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        LGA器件焊接可靠性工藝技術(shù)研究

        2020-03-17 01:18:14謝小彤
        制導(dǎo)與引信 2020年3期
        關(guān)鍵詞:焊膏鋼網(wǎng)回流焊

        季 磊,謝小彤,薛 冰,劉 賀,吳 朗

        (上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

        0 引言

        隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化的不斷進(jìn)步,電子信息產(chǎn)業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。大功率、微型化、高可靠成為了電子元器件發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的體積大、引腳少、集成度低的元器件封裝形式,如雙列直插封裝(Dual In-line Package,DIP)、小外形封裝(Small Out-line Package,SOP)等,已經(jīng)無法滿足電子產(chǎn)品的要求。制造工藝技術(shù)的提升給封裝形式帶來了日新月異的變化,芯片級封裝(Chip Scale Package,CSP)、球柵陣列封裝(Ball Grid Array Package,BGA)、柵格陣列封裝(Land Grid Array Package,LGA)和柱柵陣列封裝(Column Grid Array Package,CGA)成為當(dāng)代電子元件封裝形式的主流。其中LGA封裝由于其體積小、安裝高度低、可靠性高,得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

        LGA器件底部為裸露的焊盤或者金屬端子,通過印刷焊膏直接與印制板焊盤相焊接。這種封裝方式不僅縮短了器件與印制板的距離,提高了整機(jī)產(chǎn)品的組裝集成度,也提高了器件的抗振動(dòng)、抗彎曲和抗跌落性能[3-5]。但由于LGA器件底部無焊球和焊柱等連接對象,直接通過印刷焊膏在LGA焊盤和印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)焊盤之間形成焊點(diǎn),其與印制板過小的間隙以及較高的共面敏感性,導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的焊接工藝難以保證最優(yōu)的焊接質(zhì)量。LGA器件對焊盤表面平整度的要求極高,自校正能力差,焊膏印刷的不均勻會(huì)造成LGA器件焊接后歪斜、焊點(diǎn)一致性差等問題,從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能以及機(jī)械性能降低,影響產(chǎn)品的可靠性。

        論文對LGA器件的焊膏印刷量以及焊接工藝參數(shù)進(jìn)行研究,確定最優(yōu)的焊接工藝參數(shù),以獲得LGA器件在不同條件下的最佳焊接效果。

        1 LGA器件焊接的難點(diǎn)

        LGA器件焊接主要存在兩個(gè)難題:一是當(dāng)焊膏印刷一致性差或者LGA器件焊接面平整度低時(shí),如果焊膏印刷模板的厚度和開孔尺寸保持不變,在焊膏熔融過程中,焊點(diǎn)處無多余的焊料對焊點(diǎn)進(jìn)行自修正,最終會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)處焊料鋪展不均勻,甚至出現(xiàn)器件偏斜的現(xiàn)象;二是當(dāng)LGA器件與印制板的間隙較小(一般為50.8μm~76.2μm)[6]時(shí),焊接時(shí)助焊劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體有可能無法有效地溢出,導(dǎo)致焊接后的氣孔率偏高,焊接強(qiáng)度下降,電阻率升高,LGA器件的可靠性降低。

        2 LGA器件焊接影響因素分析

        2.1 LGA器件焊接的工藝流程

        LGA器件焊接的工藝流程如圖1所示。

        圖1 LGA器件焊接的工藝流程

        論文主要針對印刷焊膏及焊接兩個(gè)工藝環(huán)節(jié),研究采用不同開孔尺寸與形式的鋼網(wǎng)印刷焊膏和采用不同焊接工藝方法對LGA器件焊接性能的影響。

        2.2 鋼網(wǎng)開孔形式的影響

        由于LGA器件特殊的封裝形式,使得其焊接后的自修正能力以及氣孔率指標(biāo)較一般器件差。LGA器件參數(shù):焊盤形狀方形,焊盤尺寸0.63 mm×0.63 mm,焊盤間距1.27 mm。采用與LGA器件焊盤尺寸1∶1開孔的鋼網(wǎng)印刷焊膏,焊接后可以明顯地觀察到焊料鋪展不均和氣孔率大的現(xiàn)象。開孔鋼網(wǎng)及LGA器件焊接后的X光照片分別如圖2和圖3所示。試驗(yàn)表明,增大焊點(diǎn)處焊料的體積可以顯著提高LGA器件的自修正能力,降低氣孔率??紤]到印制板印刷焊膏的一致性、實(shí)際生產(chǎn)效率以及成本的原因,主要研究鋼網(wǎng)不同開孔尺寸與形式對LGA器件焊接性能的影響。

        圖2 開孔0.63 mm矩形鋼網(wǎng)

        圖3 采用開孔0.63 mm矩形鋼網(wǎng)印刷后LGA器件焊點(diǎn)的X光照片

        采用厚度為0.13 mm、開孔尺寸為0.7,0.8,0.9 mm的矩形鋼網(wǎng)印刷焊膏,并對焊接后的焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行分析。LGA器件采用三種不同開孔尺寸的矩形鋼網(wǎng)印刷焊膏,焊接后焊點(diǎn)的X光照片如圖4所示。

        圖4 采用不同開孔尺寸矩形鋼網(wǎng)印刷后LGA器件焊點(diǎn)的X光照片

        從圖4中可以看出,采用三種不同開孔尺寸的矩形鋼網(wǎng)印刷焊膏,焊接后LGA器件焊點(diǎn)處的焊料都可以完全地覆蓋焊盤,焊料鋪展均勻,潤濕情況較采用開孔尺寸0.63 mm矩形鋼網(wǎng)印刷得到了很大的改善。采用開孔尺寸為0.7,0.8,0.9 mm鋼網(wǎng)印刷,焊接后單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率分別為49.2%、18.3%、8.6%。隨著鋼網(wǎng)開孔尺寸增大,焊膏體積增加,焊點(diǎn)的氣孔率隨之呈現(xiàn)下降的趨勢。在相同的回流焊焊接工藝條件下,鋼網(wǎng)開孔為0.9 mm的焊點(diǎn)氣孔率最小,但在實(shí)際焊接過程中產(chǎn)生了錫粒子飛濺現(xiàn)象。

        當(dāng)PCB焊盤和LGA焊盤尺寸不變時(shí),焊膏體積的增加會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的高度增大。假設(shè)焊點(diǎn)的橫截面積不變,采用開孔尺寸0.7,0.8,0.9 mm鋼網(wǎng)印刷的焊膏形成的焊點(diǎn)高度是采用0.63 mm鋼網(wǎng)時(shí)焊點(diǎn)高度的1.2、1.6和2.0倍。焊點(diǎn)高度的增加使得LGA與PCB的間隙增大,在焊膏熔融過程中,更有利于助焊劑揮發(fā)形成的氣體溢出焊點(diǎn)表面。但是過多的焊膏會(huì)使焊點(diǎn)的輪廓產(chǎn)生變形,部分焊料被擠出焊盤,焊接后形成錫珠。同時(shí),過小的焊膏印刷間距會(huì)給焊接后的LGA帶來短路的風(fēng)險(xiǎn)。

        采用開孔尺寸0.8 mm的十字形和花形陣列鋼網(wǎng),保證相同的焊膏印刷體積和回流焊接工藝參數(shù),在焊膏熔融過程中,為氣體排出焊點(diǎn)表面提供通道。焊膏印刷效果和焊接后的X光照片如圖5所示。

        圖5 采用十字形及花形鋼網(wǎng)印刷焊膏后LGA器件焊點(diǎn)的X光照片

        試驗(yàn)結(jié)果表明,采用十字形和花形的鋼網(wǎng)印刷對降低氣孔率的作用并不明顯,單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率分別為32.6%和38.5%。經(jīng)分析,主要原因包括三個(gè)方面:a)由于采用的焊膏粉體粒徑較大,印刷精度偏低,印刷后的焊膏邊界有部分橋連,通道形狀并不理想;b)焊膏在熔融過程中受到原子間作用力和表面張力而向內(nèi)部收縮,原始的焊膏形狀在氣體揮發(fā)之前可能已經(jīng)被打破,形成的焊點(diǎn)保持了與焊盤一致的形狀;c)采用十字形和花形鋼網(wǎng)印刷的焊膏體積比相同邊長矩形鋼網(wǎng)的小,導(dǎo)致LGA器件與PCB板的間隙相對偏小,不利于氣體的排出。

        2.3 焊接方法的影響

        焊接方法是影響焊點(diǎn)氣孔率的重要因素。為了進(jìn)一步降低氣孔率,在0.8 mm矩形鋼網(wǎng)開孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,采用熱風(fēng)回流焊、紅外加熱焊和真空汽相焊等三種不同的焊接方法,探究其對LGA焊接后氣孔率的影響。采用的焊接設(shè)備分別為HELLER公司的HELLER1809回流焊爐、德國ERSA公司的HR 600/2混合返修系統(tǒng)以及Rehm公司的Condenso XP凝熱焊接系統(tǒng)。熱風(fēng)回流焊接工藝在表面貼裝技術(shù)(Surface Mounted Technology,SMT)中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,普通的貼裝元器件通過回流焊都可以獲得良好的焊點(diǎn),它適用于密度高、形狀復(fù)雜、批量大的電路板組件的焊接。紅外加熱焊接主要針對QFP、BGA等芯片的焊接和拆除,操作方便快捷。真空汽相焊主要應(yīng)用于微帶天線和相控陣收發(fā)組件等釬透率要求高的電路板組件的焊接。

        熱風(fēng)回流焊是通過在PCB板上下兩面施加熱風(fēng)熔融焊膏,實(shí)現(xiàn)表面組裝元器件焊端或引腳與PCB焊盤之間電氣和機(jī)械連接的軟釬焊技術(shù)。其焊接溫度穩(wěn)定,電路板整體通過熱風(fēng)加熱,元器件受到的熱沖擊較小。合適的回流焊焊接溫度曲線是保證良好焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)溫度實(shí)測和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,增大保溫區(qū)段的時(shí)間,使焊膏中的助焊劑得到充分揮發(fā),可以降低LGA焊接后的氣孔率。LGA器件焊接后焊點(diǎn)的X光照片如圖6所示。

        圖6 熱風(fēng)回流焊焊接LGA器件的焊點(diǎn)X光照片

        可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來降低回流焊焊接氣孔率,但降低水平有限,單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率為12.4%。另外,回流溫度和時(shí)間不僅要兼顧焊接過程中氣體的有效溢出,還要兼顧焊點(diǎn)的成型狀態(tài)和器件最大耐受溫度,曲線調(diào)整難度大,工藝窗口小。

        紅外加熱焊接可以對印制板進(jìn)行局部加熱,實(shí)現(xiàn)器件的焊接和拆除工作。局部加熱導(dǎo)致元器件所受的熱沖擊較大,實(shí)際的焊接溫度易受外界環(huán)境的影響。采用與熱風(fēng)回流焊相似的焊接溫度曲線,對LGA器件進(jìn)行焊接,焊接后的器件焊點(diǎn)X光照片如圖7所示。

        圖7 紅外加熱焊焊接LGA器件的焊點(diǎn)X光照片

        紅外加熱焊接的實(shí)際溫度對外界環(huán)境變化較為敏感,器件表面溫度一致性較差,所以氣體難以充分溢出焊點(diǎn),單個(gè)焊點(diǎn)最大氣孔率不大于28.6%。

        真空汽相焊是利用高分子聚合物(全氟聚醚)汽化后形成惰性的蒸汽,與被焊組件進(jìn)行熱交換,從而達(dá)到加熱焊接的目的。其特點(diǎn)是加熱速度快,器件表面均勻受熱,可以降低焊點(diǎn)氣孔率,并且在焊接過程中持續(xù)保持真空狀態(tài),避免了器件管腳發(fā)生氧化。通過預(yù)設(shè)噴射量、階段到達(dá)溫度、真空度、冷卻時(shí)間等參數(shù),采用預(yù)抽真空的方式使焊料熔融時(shí)產(chǎn)生的氣體可以從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面,并在下一階段真空期有效溢出,降低錫珠的飛濺概率。參照典型回流焊接特點(diǎn),設(shè)定真空汽相焊接溫度曲線,焊接后的焊點(diǎn)X光照片如圖8所示。

        圖8 真空汽相焊焊接LGA器件的焊點(diǎn)X光照片

        真空汽相焊采用預(yù)抽真空的方式,通過氣體汽化使被焊件均勻受熱,保證焊料潤濕鋪展均勻的同時(shí),還具有較低的氣孔率,單個(gè)焊點(diǎn)氣孔率在3%以下,保證了良好的焊接質(zhì)量。

        3 結(jié)論

        論文主要針對LGA器件焊接不良的問題開展研究,綜合實(shí)際生產(chǎn)情況給出了LGA焊接可靠性的改善方法。通過對鋼網(wǎng)開孔的合理設(shè)計(jì),有效地改善焊料潤濕不良、鋪展不均的情況。熱風(fēng)回流焊接技術(shù)簡單成熟,紅外加熱焊接技術(shù)方便快捷,但都無法解決LGA器件焊接后高氣孔率的問題,試驗(yàn)證明采用真空汽相焊接,可以極大地降低LGA焊接后的氣孔率,提高其焊接可靠性。

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