摘要：球柵陣列（Ball Grid Array，BGA）封裝具有體積小、引腳密度高、信號(hào)完整性和散熱性能佳等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路的封裝領(lǐng)域。植球工藝作為BGA封裝（連接器）生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝會(huì)直接影響器件與電路的性能及可靠性，現(xiàn)從植球工藝路線、BGA連接器設(shè)計(jì)要求、植球工藝參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)、試驗(yàn)及檢測(cè)要求等幾個(gè)方面，闡述了影響B(tài)GA連接器植球工藝實(shí)現(xiàn)的各種因素，借以提高BGA連接器產(chǎn)品的可靠性及穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：BGA連接器;植球工藝;植球試驗(yàn)及檢測(cè);回流焊接;激光植球

中圖分類號(hào)：TN605" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）15-0072-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.018

0" " 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，輕、薄、短、小已經(jīng)成為電子產(chǎn)品發(fā)展的主流方向，這就給PCB封裝帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，而球柵陣列（BGA）正是滿足這種高I/O數(shù)的封裝要求的技術(shù)。BGA封裝即球柵陣列封裝，它是在封裝體（連接器）與PCB板連接面按陣列的方式引出焊料，在PCB板面對(duì)應(yīng)位置設(shè)置圓形焊盤，通過(guò)回流焊等方式將元件與PCB板焊接的封裝工藝。BGA封裝具有高密度、小間距、高傳輸速率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、數(shù)字通信等領(lǐng)域[1]。BGA封裝是PCB制造中焊接要求最高的封裝工藝。

植球工藝作為BGA連接器生產(chǎn)中的關(guān)鍵工藝會(huì)直接影響器件與電路的性能及可靠性。本文將通過(guò)對(duì)植球工藝的影響因素進(jìn)行分析研究，總結(jié)BGA連接器的設(shè)計(jì)要求、關(guān)鍵植球工藝參數(shù)以及相關(guān)的檢驗(yàn)測(cè)試要求，供相關(guān)研究和生產(chǎn)制造人員參考。

1" " 植球工藝原理

BGA連接器的植球工藝是指通過(guò)專用設(shè)備及工裝使BGA焊球融化，并與接觸件引腳或印制板焊盤熔接在一起，形成牢固連接的工藝操作過(guò)程。根據(jù)收集的相關(guān)資料，BGA連接器植球能力的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)熱植球和激光植球兩種方式，其工作原理及工藝路線如下。

1.1" " 熱植球工藝原理

熱植球是預(yù)先將焊料投放至焊盤位置，再通過(guò)加熱將焊料融化焊接至焊盤，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)植球。植球過(guò)程包括焊盤清潔、涂覆助焊膏、投放錫球、加熱植球、焊點(diǎn)檢查清潔、焊點(diǎn)檢測(cè)等步驟，具體工藝路線如圖1所示。

1.2" " 激光植球工藝原理

激光植球無(wú)須預(yù)先涂覆助焊劑、投放錫球和加熱焊接，錫球通過(guò)分球圓盤逐一送入噴嘴，利用脈沖激光高峰值功率瞬間將錫球融化，并以一定氣壓壓力將熔融后的錫球噴射到工件表面，快速冷卻，如圖2所示。

2" " BGA連接器植球工藝的影響因素

2.1" " 設(shè)計(jì)因素

2.1.1" " 接觸件的材料及鍍層

在兼顧連接器機(jī)械、環(huán)境性能的前提下，連接器的信號(hào)接觸件應(yīng)選用導(dǎo)電性能良好的銅合金材料，并對(duì)其表面工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，以減小連接器在信號(hào)傳輸過(guò)程中高頻分量的衰減。

為避免產(chǎn)品植球過(guò)程以及焊接使用過(guò)程中出現(xiàn)虛焊等不良情況，接觸件尾部焊接區(qū)域應(yīng)采用可焊性較好的鍍覆工藝，常見(jiàn)的選擇有鍍金、鍍錫、鍍可焊鎳等。其中接觸件鍍層選擇鍍金時(shí)需考慮到除金要求，焊接區(qū)金層厚度一般不超過(guò)0.8 μm，鍍層在0.8～1.27 μm需進(jìn)行一次除金處理，超過(guò)1.27 μm應(yīng)進(jìn)行兩次除金處理[2]。

2.1.2" " 阻焊設(shè)計(jì)

為防止產(chǎn)品植球以及焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊料爬升遷移現(xiàn)象，導(dǎo)致焊點(diǎn)焊料不足，連接器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮阻焊設(shè)計(jì)，常見(jiàn)的阻焊設(shè)計(jì)包括接觸件鍍層設(shè)計(jì)以及連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

接觸件鍍層阻焊設(shè)計(jì)：在接觸件對(duì)接區(qū)與焊接區(qū)之間設(shè)置可焊性較差的鍍鎳層進(jìn)行隔離，為保證良好的阻焊效果，鍍鎳層長(zhǎng)度推薦設(shè)置在1 mm以上。

連接器阻焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：接觸件設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)與塑膠零件過(guò)盈配合，或采用Insert Molding、灌膠等方式實(shí)現(xiàn)連接器結(jié)構(gòu)上的阻焊設(shè)計(jì)。

2.1.3" " 錫球尺寸選擇及接觸件焊盤設(shè)計(jì)

錫球的尺寸選擇通常由產(chǎn)品的接觸件節(jié)距決定，植球的焊盤直徑應(yīng)略小于焊球直徑，表1展示了0.3～0.75 mm錫球所適用的產(chǎn)品節(jié)距以及植球焊盤尺寸推薦值[3]。

2.2" " 植球工藝參數(shù)

2.2.1" " 熱植球工藝參數(shù)

從熱植球工藝路線分析，影響熱植球的主要參數(shù)為時(shí)間—溫度曲線。熱植球參數(shù)與選用的加熱設(shè)備相關(guān)，為保證植球過(guò)程中溫度的精確調(diào)控，熱植球通常采用十溫區(qū)以上的回流焊爐進(jìn)行。常見(jiàn)的錫鉛焊料以及無(wú)鉛焊料適用的植球溫度曲線如圖3及表2、表3所示。

對(duì)于錫鉛焊料，業(yè)界對(duì)其成分的共識(shí)是：SnPb37共晶焊料，熔點(diǎn)為183 ℃。根據(jù)相關(guān)驗(yàn)證結(jié)果，需要將溫度維持在190～225 ℃（溫差是35 ℃），以達(dá)到良好的植球效果。

對(duì)于無(wú)鉛焊料，常用的為錫銀銅焊料，焊料包含3%～4%的銀、0.5%～0.7%的銅，其余為錫。這些合金的熔點(diǎn)為210～220 ℃，而連接器結(jié)構(gòu)中的塑膠零件限制了溫度曲線的最高溫度，為了能適應(yīng)這些限制，防止塑膠發(fā)生熱變形，無(wú)鉛焊料熱植球的峰值溫度應(yīng)該保持在245 ℃以下[4]。

如溫度曲線設(shè)置不當(dāng)，會(huì)造成植球后虛焊、錫球空洞、錫球氧化等缺陷。在BGA連接器的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)連接器的結(jié)構(gòu)、采用的助焊膏種類等進(jìn)行綜合考慮，設(shè)置最佳的植球溫度曲線。

2.2.2" " 激光植球工藝參數(shù)

激光植球是通過(guò)激光束將錫球融化后，利用一定氣壓的氮?dú)鈱㈠a球噴到焊盤上。影響植球效果的工藝參數(shù)主要包括激光的能量、噴球時(shí)的氣壓以及噴嘴距離焊盤的高度等。激光植球的參數(shù)與使用的設(shè)備相關(guān)，針對(duì)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)激光植球參數(shù)有以下結(jié)論：

（1）無(wú)鉛錫球所需激光功率大于有鉛錫球。（2）錫球直徑越大，所需激光功率和時(shí)間越大。（3）當(dāng)激光功率過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致焊盤燒焦發(fā)黑現(xiàn)象，從而導(dǎo)致虛焊等問(wèn)題。（4）噴球時(shí)氣壓與錫球直徑、噴嘴直徑、噴嘴距離焊盤位置相關(guān);錫球越大、噴嘴直徑越大、噴嘴距離焊盤越遠(yuǎn)時(shí)，所需的氣壓越大。（5）噴嘴與焊盤的距離主要由錫球直徑以及焊盤大小決定。噴嘴距焊盤較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)錫球偏移、虛焊等現(xiàn)象。

3" " 植球工藝的關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景分析，BGA連接器多為芯數(shù)多、節(jié)距小的產(chǎn)品，根據(jù)熱植球工藝路線，植球工藝過(guò)程的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)將多個(gè)錫球投放到指定位置，保證植球過(guò)程中不出現(xiàn)缺球、多球、投放歪斜現(xiàn)象。

根據(jù)連接器結(jié)構(gòu)以及試制和批產(chǎn)需求，錫球投放過(guò)程可采用手工治具或自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

3.1" " 手工治具投放錫球

針對(duì)連接器芯數(shù)相對(duì)較少、錫球相對(duì)較大的產(chǎn)品以及前期產(chǎn)品試制過(guò)程，可通過(guò)手工治具的方式投放錫球，主要過(guò)程如下：

（1）錫球載板按產(chǎn)品排列進(jìn)行開(kāi)沉孔，開(kāi)孔直徑略大于錫球直徑，開(kāi)孔深度為一個(gè)錫球直徑。（2）將固定框放在錫球載板上后將錫球撒入固定框內(nèi)，通過(guò)振動(dòng)、毛刷等方式使錫球落入錫球載板對(duì)應(yīng)開(kāi)孔內(nèi)，通過(guò)對(duì)開(kāi)孔尺寸的控制保證每個(gè)孔位內(nèi)有且僅有一顆錫球。（3）移除固定框，掃去多余錫球，檢查錫球載板內(nèi)是否均有錫球。（4）將需要植球的產(chǎn)品通過(guò)工裝定位后倒扣在錫球載板上，翻轉(zhuǎn)工裝，通過(guò)振動(dòng)加壓等方式使錫球落到定位后的產(chǎn)品焊盤上。（5）檢查產(chǎn)品上每個(gè)點(diǎn)位是否均有錫球，合格后送入回流爐進(jìn)行加熱植球。

3.2" " 自動(dòng)化設(shè)備植球

依靠手工治具進(jìn)行植球無(wú)法保證所有錫球均投放到位，當(dāng)芯數(shù)較多、錫球較小、產(chǎn)品節(jié)距較小，或產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)，依靠手工治具無(wú)法滿足需求，可采用自動(dòng)化設(shè)備完成植球過(guò)程，主要過(guò)程如下：

（1）手動(dòng)上料：將需要植球的產(chǎn)品放至植球機(jī)工作臺(tái)上。

（2）植球工位移動(dòng)：將需要植球的產(chǎn)品移動(dòng)到對(duì)應(yīng)工站完成涂助焊膏、植球、檢測(cè)等工序。

（3）涂助焊膏（蘸膠、點(diǎn)膠）：按照產(chǎn)品加工印制錫膏的鋼網(wǎng)，通過(guò)刮刀將助焊膏涂到陶瓷基板上，再通過(guò)彈性針頭將助焊膏轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品上，如圖4所示。

（4）投放錫球：

a）鋪球：通過(guò)振動(dòng)、吹氣、毛刷等方式將錫球投放到載板上;

b）吸球：通過(guò)真空吸嘴吸取每一顆錫球;

c）檢測(cè)：通過(guò)CCD檢測(cè)設(shè)備檢查真空吸嘴上有無(wú)缺球、多球、廢球，出現(xiàn)缺球?qū)㈠a球轉(zhuǎn)移至廢球收納盒;

d）投放錫球：檢測(cè)ok的錫球通過(guò)真空吸嘴轉(zhuǎn)移至產(chǎn)品上，如圖5所示。

（5）出料：檢測(cè)植球完成后產(chǎn)品有無(wú)缺球、歪斜等不良情況，然后轉(zhuǎn)移至回流爐進(jìn)行加熱植球。

4" " BGA連接器試驗(yàn)及檢測(cè)

BGA連接器在植球完成后除進(jìn)行外觀檢查外，還應(yīng)包括錫球共面度、拉脫力、剪切力、可焊性、焊接缺陷等檢測(cè)[5]，具體檢測(cè)要求如下：

（1）錫球共面度：是指錫球每個(gè)頂點(diǎn)和基座平面之間距離之差的最大值，如圖6所示。除另有規(guī)定外，BGA焊球共面度大于150 μm，則應(yīng)視為不合格。

（2）錫球拉脫力：是指施加于焊球垂直于器件表面并將錫球從該表面拉脫的力，如圖7所示。

焊球拉脫力隨焊球類型、焊球大小、焊盤大小而變化，表4列出了常見(jiàn)錫球拉脫強(qiáng)度推薦值。

（3）錫球剪切力：是指施加于焊球上平行于器件表面的推力，如圖8所示。

焊球最大剪切力隨焊球類型、焊球大小、焊盤大小而變化，表5列出了常見(jiàn)錫球剪切強(qiáng)度推薦值。

（4）可焊性：可焊性試驗(yàn)是通過(guò)模擬BGA表面焊接工藝，評(píng)估或判定器件可焊性能力。BGA連接器經(jīng)回流焊接后應(yīng)符合以下要求：

a）焊球之間無(wú)粘連、橋接現(xiàn)象;

b）焊球浸潤(rùn)部分表面連續(xù)覆蓋新焊料涂層的面積大于95%。

（5）焊接缺陷檢測(cè)：植球后產(chǎn)品應(yīng)無(wú)虛焊、焊球歪斜、焊球空洞、焊料橋接、焊盤開(kāi)裂等不良情況。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)熱植球以及激光植球兩種工藝路線介紹了BGA連接器的植球工藝，總結(jié)了植球工藝過(guò)程中的主要工藝參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的解決方法，并針對(duì)植球工藝提出了對(duì)BGA連接器的設(shè)計(jì)要求以及植球工藝相關(guān)的主要檢測(cè)項(xiàng)目和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著電子元器件的快速發(fā)展，BGA連接器也會(huì)向更高密度、更小型化的方向發(fā)展。影響植球效果的影響因素很多，除了文中提到的主要工藝參數(shù)以外，助焊劑的種類及用量、器件結(jié)構(gòu)及材料、操作環(huán)境等多種因素都會(huì)對(duì)植球效果產(chǎn)生影響。這就需要研究人員不斷探索，運(yùn)用專業(yè)能力靈活解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試過(guò)程中的各種問(wèn)題，以保證BGA產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

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收稿日期：2023-04-12

作者簡(jiǎn)介：劉樂(lè)（1995—），男，江蘇徐州人，助理工程師，研究方向：連接器及組件工藝。