王文龍 陳 帥 譚小鵬

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

LGA（Land Grid Array，焊盤(pán)網(wǎng)格陣列）封裝屬于面陣列封裝形式，因其封裝體積小、安裝高度低、可靠性高而受到廣泛使用。LGA器件屬于無(wú)引腳焊接，一般焊盤(pán)為方形焊盤(pán)（實(shí)物圖如圖1所示，示意圖如圖2所示。）

圖1 LGA封裝器件實(shí)物

圖2 LGA封裝器件示意圖

與BGA不同，LGA封裝器件在封裝體底部只有金屬端子或焊盤(pán)，沒(méi)有焊球，也沒(méi)有例如CGA器件的焊柱，在焊接時(shí)使用印刷焊膏的方式直接代替焊球或焊柱，這種焊接方式有效減少了芯片與印制電路板的距離，使引出路徑變短，電信號(hào)傳遞快，電性能更好。由于焊點(diǎn)高度的減小，LGA封裝能有效改善產(chǎn)品在彎曲、振動(dòng)和跌落等試驗(yàn)中的表現(xiàn)，提升其可靠性。另外，無(wú)引腳器件在芯片制造中減少了一道工序，降低了制造成本，也對(duì)器件的運(yùn)輸提供了便利，所以被廣泛使用。

1 LGA常見(jiàn)焊接缺陷及原因分析

LGA器件由于焊接高度低，抗震性能好，但耐高低溫性能差。同時(shí)，由于器件焊接高度低，也容易產(chǎn)生焊接缺陷?？斩春湾a珠是LGA器件焊接后常見(jiàn)的缺陷。

錫珠的生成原因是多方面的。直接的原因有多余錫膏的引進(jìn)和錫膏焊接過(guò)程中造成了飛濺兩種方式。例如在印刷錫膏后，由于鋼網(wǎng)清洗不良造成焊盤(pán)外部留有殘錫，在印刷后未進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，在焊接后就會(huì)形成錫珠現(xiàn)象，或者回流過(guò)程中生成的水汽或未烘干的水汽快速溢出，導(dǎo)致焊錫飛濺造成錫珠現(xiàn)象。

LGA器件焊接后形成空洞是另一個(gè)普遍現(xiàn)象，特別是采用熱風(fēng)回流焊接時(shí)尤其明顯?？斩葱纬傻闹苯釉蚴呛父嘣谌廴谶^(guò)程中，焊劑成分揮發(fā)或者焊劑活化階段與氧化層化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體在揮發(fā)時(shí)未能從焊料中逸出造成的。行業(yè)內(nèi)暫無(wú)專門(mén)對(duì)LGA器件焊接后空洞率的檢驗(yàn)要求，但很多單位都是參考BGA空洞率（一般為不大于25%）的要求檢驗(yàn)。

錫珠和空洞大有時(shí)單獨(dú)出現(xiàn)，有時(shí)會(huì)同時(shí)存在。從工藝生產(chǎn)的五要素：“人、機(jī)、料、法、環(huán)”來(lái)分析（見(jiàn)圖3）。

人員：要求具備一定的技能水平，責(zé)任心強(qiáng)；

機(jī)器：印刷、貼片、回流等設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，滿足使用要求，經(jīng)過(guò)校測(cè)合格；

材料：元器件來(lái)料包裝合適，無(wú)氧化變形；印制板焊盤(pán)設(shè)計(jì)合理；焊膏粒度合適且按要求存放及使用；元器件和印制板焊前按要求進(jìn)行烘干；鋼網(wǎng)厚度及開(kāi)口方式合適；

方法：工藝曲線合適；貼裝參數(shù)合適；焊膏印刷參數(shù)合適；

環(huán)境：生產(chǎn)環(huán)境溫、濕度達(dá)標(biāo)，合理、穩(wěn)定。

2 問(wèn)題研究及解決

在實(shí)際生產(chǎn)中，某印制板上LGA器件在焊接后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的空洞，同時(shí)大量焊點(diǎn)存在少錫的缺陷，該印制板印刷采用了0.1 mm厚度的鋼網(wǎng)，LGA器件焊接后如圖4所示。

按圖3中的生產(chǎn)要求逐個(gè)進(jìn)行分析查找可能造成缺陷的原因。從焊接后焊點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)看，部分焊點(diǎn)錫料量明顯少，部分焊點(diǎn)空洞超標(biāo)。使用的焊膏粒度為3，大小為25 μm～45 μm，焊膏印刷后狀態(tài)均勻；實(shí)際測(cè)試LGA焊點(diǎn)回流焊實(shí)際溫度曲線測(cè)試符合規(guī)范，各環(huán)節(jié)工藝參數(shù)合理。初步分析認(rèn)為，鋼網(wǎng)厚度薄、焊錫量不足是造成焊接缺陷的主要原因。最初將印制板鋼網(wǎng)制作為0.1 mm厚度是因?yàn)橛≈瓢迳洗嬖?.3 mm細(xì)間距的QFP（細(xì)節(jié)距四邊引腳扁平封裝）器件。通過(guò)制作階梯鋼網(wǎng)，調(diào)整后鋼網(wǎng)基準(zhǔn)厚度為0.12 mm，QFP器件局部制作0.1 mm的階梯。使用0.12 mm厚的鋼網(wǎng)，焊接后發(fā)現(xiàn)LGA器件焊點(diǎn)依然存在空洞率偏高的問(wèn)題，同時(shí)伴隨有錫珠、溢錫、少錫的缺陷。

圖3 LGA焊接缺陷分析魚(yú)骨圖

再次分析認(rèn)為，因?yàn)長(zhǎng)GA器件為無(wú)引腳焊接，器件與焊盤(pán)之間的連接是通過(guò)焊膏融化后焊錫連接的。焊膏回流焊坍塌后，高度十分有限，如采用0.12 mm厚度的鋼網(wǎng)，坍塌后器件高度約為0.06 mm，器件回流焊后四周因助焊劑殘留存在氣密性的可能，導(dǎo)致助焊劑揮發(fā)過(guò)程氣體無(wú)法逸出，形成空洞，或因局部氣體密閉導(dǎo)致高溫狀態(tài)下氣體沖破密閉區(qū)域，造成焊膏噴濺，形成錫珠。解決辦法一是增加LGA器件處焊膏厚度，考慮將焊膏厚度增加到0.2 mm以上；二是對(duì)鋼網(wǎng)上LGA器件處開(kāi)孔形狀進(jìn)行修改，方案包括修改一字架橋和十字架橋2種，便于焊接中氣體逸出。LGA器件架橋開(kāi)口鋼網(wǎng)（見(jiàn)圖5）。

圖4 LGA器件用0.1 mm厚鋼網(wǎng)印焊后焊點(diǎn)圖

圖5 LGA器件架橋開(kāi)口鋼網(wǎng)

印刷焊膏后發(fā)現(xiàn)采用十字架橋鋼網(wǎng)印刷的試驗(yàn)件，存在焊膏透錫差及鋼網(wǎng)難清洗的現(xiàn)象。而采用一字架鋼網(wǎng)印刷的試驗(yàn)件橋透錫率良好，所以選擇一字架橋的方法。

鋼網(wǎng)開(kāi)口形狀確定后，需要確定錫膏量。由于大鋼網(wǎng)LGA器件處的厚度無(wú)法達(dá)到0.2 mm或采用0.2 mm后的階梯鋼網(wǎng)會(huì)影響印刷效果，所以采用了LGA器件預(yù)上錫回流，再貼焊的工藝方法。單獨(dú)LGA器件預(yù)上錫后回流，不存在焊劑揮發(fā)而造成空洞的問(wèn)題，所以在預(yù)上錫回流后再進(jìn)行印制板貼焊，能最大化的減少焊劑的比例，從而降低空洞率。

通過(guò)LGA器件預(yù)上錫鋼網(wǎng)的尺寸，調(diào)整LGA器件焊接的焊錫量。印制板上LGA器件焊點(diǎn)的焊盤(pán)尺寸和LGA器件底部焊盤(pán)尺寸均為0.635×0.635 mm。為對(duì)比不同焊膏量對(duì)空洞等缺陷的影響，制作預(yù)上錫鋼網(wǎng)（見(jiàn)表1）。為保證鋼網(wǎng)在印刷時(shí)的脫模效果，預(yù)上錫鋼網(wǎng)使用納米涂層鋼網(wǎng)。PCB預(yù)上錫印刷后效果（見(jiàn)圖6）。

不同錫膏量的LGA器件貼裝焊接后，X光檢測(cè) 4種不同尺寸鋼網(wǎng)預(yù)上錫焊接后LGA器件焊點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比，試驗(yàn)板采用0.7×0.7×0.25的鋼網(wǎng)開(kāi)口時(shí)，空洞率最小，說(shuō)明空洞率與LGA器件預(yù)上錫焊膏量多少正相關(guān)。因試驗(yàn)板上只焊接了LGA器件，而實(shí)際印制板上LGA器件周圍有一些元器件的阻擋，所以實(shí)際焊接中LGA器件的空洞率會(huì)稍大，當(dāng)采用預(yù)上錫鋼網(wǎng)G4后焊接，實(shí)際空洞率也不會(huì)超過(guò)10%，但在實(shí)際批量生產(chǎn)時(shí)個(gè)別焊點(diǎn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)溢錫的現(xiàn)象。

安裝LGA器件的印制板焊盤(pán)實(shí)物如圖7所示。焊盤(pán)與其它焊盤(pán)設(shè)計(jì)不同，首先圖中的焊盤(pán)開(kāi)孔為SMD焊盤(pán)（阻焊定義焊盤(pán)），并且在焊盤(pán)開(kāi)口的一邊有非常小的高度落差。在貼裝時(shí)，由于貼裝壓力或貼裝高度的存在，器件在貼裝時(shí)會(huì)有一個(gè)下壓的工作，以保證器件與焊膏的充分接觸和一定的粘附力，對(duì)于輕小器件能夠防止器件在回流過(guò)程中的偏移。而對(duì)于LGA器件，默認(rèn)貼裝高度為0.2 mm，所以貼裝時(shí)器件下壓會(huì)使焊膏有少量的外溢，在回流焊時(shí)由于焊膏融化后表面張力的作用，會(huì)將溢出的焊錫拉回到焊盤(pán)上方，但由于LGA器件較重，以及焊膏在貼裝溢出時(shí)，溢出的一邊高度低，所以在回流焊后，溢出部分焊膏未能回到焊盤(pán)的上方，造成了溢錫的現(xiàn)象。該缺陷主要是由于印制板可制造性設(shè)計(jì)差造成的，通過(guò)修改焊盤(pán)的設(shè)計(jì)可以解決。

表1 預(yù)上錫鋼網(wǎng)開(kāi)口參數(shù)表

圖6 LGA器件的PCB預(yù)上錫印刷后

圖7 LGA器件印制板焊盤(pán)實(shí)物圖

3 總結(jié)

LGA器件由于焊接高度低，容易出現(xiàn)空洞大為主的焊接缺陷。分析認(rèn)為空洞大主要是焊膏量少，器件高度低，回流焊時(shí)焊膏中的助焊劑難以及時(shí)揮發(fā)逸出造成的，有時(shí)還會(huì)造成錫珠的缺陷。

通過(guò)更改鋼網(wǎng)開(kāi)孔形狀，對(duì)鋼網(wǎng)上LGA焊盤(pán)開(kāi)口更改為一字架橋鋼網(wǎng)，同時(shí)對(duì)LGA器件采用預(yù)上錫回流的工藝方法，提高LGA器件的焊接焊膏量。通過(guò)對(duì)LGA器件進(jìn)行4種不同預(yù)上錫鋼網(wǎng)試驗(yàn)，對(duì)比預(yù)上錫焊膏量對(duì)空洞率的影響，發(fā)現(xiàn)采用焊膏量較大時(shí)更有利與消除空洞和錫珠缺陷。能夠很好解決常見(jiàn)的LGA器件焊接的空洞和錫珠缺陷。