馬清桃，王伯淳，周春玲

（中國航天科工集團(tuán)第四研究院元器件可靠性分中心，湖北 孝感 432000）

球柵陣列可焊性測試

馬清桃，王伯淳，周春玲

（中國航天科工集團(tuán)第四研究院元器件可靠性分中心，湖北 孝感 432000）

在武器裝備系統(tǒng)中，可焊性測試是鑒定電子元器件引出端質(zhì)量和共面工藝等指標(biāo)的一項重要措施。尤其在裝機(jī)前，因為可焊性的隱患可能帶來無法估量的損失。在檢測分析工作中，使用什么方法正確評估電子元器件的可焊性顯得尤為重要。通過球柵陣列器件的可焊性測試方法的分析研究，對測試中遇到的問題進(jìn)行歸納和總結(jié)，以具體的示例進(jìn)行分析和驗證，提出了 BGA可焊性測試中可參考的標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)注意的問題等，為同行業(yè)者提供指導(dǎo)和借鑒。

可焊性；BGA；有鉛；無鉛

1 引言

現(xiàn)代電子工業(yè)的1級封裝（芯片封裝）和2級封裝（電子元器件組裝到印刷線路板），都需要高質(zhì)量的互通連接技術(shù)，以及高質(zhì)量和零缺陷的焊接工藝，所以可焊性測試是衡量電子元器件生產(chǎn)加工和產(chǎn)品質(zhì)量工藝性能的一項重要指標(biāo)。如果供應(yīng)商或器件資料上不能很好地說明可焊性測試過程和結(jié)果及所依照的標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為該供應(yīng)商不能很好地保證可焊性。在電子產(chǎn)品的裝配焊接工藝中，焊接質(zhì)量直接影響整機(jī)的質(zhì)量，為了提高焊接質(zhì)量，除了嚴(yán)格控制工藝參數(shù)外，還需要對印制電路板和電子元器件進(jìn)行科學(xué)的可焊性測試。通過實施可焊性測試，幫助企業(yè)確定生產(chǎn)裝配后可焊性的好壞和產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣，以確保上線使用的電路滿足規(guī)定質(zhì)量要求，杜絕不合格的電路上線使用。

可焊性試驗又稱潤濕平衡測試，考量的是金屬被熔融焊料潤濕的能力，原理是通過傳感器感知毫牛級別的微小的力，結(jié)合時間判斷爬錫的力度和潤濕的快速性，量化評估被測樣品的可焊性優(yōu)劣，直接對電路是否可投入于生產(chǎn)或經(jīng)過工藝窗口的調(diào)整后方能投入生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

如何進(jìn)行可焊性試驗，國家和軍工系統(tǒng)有相應(yīng)的試驗標(biāo)準(zhǔn)，如對于半導(dǎo)體分立器件其可焊性試驗依據(jù)GJB128A-97 《半 導(dǎo) 體 分 立 器 件 試 驗 方 法》（方 法2026）， 對 于 電 子 及 電 氣 元 件 可 焊 性 試 驗 依 據(jù)GJB360B-2009 《電子及電氣元件試驗方法》（方法208），對于半導(dǎo)體集成電路可焊性試驗方法可依據(jù)GJB548B-2005 《微電子器件試驗方法和程序》（方法2003.1）。 對 于 球 柵 陣 列 封 裝 的 BGA 器 件 ，在GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中，可焊性試驗方法涉及到的器件是有引線的微電路，所用焊料也是錫鉛焊料，這種方法并不適用，所以在實際工作中，可能需要尋找其他的參考標(biāo)準(zhǔn)和方法。

2 BGA器件及其可焊性對組裝質(zhì)量的影響

BGA(BallGrid Array，球柵陣列封裝)是在封裝體底部制作陣列焊球作為電路的 I/O 端，與印刷線路板（PCB）互接的一種表面貼裝器件。BGA 封裝形式有多種，主要包括 PBGA(Plastic Ball Grid Array)、CBGA (Ceramic BallGrid Array)、CCGA(Ceramic Column Grid Array)、TBGA(Tiny BallGrid Array)、CSP(Chip Scale Package 或 μBGA)，除 CCGA 的焊點(diǎn)為柱狀外，其余BGA 的焊點(diǎn)形狀均為球形，目前在產(chǎn)品使用中最廣泛的是 PBGA 以及 CBGA 封裝結(jié)構(gòu)。

PBGA 的焊球成分為 Sn63Pb37，焊錫的熔化溫度約為 183℃，焊接前焊球直徑 0.76 mm，焊后高度介于0.4～0.6 mm。PBGA 優(yōu)點(diǎn)為成本較低，容易加工，缺點(diǎn)為容易吸潮 。CBGA 的 焊 球 基體為高溫 合金（Sn10Pb90），其熔點(diǎn)為 302 ℃，在焊球的外部與 BGA基板相連部分涂覆了一層共晶焊料（Sn63Pb37），大多數(shù) CBGA 焊球直徑為 0.89 mm。由于 CBGA 焊球的熔點(diǎn)高于共晶材料，在焊接時 CBGA 焊球不熔化，焊接后 CBGA 的焊點(diǎn)高度不會變小，在相同的焊接連接質(zhì)量情況下，器件焊接后的高度越高，其可靠性也越高，因此，CBGA 的可靠性要比 PBGA 的可靠性高，另外，由于 CBGA 基板是陶瓷材料，不易吸潮，封裝更牢靠。

BGA 封裝的優(yōu)點(diǎn)是消除了精細(xì)間距器件（如 0.5 mm節(jié)距以下 QFP）由于引線而引起的共面度和翹曲的問題，缺點(diǎn)是由于 BGA 的多 I/O 端位于封裝體的下面，其焊接質(zhì)量的好壞不能依靠可見焊點(diǎn)的形狀等進(jìn)行判斷，只能借助 X 射線、超聲波檢查設(shè)備或通過功能測試進(jìn)行檢查。

BGA 器件焊接的關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)為焊膏印刷、回流焊，需要工藝師根據(jù)自己的生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品，不斷摸索和總結(jié)經(jīng)驗，尋求適用于自己產(chǎn)品的最合理的工藝參數(shù)，這方面的研究有不少的文章發(fā)表和經(jīng)驗總結(jié)，這不是本文的研究重點(diǎn)。為了降低 BGA返修和再植球等工藝帶來的成本和隱患，還有一個質(zhì)量控制措施，就是在BGA器件被組裝之前，抽樣進(jìn)行焊接測試，定量評估其可焊性，合格的產(chǎn)品才被使用，這是可靠性研究部門的一項重要工作，尤其對超期復(fù)驗的產(chǎn)品更有必要。

3 如何實施BGA器件的可焊性測試

3.1 可焊性和焊接能力的區(qū)別

在研究BGA器件的可焊性測試之前，有兩個概念需要明確，即可焊性和焊接能力?？珊感匝芯康氖侨廴诤噶蠈﹀儗拥臐櫇癯潭?，焊接能力用于評價特定的助焊劑和焊料一起確保元器件焊接到 PCB 上的能力，兩者不是一回事。需要注意的是，那些可焊性“不可接受”（根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）的元器件，通常采用“合適”的助焊劑和焊料工藝調(diào)制仍然可以實現(xiàn)焊接，例如對于可焊性較差的元器件，人們可以通過增加助焊劑噴涂量，從而提高組件的焊接能力。然而，此方法對無鉛焊料可能無效，原因有二：一是無鉛焊接的工藝窗口很窄，制造工藝的可變化范圍很?。ㄕ{(diào)制會增加焊點(diǎn)不良的可能性）；二是增加助焊劑會對單板清潔造成有害影響（尤其是采用免清洗工藝）。所以可焊性評估的目的是驗證元器件引腳或焊端的可焊性是否滿足規(guī)定的要求，和判斷存儲對器件焊接到單板上的能力是否產(chǎn)生了不良影響，是為了測試鍍層可潤濕能力的堅固性，不是模擬實際生產(chǎn)情況。換句話說，可焊性測試依據(jù)什么標(biāo)準(zhǔn)、選擇什么測試方法非常重要，如果你的工藝、助焊劑和焊料控制穩(wěn)定，焊接能力測試確實可用來進(jìn)行鍍層質(zhì)量檢驗，但這一方法不夠科學(xué)且不可控，因此不足以作為可焊性測試的主要標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 可焊性測試方法的選擇

GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中，方法 2003.1 涉及到的器件是有引線的微電路，所用焊料也是錫鉛焊料，我們知道，BGA 上的錫球位于封裝體的下面，而且分為有鉛和無鉛兩種，現(xiàn)在大多數(shù)產(chǎn)品都屬于無鉛產(chǎn)品，是沒辦法通過 GJB548B-2005 的方法來進(jìn)行測試的。

GB/T2423.32-2008 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第 2部分：試驗方法 試驗 Ta潤濕稱量法可焊性》對可焊性的潤濕稱量法有詳細(xì)的介紹，潤濕稱量法能定量測量表面鍍層的堅固性，同時具有可接受的測試結(jié)果的可重復(fù)性與再現(xiàn)性，是比較科學(xué)的可焊性測試方法，但此標(biāo)準(zhǔn)所涉及到的仍然是焊槽設(shè)備，主要適用于元器件的引線，而且這種元器件引線的整個截面周邊能夠被焊料所潤濕，對 BGA 器件并不適用。

GJB7677-2012《球柵陣列（BGA)試驗方法》專門針對BGA電路的可焊性介紹了一種方法，通過網(wǎng)板和承載板，按照適當(dāng)?shù)幕亓骱笚l件對被測試樣品進(jìn)行球柵陣列焊球制備，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察焊球的粘連和新焊料涂層的可潤濕面積來判斷可焊性是否為合格，方法的不足之處仍是定性判斷，免不了受到主觀因素或人為判斷的影響。

電 子 制 造 行 業(yè) 的 聯(lián) 合 工 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) IPC/ECA J-STD-002C-2008 《Solderability Tests for Component Leads,Terminations,Lugs,Terminals and Wires》中的測試 G 和 G1（潤濕稱量焊料球測試方法）可以作為評估的參考標(biāo)準(zhǔn)予以借鑒，測試 G 適用于錫鉛焊料，測試G1適用于無鉛焊料。測試都使用焊料潤濕力測量裝置，與 GB/T2423.32-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第 2部分：試驗方法 試驗 Ta 潤濕稱量法可焊性》不同的是焊料槽被焊料球代替，焊料球的大小有 4 mm、3.2 mm、2 mm 和 1 mm,相應(yīng)的焊料球質(zhì)量有 200 mg、100 mg、25 mg 和 5 mg，這樣測試精度更高。其潤濕稱量參數(shù)和建議評定標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。從表1 中可以看出，建議評定標(biāo)準(zhǔn) A組實際上包含了兩組評判標(biāo)準(zhǔn)，即1/2 Fmax,theo和 1/4Fmax,theo，工程師可根據(jù)實際情況判別，用作BGA器件焊接工藝窗口的參考評價。

表1 潤濕稱量參數(shù)和建議評定標(biāo)準(zhǔn)

4 BGA器件可焊性測試中遇到的主要問題

4.1 如何判斷 BGA 器件為有鉛無鉛

根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)歸納出以下幾條，可供參考：

（1）從器件資料上判斷，看有無鉛含量；

（2）從色澤上判斷，有鉛的金屬光澤好，就像不銹鋼管的那種顏色；無鉛的為亞光，看起來比較灰，輕輕刮一下焊珠才會漏出比較亮的顏色；

（3）從焊接溫度來判斷，有鉛的焊接溫度低(熔點(diǎn)在 183～220 ℃)，流動性好，冷卻慢，無鉛的焊接溫度高（熔點(diǎn)在 235～245 ℃），流動性略差，冷卻快；

（4）從外觀標(biāo)識來判斷，例如英特爾的芯片如果是南橋（南北橋是指電腦主板上的芯片，南橋主要負(fù)責(zé)IO，北橋用于 CPU 和內(nèi)存、顯卡、PCI交換數(shù)據(jù)），以FW 開頭的為有鉛的，比如 FW82801DBM，NH 開頭的為無鉛的，比如 NH82801DBM。北橋以 RG 開頭的為有鉛的，比如 RG82855GM，NQ 開頭的為無鉛的，比如NQ82915PM。AMD 的芯片組第二排編號后邊帶 G 的是無鉛、不帶 G 的是有鉛的，比如 218S4RBSA12G 就是無鉛的。NVIDIA（英偉達(dá)）芯片編號中帶有 n 的是無鉛的，比如 GO7300-n-A2 的即為無鉛的。

還有其他如表面標(biāo)識中帶“+”、批次旁有“G4”字樣、帶 N/@/PB(上邊帶斜杠)或者 ROHS 或者尾數(shù)帶 Z等標(biāo)識的為無鉛，否則為有鉛。

（5）從生產(chǎn)日期來判斷，無鉛化產(chǎn)品大概是 2005年底開始的，之前的大部分芯片是有鉛焊接的，之后的特別從 2006 年 6 月后一般都是無鉛焊接的。

4.2 焊接溫度、焊料、助焊劑的選擇

根據(jù) IPC/ECA J-STD-002C 標(biāo)準(zhǔn)的測試 G 和測試G1，潤濕稱量焊料球測試分為兩種，一種是有鉛焊料，一種是無鉛焊料，這兩類測試所選擇的焊接溫度、焊料和助焊劑都不一樣，如表2所示。

助焊劑的成分按標(biāo)準(zhǔn)中表3的重量百分比配制。1 號標(biāo)準(zhǔn)活性松香助焊劑成分為：將重量比為 25%± 0.5%的松香和重量比為 0.15%±0.01%的二乙胺鹽酸鹽（CAS 660-68-4）溶解于重量比為 74.85%±0.5%的異丙醇中。2號標(biāo)準(zhǔn)活性松香助焊劑成分為：將重量比為25%±0.5%的松香和重量比為 0.39%±0.01%的二乙胺鹽酸鹽（CAS 660-68-4）溶解于重量比 74.61%±0.5%的異丙醇中。

表2 潤濕稱量焊料球測試

表3 IPC/ECA J-STD-002C 標(biāo)準(zhǔn)中的助焊劑

5 BGA器件可焊性測試驗證數(shù)據(jù)

5.1 無鉛焊料示例

根據(jù)委托方要求對下列器件進(jìn)行可焊性測試：

測試器件為 FPGA，型號 EP3CLS200F484I7N，批次 1107A，數(shù)量 1 只，生產(chǎn)廠家為 Altera。測試樣品照片見圖1。

圖1 測試樣品（FPGA，型號 EP3CLS200F484I7N）照片

依據(jù) IPC J-STD-002C 測試方法 G1 及委托方要求，對樣品不做任何預(yù)處理進(jìn)行潤濕稱量焊料球可焊性測試，具體測試條件為：

（a）焊料組成：SAC305；

（b）焊料溫度：255 ℃；

（c）焊接時間：5 s；

（d）浸漬深度：0.10 mm；

（e）浸漬速度：2 mm/s；

（f）助焊 劑 成份：松香 25wt%；異 丙 醇 74.61wt%；二乙胺鹽酸鹽 0.39wt%。

根據(jù)潤濕稱量參數(shù)和建議標(biāo)準(zhǔn)（引用標(biāo)準(zhǔn)的表4-7），測試結(jié)果如表4 所示，測試曲線見圖2。

表4 可焊性測試（Wetting Balance Test）結(jié)果

圖2 可焊性的力-時間曲線

測試樣品實際上錫區(qū)域大于設(shè)定浸入?yún)^(qū)域，可焊性評估為合格。

5.2 有鉛焊料示例

根據(jù)委托方要求對下列器件進(jìn)行可焊性試驗：

測試器件為 FPGA，型號 XC4VLX25-10SF363I，批次 1019，數(shù)量 1 只，生產(chǎn)廠家為 XILINX。測試樣品照片見圖3。

圖3 測試樣品（FPGA，型號 XC4VLX25-10SF363I）照片

依據(jù) IPC J-STD-002C 測試方法 G 及委托方要求，對樣品不做任何預(yù)處理直接進(jìn)行潤濕稱量焊料球可焊性測試，具體測試條件為：

（a）焊料組成：Sn63Pb37；

（b）焊料溫度：245 ℃；

（c）焊接時間：5 s；

（d）浸漬深度：0.10 mm；

（e）浸漬速度：2 mm/s；

（f）助焊 劑 成 份：松香 25wt% ；異 丙 醇 74.85wt%；二乙胺鹽酸鹽 0.15wt%。

根據(jù)潤濕稱量參數(shù)和建議標(biāo)準(zhǔn) （引用標(biāo)準(zhǔn)的表 4-7），測試結(jié)果如表5 所示，測試曲線見圖4。

表5 可焊性測試（Wetting Balance Test）結(jié)果

圖4 可焊性的力-時間曲線

測試樣品實際上錫區(qū)域大于設(shè)定浸入?yún)^(qū)域，可焊性評估為合格。

6 BGA可焊性測試中需注意的問題

本文可焊性測試研究的是將BGA器件裝配焊接到線路板上之前，器件能否被牢固焊接的潤濕平衡能力，不僅和器件本身的工藝質(zhì)量有關(guān)，而且涉及到器件實際使用中裝配焊接的工藝參數(shù)，需要模擬生產(chǎn)裝配現(xiàn)場的焊接工藝參數(shù)，其可焊性的評估才有意義。按照 IPC/ECA J-STD-002C 標(biāo)準(zhǔn)，到底選擇無鉛焊料還是有鉛焊料，并不完全依據(jù)所試驗的BGA器件是有鉛還是無鉛來決定。一般來講，有鉛器件就使用有鉛焊料，無鉛器件就使用無鉛焊料，但是因為同一塊PCB 板上有無鉛器件也有有鉛器件，在波峰焊或回流焊中，有可能存在混合焊接的情況，所以在評估 BGA器件的可焊性時，如何選擇焊料還要考慮到器件實際應(yīng)用中的工藝狀況，以更好地模擬和還原使用情況，如無鉛BGA器件被裝配使用時，回流焊如果使用的焊料是有鉛焊料，則可焊性試驗最好選擇有鉛焊料，但是焊接的溫度一定要達(dá)到無鉛的要求。

關(guān)于加速蒸汽老化的限制問題，可焊涂層的加速蒸汽老化已成為并將一直是重點(diǎn)研究的主題。與其他老化方法相比，蒸汽老化可以與自然老化類似的方式成功地加速錫和錫/鉛表面的退化。表面氧化的退化過程和 Cu/Sn 金屬間化合物生長都會由于蒸汽的熱量和濕氣而加劇。適當(dāng)涂敷的錫和錫/鉛涂層如可以承受規(guī)定的8 h以上的蒸汽老化環(huán)境，那么它就或可承受超過 12 個月的自然老化，如果測試前對樣品未加任何預(yù)處理（不做蒸汽老化），模擬的是器件不加貯存、即將被使用的可焊性狀態(tài)，如本文中的示例。

該測試只推薦用于在相應(yīng)溫度下不會熔化的BGA 焊料球和凸臺，設(shè)計的元器件焊料合金也不會在再流焊操作期間熔融，只能測試外圍的球并只能測試1.0 mm 以上節(jié)距的器件。

IPC/ECA J-STD-002C-2008 標(biāo)準(zhǔn)也提到，力度測量測試僅限用于評估，在用戶和供應(yīng)商之間沒有協(xié)議的情況下，不應(yīng)當(dāng)用作驗收/拒收標(biāo)準(zhǔn)。所以為了更有效地評估和提高BGA器件的使用可靠性，可以考慮按照實際使用的不同焊接工藝窗口完成BGA器件的焊接后，通過 X 射線檢測、金相切片、電子掃描顯微鏡檢測等手段分析焊接后的PCB板焊接質(zhì)量及可靠性。

7 結(jié)論

本文通過對BGA器件可焊性測試的原理、技術(shù)參數(shù)的分析研究，參照電子制造行業(yè)聯(lián)合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IPC/ECA J-STD-002C《元器件引線、端子、焊片、接線柱和導(dǎo)線的可焊性測試》，對 BGA 器件進(jìn)行了可焊性測試，針對BGA器件在進(jìn)行可焊性測試時所遇到的如何選用參考標(biāo)準(zhǔn)、如何判斷有鉛無鉛、關(guān)于加速蒸汽老化的目的等進(jìn)行了分析和闡述，為BGA器件的可焊性測試提出了可供參考的建議和指導(dǎo)方案。

[1]IPC/ECA J-STD-002C.Solderability Tests for Component Leads,Terminations,Lugs,Terminals and Wires[S].

[2]GB/T2423.32-2008.電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第 2 部分：試驗方法 試驗 Ta 潤濕稱量法可焊性[S].

[3]GJB7677-2012.球柵陣列（BGA)試驗方法[S].

[4]GJB 548B-2005.微電子器件試驗方法和程序[S].

[5]GJB128A-97.半導(dǎo)體分立器件試驗方法[S].

[6]GJB 360B-2009.電子及電氣元件試驗方法[S].

Wetting Balance Test for BGA Devices

MA Qingtao,WANG Bochun,ZHOU Chunling
（No.4 Institute Components Reliability Sub-centers of China Aerospace Science ＆ Industry Corp., Xiaogan 432000,China）

In orderto reduce the loss and recurrence difficulty as much as possible,itis necessary to do much experiments ortests to ensure the quality and reliability ofthe electronic components in military weapon system, especially before the whole system is completely loaded.Wetting Balance Testis an importantmethod used to judge the specifications such as the interface soldering properties and coplanarity properties.Itis very important to test the solderability of the electronic components for the detection and analysis department.The paper analyzes the problems occurred during the test of BGA device and provides some suggestions on Wetting Balance Testcovering standards and precautions.

Wetting Balance Test;BGA;leaded;lead-free

TN606

A

1681-1070 （2017）06-0005-05

馬清桃（1972—），女，湖北宜昌人，湖北工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士，高級工程師，現(xiàn)在中國航天科工集團(tuán)第四研究院從事電子元器件篩選檢測工作。

2017-3-17