无铅BGA焊球重置工艺

无铅BGA焊球重置工艺

转自：SMT技术网；作者：韦荔甫 李鹏

摘要：    

对无铅BGA焊球重置工艺展开研究，通过试验设计，对比分析验证助焊剂的涂敷方式与涂敷量对BGA焊点高度变化、剪切强度及其可靠性的影响。研究结果表明：在焊锡球直径相同的条件下，焊点间距较小的阵列对助焊剂涂敷量变化较敏感，在液相线以上时间(TAL)不超过90s。回流焊峰值温度为245℃时，助焊剂涂敷量对焊点强度的影响比较明显，当回流焊峰值温度较高时（如255℃），其影响不明显。

关键词: BGA焊点、助焊剂、涂敷方式、可靠性

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引言

    传统铅锡焊料由于含有对人体及环境危害严重的铅，如今已被无铅焊料所取代，Sn-Ag-Cu是目前常用的一类无铅焊料。在大容量引脚封装上有着极强生命力和竞争力的无铅BGA，因回流工艺与材料的差异，其熔点温度和焊剂成分也随之而改变，造成焊接工艺参数上发生了改变，这使得单个器件在实际应用中的价格并不便宜。因此在预研产品试验时，往往希望把所有从基板上取下的BGA器件能重新植球，再利用。BGA植球时，根据BGA返修工艺要求，应先在焊盘上涂一层助焊剂，再植球，以便减少焊盘和焊球上的氧化物；使用BGA时，为得到良好的熔湿性和焊点完整性，也必须在焊盘上涂一层助焊剂。然而，在返修中，经常出现BGA锡球桥接现象，从返修工艺角度出发，这种现象与助焊剂涂敷的方法和涂敷量之间势必存在某种联系，而这种联系对BGA焊点高度变化、焊接质量以及焊点可靠性有何影响，影响到什么程度，目前在SMT相关论坛和相关的学术期刊上也没找到更详细、更全面地报道。因此，本文通过试验对其作进一步分析和探讨。

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试验设计

    焊接是电子装配中的主要工艺过程，助焊剂是焊接时使用的辅料，助焊剂的主要作用是清除焊料和被焊母材表面的氧化物，使金属表面达到必要的清洁度。它防止焊接时表面的再次氧化，降低焊料表面张力，提高焊接性能。本次试验以目前生产中常用的Sn3Ag0.5Cu（熔点为217~220℃）无铅锡球和无铅助焊剂作为研究对象，同时以助焊剂的涂敷方式与涂敷量、锡球间距以及焊盘直径作为试验因素，有针对性地分批试验。试验目的主要考察助焊剂的涂敷方式和涂敷量对BGA焊点高度、焊接质量及可靠性的影响。    试验方法：采用模板（方式2）和手工（方式1）两种涂敷方式直接将助焊剂涂敷在基板上，BGA的锡球选用直径为0.76mm的Sn3Ag0.5Cu焊球，节距为1.50mm，焊盘直径为0.8mm，试验主要设备使用IR550A型返修台、微型光学检测仪和剪切设备。    第一类方式是从BGA返修工艺角度考虑，试验在同一回流温度曲线下进行，即在液相线时间不超过90s，回流峰值温度在245℃时进行。助焊剂采用手工直接涂敷方式，经过四次试验，得到如图1所示的试验结果。结果表明，用手工在基板上直接涂敷助焊剂时，由于助焊剂涂层厚度无法控制而造成涂敷量不均，回流后助焊剂涂敷量偏大的区域容易产生焊点桥接现象。

图1 手工涂敷助焊剂对应试验结果

第二类方式是采用模板对助焊剂的涂敷量进行控制。使用不同厚度模板对助焊剂涂敷量进行控制，结果表明，采用模板可使助焊剂涂敷厚度比较均匀，经回流后没有发现焊点桥接现象，如图2所示，返修质量比较稳定。但随着试验参数的改变，焊盘阵列的间距越小对助焊剂涂敷量就越敏感（间距0.08mm时开始出现桥接），助焊剂涂敷量越大，越容易导致焊点桥接，如图3所示。使用该方法的优点，可通过改变模板厚度和开口直径来改变助焊剂的涂敷量，从而提高了焊点的焊接质量。

02

焊点高度分析

     组装过程中，常存在因共晶锡球塌陷不足而产生焊点开路时效。试验的主要目的是分析不同工艺条件下回流后焊球高度变化情况。试验时，主要考察回流曲线的峰值温度、焊盘直径和助焊剂涂敷量以及它们之间的交互作用对回流后焊球高度的影响。    对试验结果进行L8（27）正交表设计，同时对沿着每个已完成植球的BGA器件的对角线取16个焊点进行测量，测量方法如图4所示。之后，取其平均值进行极差分析和方差分析。表1的极差分析结果来看，回流峰值温度对焊球高度的影响远远大于其他因素以及各因素之间的交互作用；表2的方差分析结果表明，在95%的置信水平上，峰值温度对焊球高度的影响是最显著的，而其他因素以及各因素之间的交互作用对焊球高度的影响均不显著。

图4 焊球高度测量方法

综上所述，回流曲线的峰值温度是影响焊球高度的决定性因素，焊盘直径和助焊剂涂敷量对焊球高度的影响不大。从可靠性的角度考虑，BGA器件在热循环过程中，由于封装体与PCB板之间存在热膨胀系数不匹配，导致其焊点上存在切应力，而增加焊点高度有利于减小焊点上的切应力，所以在返修过程中，应严格控制BGA的焊点高度。

焊点剪切强度试验

    BGA封装元器件的焊点常常由于热失配、器件装配外力等原因发生剪切破坏，良好的焊点剪切强度是器件高可靠性的重要保障，BGA焊点剪切强度与焊球材料和焊盘金属有关。从微观上看，焊接界面材料微观结构的变化将直接影响焊点剪切强度的大小。本文主要对不同工艺条件下完成回流后的BGA焊点作剪切强度试验。试验中，主要考虑在液相线时间不超过90s时，回流峰值温度和助焊剂模板类型对焊接强度的影响，剪切强度试验原理如图5所示，剪断焊点时所需的力试验结果如图6折线图所示。

由图6可知，方案1中焊球的剪切力最小，只有1.0cN左右，部分焊点承受的剪切力小于1.0cN。根据BGA无铅焊点剪切试验的标准，BGA无铅焊点所承受的剪切力至少在1.0cN以上，最好能达到1.3cN以上，所以方案1不可取。   

方案2中焊球的剪切力均大于1.4cN力，其中大部分在1.5cN力以上，回流时其峰值温度为245℃，从焊点高度方面考虑，低的峰值温度有利于获得较理想的焊球高度，从焊接强度的角度来看，方案2是可取的。方案3和方案4中焊球的剪切力均在1.8cN以上，从焊接强度的角度来考虑，是比较理想的选择对象，但方案3和方案4回流的峰值温度是260℃，与方案2相比，其焊接后的焊球高度相对较低。在兼顾焊接强度和焊球高度的情况下，方案3和方案4的竞争力稍差。综上，方案2是一个较优的方案，既能满足焊接强度的要求，又能得到较理想的焊球高度。   

研究结果表明，助焊剂涂敷量对焊球回流后强度的影响在回流峰值温度较低时（如245℃）比较明显，在确保正常焊接的前提下，助焊剂涂敷量较少时焊接强度较大；而当回流峰值温度较高时（如260℃），这种影响不明显。

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结论

    研究表明，通过使用模板控制助焊剂的涂敷量，能够消除桥接和助焊剂涂敷不均等缺陷。在焊球直径相同的条件下，焊球间距较小的阵列对助焊剂涂敷量的变化更敏感。极差分析表明，若以回流后影响焊点高度因素的重要性，按从大到小排序，为回流曲线的峰值温度、助焊剂涂敷量、焊盘直径；方差分析表明，在95%的置信水平上，回流曲线的峰值温度对回流后焊球高度的影响显著。焊球剪切试验表明，回流峰值温度较低时（如245℃），助焊剂涂敷量对焊接强度的影响比较明显，而当回流峰值温度较高时（如260℃），影响不明显。

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