢(shì)。這說明在回流過程中焊點(diǎn)內(nèi)部的空洞會(huì)隨著熔化的焊料向邊緣流動(dòng)并溢出。

對(duì)回流溫度曲線1～5條件下CBGA256植球空洞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取三只電路空洞數(shù)量的平均值，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著帶速的降低，器件植球過程中經(jīng)受的加熱時(shí)間越長，焊點(diǎn)空洞的數(shù)量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，并在加熱時(shí)間為335 s時(shí)空洞率達(dá)到最小。加熱時(shí)間較短時(shí)焊點(diǎn)空洞較多的主要原因可能有兩個(gè)方面：（1）由于焊膏熔化前助焊劑中溶劑未充分揮發(fā)，促使揮發(fā)性氣體殘留在熔化的焊料中形成較多空洞；（2）由于加熱時(shí)間較短，大部分空洞沒有得到充分的時(shí)間從熔化的焊料內(nèi)部溢出。因此，隨著加熱時(shí)間的增加，焊點(diǎn)內(nèi)部空洞逐漸減少。但當(dāng)加熱時(shí)間增加到476 s時(shí)，焊點(diǎn)內(nèi)部空洞又急劇增加，其主要原因可能是在焊膏熔化前加熱時(shí)間過長導(dǎo)致助焊劑中溶劑已大量揮發(fā)，使得助焊劑殘留物的粘性增大，高粘性的助焊劑殘留物難以從液態(tài)焊料中排出造成空洞增多。

此外，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)曲線5、6、7三條回流溫度曲線的活化時(shí)間分別為24 s、23 s、25 s，而其回流時(shí)間分別為37 s、113 s、65 s。這三條回流溫度曲線條件下CBGA256器件植球空洞量變化情況如圖8所示。該三條曲線的活化時(shí)間基本一致，而回流時(shí)間成倍增加，空洞檢測(cè)結(jié)果表明隨著回流時(shí)間的增加，焊點(diǎn)內(nèi)部空洞顯著降低。這說明回流時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)內(nèi)部空洞的形成具有顯著影響，其主要原因可能是回流時(shí)間的增加可能為空洞的溢出提供了充分的時(shí)間。

5 結(jié)論

綜上所述，回流溫度曲線的設(shè)定對(duì)CBGA植球空洞的形成及空洞率有顯著影響，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）回流焊后焊點(diǎn)空洞主要集中于焊點(diǎn)邊緣處，整體呈現(xiàn)以焊點(diǎn)中心為圓心向外放射、空洞逐漸增多的趨勢(shì)；（2）隨著回流過程中加熱時(shí)間延長，焊點(diǎn)空洞的數(shù)量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，加熱時(shí)間過短，形成的空洞明顯增加，而加熱時(shí)間過長不利于助焊劑殘留的排出造成空洞增多；（3）回流時(shí)間的增加有利于回流過程中熔化焊料內(nèi)部空洞的溢出。

[1]張成敬，王春青.陶瓷陣列封裝的兩種形式及其接頭可靠性[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006，139：10-17.

[2]邱寶軍，周斌.熱循環(huán)條件下空洞對(duì)PBGA焊點(diǎn)熱疲勞壽命的影響[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008,33（7）：567-570.

[3]江進(jìn)國，毛志兵，等.BGA焊點(diǎn)氣孔對(duì)可靠性的影響及其改善措施[J].焊接技術(shù)，2007,36（4）：66-69.

[4]王文利，梁永生.BGA空洞形成的機(jī)理及對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響[J].電子工藝技術(shù)，2007,28（3）：157-162.