楊小健 趙 鑫 張 琪 沈 麗

（北京計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用研究所，北京100854）

1 引言

BGA/CSP 器件的引腳排列形式為球柵陣列封裝，它是在封裝體基板的底部制作陣列焊球作為電路的I/O 端與印制板互接的引腳，具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)的良好性能和封裝密度[1]。但貼裝后BGA/CSP 器件的焊點(diǎn)抗疲勞能力差，器件封裝材料熱膨脹系數(shù)（CTE）與印制板基材的熱膨脹系數(shù)差異較大，在持續(xù)受熱條件下，兩種材料之間必然產(chǎn)生相對(duì)位移，造成焊點(diǎn)機(jī)械疲勞，存在引發(fā)焊點(diǎn)斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)脆弱、剪切應(yīng)力較差，在跌落沖擊、擠壓和振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力時(shí)也容易出現(xiàn)焊點(diǎn)斷裂失效[2，3]。

BGA/CSP 器件底部灌封既可以保護(hù)陣列焊點(diǎn)周圍環(huán)境，又能提高焊點(diǎn)可靠性。本文重點(diǎn)研究BGA/CSP 器件底部灌封工藝技術(shù)，通過對(duì)BGA/CSP器件的底部灌封，使灌封膠與器件基材、焊點(diǎn)、印制板基板三者結(jié)合為一體，器件在遭受機(jī)械應(yīng)力或者熱應(yīng)力時(shí)，灌封膠能夠?qū)⑵浞稚?，有利于增?qiáng)焊點(diǎn)的機(jī)械連接強(qiáng)度和抗疲勞能力，同時(shí)灌封膠為印制板組件在振動(dòng)、沖擊、扭曲形變、濕氣等試驗(yàn)條件下提供良好的支撐和保護(hù)。在溫度變化條件下，灌封膠會(huì)部分吸收器件基材、印制板基板和焊點(diǎn)等不同材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，在一定程度上對(duì)焊點(diǎn)形成保護(hù)，減少因熱膨脹系數(shù)失配可能引發(fā)的焊點(diǎn)開裂失效，提高產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定性及可靠性。

2 BGA/CSP 封裝底部灌封工藝

2.1 底部灌封工藝介紹

BGA/CSP 器件底部灌封工藝就是把灌封膠填充到焊接好的器件底部及邊緣，然后加熱使灌封膠固化，灌封膠與器件基材、焊點(diǎn)和印制板基板三者結(jié)合為一個(gè)整體，為了獲得良好的填充效果，選擇的灌封膠應(yīng)具有“毛細(xì)效應(yīng)”特性。

2.2 底部灌封膠

底部灌封膠最重要的特性是具有流體的“毛細(xì)效應(yīng)”，為產(chǎn)生良好的灌封填充效果，粘度應(yīng)控制在600mPa·s 以下，比重控制在1.1～1.2，模量是灌封膠固化性能的重要參數(shù)，應(yīng)最大限度地與印制板基材、器件基材和焊料合金相匹配，且兼?zhèn)鋬?yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性[4]，同時(shí)需要考慮灌封膠的可返修性。本實(shí)驗(yàn)選擇常用的UF3800 膠，其各項(xiàng)指標(biāo)性能良好，見表1。

表1 UF3800膠性能指標(biāo)

2.3 灌封膠固化性能

2.3.1 固化條件

以常用印制板組件烘干溫度80℃為基準(zhǔn)，制作樣品尺寸為直徑30mm、厚度4mm 的薄片，開展固化條件及性能測試，固化時(shí)間1h 時(shí)，樣品表面具有粘性，未完全固化；固化時(shí)間1.5h 時(shí)，樣品表面無粘性，樣品斷裂面齊整，無拉絲，灌封膠整體完全固化，狀態(tài)良好，如圖1所示。

圖1 灌封膠固化狀態(tài)

2.3.2 固化狀態(tài)性能

在固化后樣品上截取測試點(diǎn)進(jìn)行Z軸膨脹系數(shù)（Z-CTE）測試。根據(jù)軍用產(chǎn)品一般的環(huán)境試驗(yàn)條件，實(shí)測熱膨脹系數(shù)的溫度范圍以灌封膠玻璃化轉(zhuǎn)化溫度TG 為分界點(diǎn)，分-50～69℃和69～220℃兩個(gè)范圍，升溫速率5℃/min，測試結(jié)果如圖2所示。在-50～220℃范圍內(nèi)，TG點(diǎn)以下的CTE實(shí)測78.8286ppm/℃；TG點(diǎn)以上時(shí)實(shí)測183.4203ppm/℃，表明固化狀態(tài)良好。

圖2 熱膨脹測試曲線

對(duì)灌封膠樣品進(jìn)行邵氏硬度測試，在不同樣品表面測試5 次，結(jié)果見表2。灌封膠固化條件下制作的膠片邵氏硬度平均在74HA，表明灌封膠具有良好的粘接強(qiáng)度，能起到良好的保護(hù)加固作用。

表2 灌封膠邵氏硬度測試結(jié)果

2.4 底部灌封流程

印制板組件受潮在加熱固化過程中會(huì)產(chǎn)生水汽，在灌封膠中容易形成空洞，因此在灌封之前印制板組件需要經(jīng)過低溫烘烤去除濕氣。UF3800 灌封膠存儲(chǔ)環(huán)境在-20～-18℃下，使用前需要充分回溫至室溫狀態(tài)。

2.4.1 點(diǎn)膠模式確定

第三，提升煉油行業(yè)的智能制造水平。推進(jìn)“兩化”（信息化和工業(yè)化）融合，用信息技術(shù)提升傳統(tǒng)煉油產(chǎn)業(yè)，利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，推進(jìn)生產(chǎn)組織變革，提升運(yùn)行效率和智能化水平；推動(dòng)金融、互聯(lián)網(wǎng)與煉油產(chǎn)業(yè)深度融合，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新動(dòng)力，挖掘新業(yè)態(tài)、新商業(yè)模式，培育新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)。

根據(jù)BGA/CSP 封裝尺寸和操作空間，灌封前選擇合適的點(diǎn)膠路徑和點(diǎn)膠頭，灌封膠的點(diǎn)膠路徑一般有四種：單角點(diǎn)膠、單邊“I”型點(diǎn)膠、半“L”型和全“L”型點(diǎn)膠，點(diǎn)膠時(shí)不要形成封閉路徑，膠體在填充過程中禁止形成回路，避免造成固化前的空洞。為明確觀察灌封膠體在器件底部的流動(dòng)擴(kuò)散路徑，采用透明塑料基板做襯板，測試不同尺寸BGA/CSP 器件的點(diǎn)膠路徑模式。

a.單角點(diǎn)膠模式

固定器件的邊角點(diǎn)點(diǎn)膠，每次點(diǎn)膠出膠量少，適合需求膠量很少的小型CSP 器件，以尺寸8mm×8mm器件進(jìn)行測試，如圖3所示，灌封膠以器件一角位置為中心，呈扇形向器件底部擴(kuò)散，過程中無法形成回路，不會(huì)出現(xiàn)空洞，灌封狀態(tài)良好。

圖3 單點(diǎn)點(diǎn)膠模式效果

b.單邊“I”型點(diǎn)膠模式

固定器件的某一邊點(diǎn)膠，點(diǎn)膠長度控制在器件邊長的50%～100%，這種模式每次點(diǎn)膠出膠量適中，并且膠體流動(dòng)擴(kuò)散也較快，適合需求膠量適中的BGA 器件，以尺寸24mm×24mm 器件進(jìn)行測試，灌封膠以器件一邊為依托，呈“I”型向器件底部對(duì)邊擴(kuò)散，過程中無法形成回路，不會(huì)出現(xiàn)空洞，灌封狀態(tài)良好。

c.半“L”型點(diǎn)膠模式

d.全“L”型點(diǎn)膠模式

固定器件的某一直角兩邊點(diǎn)膠，點(diǎn)膠長度一般控制在器件邊長的100%，這種模式每次點(diǎn)膠出膠量較大，膠體流動(dòng)擴(kuò)散很快，以器件直角邊為依托，呈深度內(nèi)凹弧線向器件底部對(duì)角擴(kuò)散。然而，灌封膠在流動(dòng)過程中，深度內(nèi)凹的弧線區(qū)域容易出現(xiàn)包裹空氣的情況，影響氣泡溢出，最終會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)固化前空洞。

2.4.2 灌封過程

影響灌封膠毛細(xì)流動(dòng)效果的兩個(gè)主要因素是表面張力和溫度，在灌封膠固有屬性表面張力不變的情況下，提升灌封時(shí)的基體溫度，更有利于灌封膠自動(dòng)填充器件底部。器件灌封時(shí)可將印制板組件水平放置于預(yù)熱臺(tái)上，待板面預(yù)熱后，按照設(shè)定好的參數(shù)、路徑、點(diǎn)膠次數(shù)開始點(diǎn)膠，點(diǎn)膠次數(shù)完成后，將印制板組件從預(yù)熱臺(tái)上拿下，室溫靜置后觀察器件四周膠體爬升高度至器件本體基材厚度的1/2～2/3。

2.4.3 加熱固化

將灌封好的印制板組件水平放置于烘箱加熱固化，溫度80℃下1.5h，拿出烘箱后室溫冷卻。

灌封膠在器件四周爬升應(yīng)達(dá)到器件本體厚度的1/3～2/3，并且在灌封器件的周邊形成圓潤的填充弧線輪廓，灌封膠應(yīng)完全包裹每個(gè)焊點(diǎn)，并與器件基體、印制板基體之間粘接狀態(tài)良好。

3 灌封狀態(tài)微觀結(jié)構(gòu)測試

將BGA/CSP 器件底部灌封樣件進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向切片，如圖4、圖5所示，水平切片和垂直切片兩個(gè)方向的底部剖面平整，灌封膠與焊點(diǎn)、器件基體之間完全填充，焊點(diǎn)與灌封膠體之間無縫隙，粘接效果良好，灌封膠固化狀態(tài)良好，膠層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻，無空洞，能起到良好保護(hù)、加固焊點(diǎn)的作用。

圖4 BGA/CSP 水平切片后底部灌封內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

圖5 BGA/CSP 垂直切片后底部灌封內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

4 底部灌封的BGA/CSP 器件返修工藝

灌封膠（UF3800）具備可返修性，在溫度160～180℃下膠體軟化，能夠輕易拆除?？蓪?duì)于底部灌封后的BGA/CSP 器件，首先用低于焊錫熔點(diǎn)的溫度160～180℃對(duì)器件進(jìn)行加熱，待膠體變軟后使用防靜電鑷子清除器件周圍的灌封膠。然后將待返修器件放在返修臺(tái)上，熱風(fēng)溫度控制在230～240℃，加熱60～90s，焊點(diǎn)焊錫熔化后使用防靜電鑷子輕微地移動(dòng)器件，器件松動(dòng)時(shí)將移除。再使用溫控鉻鐵配合吸錫繩將拆卸器件后焊盤上的殘留灌封膠和焊錫渣清理干凈，進(jìn)一步清潔焊盤，檢查焊盤及表層走線有無損傷，如圖6所示。

圖6 清潔之后的焊盤狀態(tài)

5 結(jié)束語

在印制板組件上裝焊BGA/CSP球柵陣列封裝器件，其焊點(diǎn)和引腳主要承擔(dān)著傳遞電信號(hào)、提供散熱途徑、結(jié)構(gòu)保護(hù)與支撐等作用。然而貼裝后BGA/CSP器件的焊點(diǎn)抗疲勞能力差，結(jié)構(gòu)脆弱、剪切應(yīng)力差，在外界載荷下的應(yīng)力場條件下，容易造成焊點(diǎn)斷裂失效。本文著重研究BGA/CSP器件底部灌封工藝技術(shù)進(jìn)，通過實(shí)驗(yàn)及性能測試選擇合適的底部灌封膠，研究了底部灌封工藝操作方法和不同尺寸器件的點(diǎn)膠模式，灌封后膠體完全包裹器件焊點(diǎn)，并與器件基體、印制板基體之間粘接狀態(tài)良好；灌封膠微觀組織結(jié)構(gòu)均勻，無空洞，可有效提高產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定性及可靠性。