王思敏 賈巧燕 何欣諭

中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 陜西西安 710077

球柵陣列封裝(BGA)器件由于其高互連密度、優(yōu)異的電性能等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于軍事和航空航天電子設(shè)備中。BGA器件的焊點開裂問題讓大家意識到印制電路板(PCB)上的焊盤尺寸必須與元器件的錫球尺寸在一定范圍內(nèi)相匹配。不同封裝的BGA對應(yīng)不同的PCB設(shè)計規(guī)則，PCB設(shè)計時焊盤尺寸應(yīng)按照塑料球柵陣列(PBGA)器件的低鉛(Sn63Pb37)錫球直徑縮小15%～25%，但對于陶瓷球柵陣列(CBGA)器件來說，PCB設(shè)計時焊盤尺寸應(yīng)按照高鉛(Sn10Pb90)錫球直徑擴大5%～15%，即CBGA器件應(yīng)焊接在大焊盤上。

本文主要解決選用CBGA器件時，焊盤設(shè)計與器件不匹配情況下的焊接工藝難題，通過對比“低鉛錫球—小焊盤”“高鉛錫球—小焊盤”兩種工藝狀態(tài)的焊點在溫度循環(huán)(-55～+100℃、變溫速率10℃/s)條件下的焊點可靠性，通過對比驗證適用于小焊盤焊接CBGA的焊接工藝。

1 CBGA焊點可靠性影響因素

熱膨脹系數(shù)是度量固體材料熱膨脹程度的物理量，是單位長度、單位體積的物體，溫度升高1℃時，其長度或體積的相對變化量。CBGA器件陶瓷基體與有機基PCB材料的膨脹特性不同，陶瓷基板熱膨脹系數(shù)為7.5×10-6/℃，與FR4基板熱膨脹系數(shù)(17.5×10-6/℃)嚴重不匹配，在高低溫環(huán)境中使用時，熱膨脹系數(shù)不匹配會導(dǎo)致二者有相對變形，并且溫度越高變形越大。在溫度循環(huán)等環(huán)境試驗中熱失配將導(dǎo)致焊點發(fā)生開裂，引發(fā)器件失效[1-2]。

材料因溫度變化而引起的形變量為[3]：

ΔL=α×ΔT×L

(1)

式中：α為材料熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化；L為原始材料長度。因此CBGA器件變形量與器件尺寸呈正相關(guān)關(guān)系。

研究證明，焊點高度顯著影響焊點可靠性，焊點高度越高，焊點可靠性越好。相同封裝下高度分別為0.40mm、0.75mm的錫球與高度為2.30mm的錫柱的疲勞壽命比值是1∶4∶45，將錫球改換為錫柱可有效緩解CBGA器件與FR4基板之間的熱失配[4]。CBGA一般采用高鉛(Sn10Pb90)錫球，熔區(qū)大約在270～300℃，在進行有鉛工藝焊接時，錫球不會熔化。因此，與塑料球柵陣列封裝(PBGA)器件的焊點高度相比，CBGA焊點高度較高，可以有效緩解焊點在變溫條件下承受的內(nèi)應(yīng)力，從而改善焊接可靠性。

焊接CBGA時，錫膏量的多少決定了錫膏與錫球的接觸面積，即有效焊接面積，當(dāng)有效焊接面積增加大，錫膏與錫球之間的結(jié)合力越大，同時較大的焊接面積，可以有效降低焊點的內(nèi)應(yīng)力。因此為保證錫膏量，當(dāng)PCB焊盤尺寸一定時，CBGA器件對應(yīng)位置的錫膏印刷網(wǎng)板開孔比例一般是1∶1。PCB焊盤尺寸決定了錫膏量，所以CBGA器件應(yīng)焊接在大焊盤上。

綜上所述，影響CBGA器件焊點可靠性的主要因素為器件熱膨脹系數(shù)、器件尺寸、焊盤設(shè)計、焊點高度和錫膏量。在CBGA器件型號指定、PCB焊盤尺寸一定、錫膏印刷網(wǎng)板設(shè)計相同的情況下，焊點可靠性取決于錫球成分。目前仍存在部分已定型的產(chǎn)品中CBGA器件對應(yīng)的PCB為小焊盤設(shè)計，以往從焊盤設(shè)計與錫球相匹配的角度出發(fā)，采用將CBGA原有的高鉛球鏟掉重新植上低鉛球的焊接工藝，但低鉛錫球在回流焊接過程發(fā)生熔融，從而使焊點高度降低，這不利于焊點可靠性。在本文中，我們開展了驗證實驗，證明“高鉛錫球—小焊盤”工藝可以有效改善小焊盤焊接CBGA的可靠性。

2 試驗方案

本試驗選用陶瓷封裝的菊花鏈測試芯片，以有效檢測焊點的互連狀態(tài)，焊盤與焊盤之間的連線關(guān)系根據(jù)器件進行設(shè)計，保證器件和焊盤之間形成菊花鏈路，菊花鏈路示意圖見圖1。

本試驗所用菊花鏈測試芯片的陶瓷基體熱膨脹系數(shù)為5.6×10-6/℃，與一般CBGA芯片的熱膨脹系數(shù)相近，錫球成分為Sn10Pb90。本試驗設(shè)計了兩種狀態(tài)，每種狀態(tài)各兩塊驗證板，每塊驗證板上焊接兩種尺寸不同的菊花鏈測試芯片，25mm×25mm和33mm×33mm的芯片各一個，驗證板外形見圖2。尺寸為25mm×25mm的芯片錫球數(shù)量為360(以下稱為CBGA360)，尺寸為33mm×33mm的芯片錫球數(shù)量為1023(以下稱為CBGA1023)，詳細的驗證狀態(tài)見表1。由于33mm×33mm菊花鏈測試芯片尺寸較大，為提高可靠性，本試驗對33mm×33mm尺寸的器件四角進行“L”型點膠。

圖2 驗證板外形圖

表1 驗證件狀態(tài)(單位mm)

溫度循環(huán)試驗條件按照ECSS標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[5]，即溫度循環(huán)范圍為-55～100℃，溫變速率為10℃/min，極值溫度保持時間為15min，單次循環(huán)用時61min。溫度循環(huán)曲線如圖3所示。溫度循環(huán)過程中通過持續(xù)監(jiān)測鏈路的電阻變化來檢測焊點是否失效。以常溫下的阻值為基準(zhǔn)值，阻值連續(xù)5次超過基準(zhǔn)值則認為焊點失效。

圖3 溫度循環(huán)曲線示意圖

3 試驗過程

錫膏印刷完成后，使用20倍放大鏡檢查印刷結(jié)果，結(jié)果顯示錫膏印刷無漏印、橋連、少錫。樣件制作過程使用標(biāo)準(zhǔn)的表面組裝技術(shù)專用設(shè)備和工藝將CBGA封裝組裝到印制電路板上。

回流焊接溫度曲線設(shè)置能夠顯著影響焊接分界面上金屬間化合物的形成。不同模塊應(yīng)器件選用及布局特點選擇合適的加熱溫度、時間和速度，確保模塊上所有元器件的焊點溫度均符合要求。因此，在驗證組件板回流焊接前，進行了溫度曲線確認，以保證驗證板上的CBGA錫球與錫膏充分潤濕。按照IPC-7095《BGA設(shè)計及組裝工藝實施》標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，在驗證樣板上對應(yīng)芯片焊球處布置熱電偶，熱電偶布局示意如圖4所示，使用專用溫度測量工具對回流曲線進行了確認，試驗所用焊膏的參考回流曲線設(shè)置要求如圖5所示。

圖4 熱電偶安裝示意圖

圖5 回流曲線設(shè)置要求

對焊接完成的8只樣件進行了光學(xué)檢測及X光檢測，在40倍放大鏡下檢查焊點，焊點光亮、潤濕良好，焊點照片見圖6，X光檢測結(jié)果均正常，無橋連現(xiàn)象，器件照片見圖7。

(a)：A1-CBGA360

(a)：A1-CBGA360

4 結(jié)果分析

根據(jù)失效定義，電阻值連續(xù)5次超過基準(zhǔn)值20%為失效。按此要求進行如下計算：

(1)依據(jù)基準(zhǔn)值計算根據(jù)計數(shù)次數(shù)與循環(huán)周期之間的關(guān)系，篩選出常溫時對應(yīng)的阻值；

(2)篩選出阻值超過基準(zhǔn)值120%的數(shù)據(jù)點；

(3)定位連續(xù)5次超過基準(zhǔn)值120%的數(shù)據(jù)點，以這5個數(shù)據(jù)點的起始點算失效周期。

每5s計一次阻值，故計數(shù)次數(shù)與時間對應(yīng)關(guān)系為：

(2)

單次溫度循環(huán)用時為61min，故：

(3)

由此推算出失效周期計算公式：

(4)

表2 阻值測試結(jié)果

由表2可知，對于尺寸為25mm×25mm和33mm×33mm的CBGA器件來說，狀態(tài)2器件的焊接可靠性均遠遠優(yōu)于狀態(tài)1器件的焊接可靠性。

結(jié)語

綜上所述，本試驗通過對“高鉛焊球—小焊盤”與“低鉛焊球—小焊盤”兩種焊接狀態(tài)的樣件進行溫度循環(huán)測試，并對其可靠性進行驗證，結(jié)果表明“高鉛焊球—小焊盤”焊接工藝制作的樣件在長時間溫度循環(huán)條件下的焊點可靠性優(yōu)于“低鉛焊球—小焊盤”的焊接狀態(tài)的焊點可靠性?？傊?，本文證明“高鉛錫球—小焊盤”工藝可以有效改善小焊盤焊接CBGA的可靠性，為印制板組件的制作提供了實驗數(shù)據(jù)支撐與理論分析。