杜 爽 楊京偉 齊 林 田小梅 趙亞飛

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

0 引言

數(shù)字信號(hào)處理在航天航空、軍用裝備、自動(dòng)控制等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，其封裝類(lèi)型包括四面扁平封裝(QFP)、球柵陣列封住(BGA)和針柵陣列封裝(PGA)［1］。其中，PGA封裝器件底面引腳呈陣列狀排布，陶瓷封裝，引腳呈針狀，引腳長(zhǎng)度一般在1.5～7 mm，引腳間距一般為 2.54 mm 或 1.27 mm，PGA 封裝相對(duì)于QPF和BGA封裝優(yōu)點(diǎn)有:(1)裝聯(lián)方便;(2)通孔安裝焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于表面貼裝焊點(diǎn)。因此，PGA封裝是高可靠性信號(hào)處理設(shè)計(jì)的首選。

由于航天產(chǎn)品的特殊應(yīng)用場(chǎng)合和很多特殊的要求，使得選用間距為1.27 mm、引腳長(zhǎng)度為2 mm的PGA封裝器件在裝聯(lián)時(shí)會(huì)面臨以下問(wèn)題:(1)安裝不滿(mǎn)足航天標(biāo)準(zhǔn)要求，元器件引腳末端在電路板焊接面要伸出(1.5±0.8)mm，電路板厚度一般在 1.6～2.5 mm，短引腳PGA引腳長(zhǎng)度為2 mm，無(wú)論是否抬高，短引腳PGA安裝后伸出印制板面的高度都達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小距離;(2)焊點(diǎn)過(guò)錫及檢測(cè)困難，短引腳PGA封裝器件裝聯(lián)在大面積敷銅的多層印制板上時(shí)，接地焊點(diǎn)很容易過(guò)錫不完全，而焊點(diǎn)的合格標(biāo)準(zhǔn)為過(guò)錫100%，由于PGA抬高高度有限，目視無(wú)法檢測(cè)到元件面焊點(diǎn)外觀(guān)質(zhì)量及過(guò)錫情況;(3)焊點(diǎn)可靠性，短引腳PGA焊接后，引腳不能露出焊點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格焊點(diǎn)不同，而焊點(diǎn)的可靠性影響著整個(gè)產(chǎn)品的使用壽命，因此這種非常規(guī)焊點(diǎn)的可靠性能否滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命高可靠的應(yīng)用需要研究。

IPC標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì))和ECSS標(biāo)準(zhǔn)(歐空局)已經(jīng)形成完善的電氣互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，用于不斷發(fā)展的高密度引腳器件、多層印制板通孔焊接、多芯片微組裝等需求，但是對(duì)于PGA引腳零伸出甚至負(fù)伸出的裝聯(lián)情況，國(guó)內(nèi)外均無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)。張艷鵬等人［1］對(duì)短引腳PGA封裝器件的焊接方法進(jìn)行了研究，采用底部預(yù)熱設(shè)備配合不同烙鐵頭對(duì)PGA進(jìn)行焊接，但是對(duì)其焊點(diǎn)的可靠性如何并無(wú)分析。本文以短引腳PGA封裝器件為研究對(duì)象，探討適用于這種器件焊接的工藝方法。

1 工藝方法及焊接機(jī)理

1.1 工藝方法

短引腳PGA封裝器件焊接主要有三種工藝方法:手工焊接方法;回流焊接方法;選擇性波峰焊接方法。

手工焊接方法是通過(guò)提高預(yù)熱溫度、焊接溫度和焊接時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大面積敷銅焊點(diǎn)過(guò)錫。PGA引腳數(shù)量多達(dá)幾百甚至上千個(gè)，焊接方法依賴(lài)工人的操作手法，焊點(diǎn)一致性差，對(duì)于不過(guò)錫的焊點(diǎn)多次反復(fù)焊接存在金屬化孔失效的質(zhì)量隱患。

回流焊接方法是把PGA作為貼裝器件，陣列排布與CCGA封裝器件類(lèi)似。對(duì)比PGA與CCGA的各項(xiàng)參數(shù):首先，引腳形狀不同，常用CCGA引腳為柱狀，直徑為0.5～0.6 mm，而 PGA 引腳為針狀，直徑只有0.3 mm，表貼安裝時(shí)PGA引腳與焊盤(pán)的接觸面積小，不易形成可靠的焊點(diǎn);其次，引腳成分不同，CCGA引腳成分為鉛錫合金，多為90Pb10Sn合金，PGA引腳成分為可伐合金(鐵鎳鈷合金)，去金搪錫后，僅引腳表面有鉛錫成分。PGA引腳比CCGA剛性強(qiáng)，應(yīng)力釋放差，容易產(chǎn)生疲勞損傷，回流焊接后形成的合金層厚度也會(huì)有所不同。

選擇性波峰焊接方法是波峰焊接方法的一種，焊料通過(guò)焊接噴嘴中不斷涌出，形成穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)錫波，針對(duì)所選區(qū)域?qū)崿F(xiàn)逐點(diǎn)焊接的過(guò)程［2］。選擇性波峰焊可以實(shí)現(xiàn)電路板整板預(yù)熱，焊錫熱容大、焊接溫度穩(wěn)定、波峰強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因而在焊接多層印制電路板時(shí)，敷銅焊點(diǎn)能很好的過(guò)錫，形成良好的焊點(diǎn)。

綜上所述，短引腳PGA的焊接試驗(yàn)采用選擇性波峰焊接方法，其優(yōu)點(diǎn)在于參數(shù)設(shè)置合理后，焊點(diǎn)一致性好，可擺脫手工焊接多次受熱導(dǎo)致可靠性降低的影響，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

1.2 焊接機(jī)理

在波峰焊工藝中，通孔的填充過(guò)程是指安裝了元器件的雙面或者多層印制電路板經(jīng)過(guò)助焊劑去除元器件焊盤(pán)與引腳的氧化層后，接觸焊料波峰，利用焊料對(duì)器件引腳的毛細(xì)作用力填充金屬化孔，實(shí)現(xiàn)焊接的過(guò)程。在金屬化孔內(nèi)，焊料主要承受重力PG、由印制電路板浸入焊料引起的靜壓力PY以及表面張力引起的附加壓力PA，如圖1所示。其中，焊料爬升的主要力為表面張力形成的附加力，即毛細(xì)作用力［3］。熔融態(tài)焊錫的爬升高度和動(dòng)態(tài)爬升速度表示為［4］:

式中，h表示焊料爬升高度;σsg表示固氣界面的張力;σsl表示固液界面張力;ρ表示液態(tài)焊料密度;g表示加速度;α表示通孔直徑;σt表示焊料的表面張力;θ表示液面的接觸角;η表示熔融焊料的黏度;y表示任意時(shí)刻的爬升高度。

由公式(1)可知，元器件引腳與焊盤(pán)孔壁的間隙成反比，即間隙越小，焊料爬升高度越高，焊點(diǎn)的透錫效果越好。由公式(2)可知，爬升速度與焊料的黏度和爬升高度成反比，填充中印制電路板的溫度應(yīng)保持在一定范圍之內(nèi)。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

采用SMJ320C6415工業(yè)級(jí)短引腳PGA，引腳高度為2 mm，引腳直徑為0.3 mm，引腳中心間距為1.27 mm。印制電路板選用FR－4基材，層數(shù)為12層，制板厚度(1.7±0.2)mm，焊盤(pán)鍍層為鉛錫合金。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通孔元器件的焊盤(pán)孔徑大于其引腳直徑0.2～0.4 mm，基于前述的焊接機(jī)理，器件的引腳直徑和焊盤(pán)設(shè)計(jì)直徑分別為0.3和0.6 mm。接地焊盤(pán)設(shè)計(jì)為“+”花焊盤(pán)，防止熱量快速流失。

2.2 選擇性波峰焊接

根據(jù)選擇性波峰焊技術(shù)的主要工藝參數(shù):陣列器件PGA多采用拖焊的焊接方法，可避免由焊點(diǎn)拉尖引起的缺陷;根據(jù)印制板的層數(shù)和覆銅層數(shù)設(shè)置錫鍋溫度，錫鍋溫度一般設(shè)置在280～300℃;根據(jù)PGA的焊接區(qū)域面積選擇噴嘴尺寸，拖焊速度為噴嘴尺寸除以焊接時(shí)間，焊接速度一般為2～3.5 mm/s;助焊劑采用霧狀噴涂方式，速度設(shè)置為10～25 mm/s。

短引腳PGA引腳長(zhǎng)度為2 mm，貼板安裝由于氣密導(dǎo)致透錫率不良，抬高過(guò)低不利于安裝面助焊劑的清洗，并導(dǎo)致焊點(diǎn)橋連;按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)抬高0.75 mm以上，器件引腳不能露出印制板板面，甚至只能伸進(jìn)焊盤(pán)孔一半，嚴(yán)重影響引腳與焊盤(pán)孔內(nèi)焊錫的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性降低。綜合考慮各方面需求，短引腳PGA采取抬高0.3 mm焊接，保證引腳在焊盤(pán)孔內(nèi)的長(zhǎng)度且便于清洗。短引腳PGA選擇性波峰焊接的技術(shù)難點(diǎn)在于波峰高度和運(yùn)行速度的設(shè)置，經(jīng)過(guò)多次焊接參數(shù)調(diào)整，表1、圖2分別為選擇性波峰焊接的參數(shù)設(shè)置和焊接過(guò)程。

表1 選擇性波峰焊接參數(shù)Tab.1 The parameters of selective wave soldering

2.3 焊點(diǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)焊點(diǎn)的主要失效模式及遇到的環(huán)境應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力是焊點(diǎn)可靠性驗(yàn)證的主要影響因素。因此，采用振動(dòng)和溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)短引腳PGA焊點(diǎn)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，其中環(huán)境試驗(yàn)中振動(dòng)和溫循條件是參照ECSS－70－08C制定的［5］。

2.3.1 振動(dòng)試驗(yàn)

正弦振動(dòng):頻率范圍為10～2 000 Hz，15 g;振動(dòng)幅值(峰－峰值)為 10～70 Hz，1.5 mm;掃描速率為 1倍頻/min;試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為一次循環(huán)，10～2000～10 Hz。

隨機(jī)振動(dòng):頻率范圍為20～2 000 Hz，15g;功率頻譜密度為0.1 g2/Hz;試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10 min，每一軸向。

2.3.2 溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度范圍為－55～100℃;溫度變化率不超過(guò)10℃/min;極限溫度保持時(shí)間15 min;試驗(yàn)次數(shù)為200個(gè)循環(huán)。

如表2所示，驗(yàn)證試驗(yàn)安排包含:電性能測(cè)試、視覺(jué)檢查、振動(dòng)試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)和顯微剖切。

表2 焊點(diǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)安排Tab.2 Experiment of solder joint verification

3 結(jié)果分析

3.1 外觀(guān)檢查

短引腳PGA封裝器件焊接完成后，用顯微鏡檢查焊點(diǎn)外觀(guān)，由圖3可以看出引腳未伸出焊點(diǎn)，根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)IPC－A－610D的要求，焊點(diǎn)表面清潔、光亮、無(wú)裂紋、無(wú)顆粒，除引腳伸出高度外均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 X光射線(xiàn)檢測(cè)

通過(guò)X射線(xiàn)對(duì)焊點(diǎn)橋連和過(guò)錫效果進(jìn)行檢測(cè)如圖4所示。從圖4(a)看出，焊點(diǎn)圖像均勻，邊界清晰，未出現(xiàn)橋連和裂紋缺陷;從圖4(b)看出，焊點(diǎn)過(guò)錫效果良好且無(wú)明顯氣泡。

3.3 環(huán)境試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)振動(dòng)和溫度循環(huán)試驗(yàn)后，按照表2試驗(yàn)安排，再次對(duì)印制電路板上PGA進(jìn)行外觀(guān)和X射線(xiàn)檢測(cè)，檢查結(jié)果良好，沒(méi)有明顯缺陷，并且電性能良好。

3.4 金相分析

依據(jù)表2對(duì)環(huán)境試驗(yàn)前后的器件進(jìn)行顯微剖切，剖切位置為每個(gè)器件的1、2、5、6、8列(5列總共116個(gè)焊點(diǎn))。焊點(diǎn)的切片圖顯示，焊錫與器件引腳、焊盤(pán)孔壁結(jié)合處良好且形態(tài)一致，透錫量100%，無(wú)裂紋;所有焊點(diǎn)的合金層厚度滿(mǎn)足合格焊點(diǎn)的要求，在0.5～5.0μm內(nèi)，且合金層厚度在環(huán)境試驗(yàn)后無(wú)明顯變化，保證了焊點(diǎn)可靠性。圖5為環(huán)境試驗(yàn)后的PGA焊點(diǎn)切片全貌，圖6為環(huán)境試驗(yàn)后的焊料與PGA引腳結(jié)合處的合金層厚度。

4 結(jié)論

針對(duì)短引腳PGA開(kāi)展了相關(guān)工藝研究，通過(guò)分析三種焊接方法，采用選擇性波峰焊接方法進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)波峰焊參數(shù)的多次調(diào)試，得到適用于短引腳PGA焊接的工藝參數(shù)，完成了X射線(xiàn)檢測(cè)、顯微剖切、溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，焊點(diǎn)外觀(guān)良好，透錫量100%，顯微剖切后沒(méi)有縱向裂紋，該工藝方法適用于短引腳PGA的焊接，具備一定工藝應(yīng)用價(jià)值。

［1］張艷鵬，王玉龍，張偉.軍用短引腳陶瓷封裝PGA裝聯(lián)工藝技術(shù)研究［J］.電子工藝技術(shù)，2015，36(5):281－282

［2］嚴(yán)貴生，楊淑娟，王修利，等.選擇性波峰焊工藝技術(shù)研究［J］.航天制造技術(shù)，2014(3):10－13

［3］樊融融.印制電路板波峰焊接系統(tǒng)工程技術(shù)［C］//四川省電子學(xué)會(huì)SMT專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，山西省電子學(xué)會(huì)SMT專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，2001:229

［4］王曉敏，史建衛(wèi)，楊冀，等.無(wú)鉛波峰焊不同板厚通孔焊點(diǎn)的填充性研究［J］.電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2008，37(10):36－42

［5］ECSS－Q－ST－70－38C，表面裝配高可靠性焊接

［6］IPC－A－610D電子組件的驗(yàn)收條件