黃智丹，張森，許永號(hào)，郭麗鵑

（北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)電子產(chǎn)品的要求也在不斷提高，這就促使電子產(chǎn)品向小型化、輕型化和高性能的方向發(fā)展。因此，在眾多封裝器件中，廣大電子工程師更青睞于高密度、高性能、細(xì)節(jié)距、高Ι/O端數(shù)的焊球陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）的芯片[1-2]。然而，對(duì)于性能較高的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其電路大多比較復(fù)雜，在一塊電路中經(jīng)常會(huì)涉及到表面貼裝元器件和插裝元器件的混合使用。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家都采用回流焊和波峰焊相結(jié)合的方式完成這類(lèi)電子產(chǎn)品的加工。對(duì)于同時(shí)含有BGA封裝的芯片和插裝類(lèi)器件的混裝工藝來(lái)說(shuō)，要先使用回流焊對(duì)BGA等表貼器件進(jìn)行焊接，再使用波峰焊對(duì)插裝類(lèi)器件進(jìn)行焊接[3]。由于BGA封裝的芯片經(jīng)過(guò)回流焊接和波峰焊接的兩次高溫加熱易造成芯片焊點(diǎn)開(kāi)裂和二次熔融，而且對(duì)BGA芯片進(jìn)行返修時(shí)比較困難，所以對(duì)于同時(shí)含有BGA封裝的芯片和較多插裝類(lèi)器件的印制板來(lái)說(shuō)，有必要研究其混裝工藝來(lái)保證BGA焊點(diǎn)的可靠性。

1 BGA的焊接工藝

BGA封裝的芯片的焊接工藝是通過(guò)回流焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；亓骱附庸に嚨墓ぷ髟砭褪峭ㄟ^(guò)融化預(yù)先印刷在印制板焊盤(pán)上的錫膏，將表面貼裝器件的引腳和印制板的焊盤(pán)連接起來(lái)的工藝，整個(gè)焊接過(guò)程不再添加額外的焊料?；亓骱笭t的溫度曲線值是回流焊工藝最重要的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，只有調(diào)試好回流焊爐的溫度曲線才能焊接出質(zhì)量合格的電子產(chǎn)品。

1.1 BGA芯片的焊接工藝

探索BGA封裝的芯片回流焊溫度曲線的步驟如下：環(huán)境準(zhǔn)備、材料準(zhǔn)備、程序準(zhǔn)備、錫膏攪拌、錫膏印刷、印刷檢驗(yàn)、BGA貼片、BGA焊接、裝配熱電偶、溫度曲線調(diào)試。

理想的回流焊溫度曲線通常由4個(gè)溫區(qū)組成，即升溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)、冷卻區(qū)[4]。升溫區(qū)通常指由室溫升至約150 ℃的區(qū)域，主要是讓焊錫膏中的部分溶劑揮發(fā)，使元器件緩慢升溫，一般根據(jù)元器件大小的差異程度調(diào)整時(shí)間，以使升溫速率在2 ℃/s以下為最佳。保溫區(qū)的溫度一般維持在130～160 ℃之間，進(jìn)一步去除錫膏中的揮發(fā)物，激活活化劑，去除焊接表面的氧化物，通常保溫區(qū)的維持時(shí)間約60～120 s。載有元器件的印制板進(jìn)入焊接區(qū)后迅速升溫，印制板表面溫度瞬時(shí)（25～30 s）達(dá)到峰值（210 ～230 ℃），焊接時(shí)間約為30～80 s，在此溫區(qū)，焊錫膏很快融化，并迅速潤(rùn)濕焊盤(pán)，焊錫膏中的錫與焊盤(pán)中的金或銅由于擴(kuò)散作用而形成金屬間化合物，焊接區(qū)的升溫速率控制在2.5～3 ℃/s。在冷卻區(qū)，焊點(diǎn)迅速降溫，焊錫膏凝固，降溫速率一般低于4 ℃ /s。

根據(jù)以上回流焊溫度曲線的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，采用3個(gè)熱電偶分別對(duì)應(yīng)印制板上表面、下表面和BGA芯片中心焊點(diǎn)溫度。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整回流溫度曲線的升溫區(qū)、預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)、冷卻區(qū)溫度，得到如圖1所示的溫度曲線。

圖1 回流焊溫度曲線Fig.1 Reflow soldering temperature curve

分析圖1可知，就升溫區(qū)的最大升溫斜率而言，印制板上表面為1.25 ℃/s，印制板下表面為1.27 ℃/s，BGA芯片中心焊點(diǎn)為1.16 ℃/s，都小于 2℃/s；對(duì)于保溫區(qū)的維持溫度（130～160 ℃）而言，印制板上表面維持時(shí)間約為74 s，印制板下表面維持時(shí)間約為75 s，BGA芯片中心焊點(diǎn)維持時(shí)間約為77 s，都滿(mǎn)足保溫區(qū)維持時(shí)間（60～120 s）；對(duì)于焊接區(qū)來(lái)說(shuō)，印制板上表面的峰值溫度為約220 ℃，焊接時(shí)間約為68 s，印制板下表面的峰值溫度為約223 ℃，焊接時(shí)間約為74 s，BGA芯片中心焊點(diǎn)的峰值溫度為約219 ℃，焊接時(shí)間約為68 s，峰值溫度均在210～230 ℃之間，焊接時(shí)間也在30～80 s之間，故其基本滿(mǎn)足設(shè)定回流焊溫度曲線的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)測(cè)試得出的溫度曲線，設(shè)置回流焊各個(gè)溫區(qū)的溫度，以進(jìn)行BGA芯片的焊接。其焊接流程包括：環(huán)境準(zhǔn)備、材料準(zhǔn)備、程序準(zhǔn)備、錫膏攪拌、錫膏印刷、印刷檢驗(yàn)、BGA貼片、BGA焊接、清洗[5]。

1.2 BGA焊點(diǎn)金相分析

金相分析采用的是定量金相學(xué)原理，是研究金屬材料的重要方法之一。金相實(shí)驗(yàn)流程包括對(duì)印制板進(jìn)行取樣、對(duì)試樣進(jìn)行處理和灌封、對(duì)試樣進(jìn)行研磨和拋光以及對(duì)試樣進(jìn)行觀測(cè)[6-7]。

對(duì)BGA芯片進(jìn)行金相分析，得到BGA芯片角焊點(diǎn)、中心焊點(diǎn)和邊中心焊點(diǎn)的合金層厚度分別為2.56 μm、1.32 μm和 1.21 μm。其中，BGA芯片角焊點(diǎn)局部放大圖如圖2所示。

圖2 BGA芯片角焊點(diǎn)局部放大圖Fig.2 BGA chip fillet welds partial enlargement

根據(jù)業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，錫鉛焊料與焊盤(pán)形成的合金層厚度在0.5～4 μm之間的為良好焊點(diǎn)。由金相分析實(shí)驗(yàn)可知，錫鉛焊料與印制板焊盤(pán)、BGA芯片焊盤(pán)所形成的合金層厚度均在0.5～4 μm之間。由此可得：BGA芯片焊點(diǎn)在調(diào)試出的回流焊溫度曲線下進(jìn)行回流焊接后具有良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和較大空洞等缺陷。

2 波峰焊溫度曲線的調(diào)試

波峰焊工藝是指通過(guò)將插有插裝類(lèi)元器件的印制板經(jīng)過(guò)焊料波峰，將元器件引腳與印制板焊盤(pán)之間連接起來(lái)的工藝。和回流焊工藝一樣，波峰焊焊接前，要根據(jù)需要焊接的元器件的特征設(shè)置溫度曲線[8-10]。

理想的波峰焊溫度曲線通常由3個(gè)溫區(qū)組成，即預(yù)熱區(qū)、焊接區(qū)、冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)的溫度通常維持在130～160 ℃的區(qū)域，通常預(yù)熱區(qū)的維持時(shí)間約60～180 s。載有元器件的印制板進(jìn)入焊接區(qū)后迅速升溫，焊接溫度在230～245 ℃之間，印制板經(jīng)過(guò)兩個(gè)波峰焊接的時(shí)間差不超過(guò)10 s。冷卻區(qū)的降溫斜率一般約為3～5 ℃/s。

波峰焊溫度曲線的調(diào)試和回流焊溫度曲線調(diào)試過(guò)程差不多，但其只需要兩個(gè)熱電偶傳感器，分別用紅膠和高溫膠將兩個(gè)熱電偶固定于印制板的上下兩個(gè)表面，將溫度曲線測(cè)試儀與熱電偶傳感器的另一端相連，來(lái)調(diào)試波峰焊溫度曲線。設(shè)定波峰焊的鏈條速度為80 cm/min，錫爐溫度為245 ℃。經(jīng)過(guò)測(cè)試，波峰焊溫度曲線如圖3所示。

圖3 波峰焊溫度曲線Fig.3 Wave soldering temperature curve

分析上述所得溫度曲線可知，在印制板下表面的預(yù)熱溫度約為145 ℃，在130～160 ℃之間，停留在預(yù)熱去的時(shí)間約為84 s，在60～180 s之間；焊接區(qū)的兩個(gè)波峰的熔融焊料的溫度都約為236 °C，在230～245 ℃之間；冷卻區(qū)的降溫斜率約為3 ℃/s ，在3～5 ℃/s之間，故其基本滿(mǎn)足設(shè)定波峰焊溫度曲線的標(biāo)準(zhǔn)。

3 BGA的有限元仿真與分析

為了找到在調(diào)試出的波峰焊溫度曲線下對(duì)插裝器件進(jìn)行焊接的過(guò)程中，BGA芯片焊點(diǎn)受到最大等效應(yīng)力的位置并判斷BGA焊點(diǎn)是否會(huì)發(fā)生二次熔融現(xiàn)象，本文利用ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)BGA經(jīng)歷波峰焊焊接過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)熱分析和線性靜應(yīng)力分析[11-12]。

3.1 BGA瞬態(tài)熱分析

對(duì)BGA封裝的芯片運(yùn)用ANSYS仿真軟件進(jìn)行瞬態(tài)熱分析[13-15]，得到在整個(gè)波峰焊工藝流程中，錫鉛焊點(diǎn)最高溫度發(fā)生在BGA芯片角焊點(diǎn)位置，最高溫度為159 ℃，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 BGA芯片角中心焊點(diǎn)溫度曲線Fig.4 BGA chip corner center solder joint temperature curve

圖5 BGA芯片角焊點(diǎn)的溫度曲線Fig.5 BGA chip corner joint temperature curve

使用同一測(cè)試板，在波峰焊溫度曲線下用溫度曲線測(cè)試儀對(duì)BGA角焊點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，來(lái)驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)，圖5為BGA角焊點(diǎn)的溫度曲線。

對(duì)圖5進(jìn)行分析可知，BGA角焊點(diǎn)處的最高溫度為167 ℃，而瞬態(tài)熱分析中，錫鉛焊點(diǎn)最高溫度發(fā)生在BGA芯片角焊點(diǎn)位置，最高溫度為159 ℃，相對(duì)誤差比較小，即對(duì)BGA芯片進(jìn)行的瞬態(tài)熱仿真的結(jié)果是可靠的；由于錫鉛焊點(diǎn)的熔點(diǎn)溫度（Sn63/Pb37的熔點(diǎn)是183 ℃）大于錫鉛焊點(diǎn)波峰焊時(shí)的最高溫度，因此錫鉛焊點(diǎn)的二次熔融現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。

3.2 BAG熱應(yīng)力有限元仿真

圖6 BGA等效應(yīng)變?cè)茍DFig.6 BGA equivalent strain cloud map

圖7 BGA等效應(yīng)力分布云圖Fig.7 BGA equivalent stress distribution cloud map

對(duì)BGA芯片經(jīng)過(guò)波峰焊過(guò)程進(jìn)行線性靜應(yīng)力分析，仿真結(jié)果如圖6、7所示。

由等效應(yīng)變?cè)茍D可知，最大應(yīng)變出現(xiàn)在印制板的角焊盤(pán)位置，沿芯片對(duì)角線方向，由芯片邊角到芯片中心，BGA芯片的等效應(yīng)力慢慢減小；由等效應(yīng)力云圖可知，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在印制板角焊盤(pán)位置，沿芯片對(duì)角線方向，由芯片邊角到芯片中心，BGA芯片等效應(yīng)力慢慢減??；在與印制板焊盤(pán)和BGA芯片焊盤(pán)的連接部分焊點(diǎn)等效應(yīng)力比較集中。

4 BGA焊點(diǎn)的金相分析

為了使試驗(yàn)結(jié)果更可靠，對(duì)經(jīng)歷過(guò)波峰焊焊接之后的BGA芯片再次進(jìn)行金相分析，得到BGA芯片中心焊點(diǎn)、邊中心焊點(diǎn)和角焊點(diǎn)的合金層厚度分別為1.14 μm、1.92 μm和1.39 μm，其中BGA芯片中心焊點(diǎn)金相分析結(jié)果如圖8所示。

由金相分析試驗(yàn)可知，印制板焊盤(pán)、BGA芯片焊盤(pán)與錫鉛焊料所形成的合金層厚度均在0.5～4 μm之間。由此可得：BGA芯片焊點(diǎn)在經(jīng)過(guò)波峰焊后具有良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋和較大空洞等缺陷。

圖8 BGA芯片中心焊點(diǎn)局部放大圖Fig.8 BGA chip center solder joints partial enlargement

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)BGA芯片經(jīng)歷波峰焊的過(guò)程進(jìn)行ANSTS仿真和金相分析，可得如下結(jié)論：

1）錫鉛焊點(diǎn)（Sn63/Pb37）的熔點(diǎn)是183 ℃，大于BGA芯片進(jìn)行瞬態(tài)熱分析時(shí)焊點(diǎn)的最高溫度（159 ℃），故錫鉛焊膏的二次熔融現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。

2）由對(duì)BGA芯片經(jīng)過(guò)波峰焊過(guò)程進(jìn)行的靜應(yīng)力分析可知，在BGA芯片角焊點(diǎn)處出現(xiàn)最大應(yīng)力，即BGA芯片焊點(diǎn)的薄弱點(diǎn)是BGA芯片角焊點(diǎn)處，可為金相分析提供參考。由此可知仿真結(jié)果是計(jì)較可靠的。

3）對(duì)應(yīng)力仿真結(jié)果與BGA芯片的金相分析結(jié)果進(jìn)行分析，可知在此波峰焊溫度曲線下，BGA芯片焊點(diǎn)未出現(xiàn)二次熔融和開(kāi)裂的現(xiàn)象。