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BGA 印制板组装设计的工艺性

时间:2013-08-17 10:20:25 来源:鼎华科技 点击: 3214次

 

印制板组装设计的工艺性


   
通常,采用无铅焊料的BGA的印制板组装设计与常用的锡铅焊料的印制板设计规则极为相同。可将锡铅(SnPb)印制板采用的可制造性设计(DFM)规则和指南用于无铅印制板设计中去。这些包括考虑元件方向、焊接、导通孔、阻焊剂、可返修性和可测试性。其中一些因素在下面详述。
 BGA
焊盘图形设计:与SnPbl BGA组装焊接一样,常用于SnAgCu焊接的BGA焊盘类型是选用非阻焊剂定义焊盘(NSMD),的设计,不是阻焊剂定义焊盘(SMD),这样给印制板设计人员具有很大的灵活性,且阻焊层施加在焊点上的应力也较小。
 
元件在PCB上的贴装位置:SnAgCu焊料合金要求再流焊过程采用较高的温度进行再流焊接,贴装面积较大、对温度敏感的BGA器件需要认真地对待。通常,印制板近边缘区域的温度要比中心区域高5-15,取决于印制板尺寸、厚度和层数。大的封装更容易吸湿,在经历较高的再流温度时,可能出现热应力诱导的缺陷。这类封装,如果可能的话,应尽量布置在印制板的中心区域。考虑到一些其它因素如;导线的可布局性和导线密度,需要将较大尺寸的BGA器件安置在印制板边缘区域贴装,在这种情况下,再流焊接工艺窗口保持BGA器件置于低于极限值的可接受最高温度的调节范围是很窄的。l
 
再流焊接工艺的考虑
SMT
再流焊接通常是在强热风对流的再流焊炉中完成的。与SnPb焊料比较,尽管需要较高的再流温度来熔融SnAgCu焊料,但是无铅再流焊接也可以不需要更新设备来实现。可将以往SnPb焊料使用的焊炉进行适当改进,提高的温度设置值,多温度加热区的无铅再流炉。
焊炉炉道气氛环境可以是自然气氛,或者是惰性气氛,如氮气。对于无铅焊接,在高温焊接操作过程中,要降低板组装上材料的氧化物,建议使用惰性气氛。某些印制板表面镀层,如有机可焊性保护(OSP)涂层在再流焊接过程中要求使用惰性气氛,以达到可接受的焊点质量等级。
通常,焊膏制造商推荐的再流焊接曲线是为所有印制板组装开发的。由于SnAgCu无铅焊料要求较高的再流焊接温度,所以确定印制板上不同位置的温度是很重要的。各种元器件的实际温度可能是不同的,这是与元件周边、印制板上元器件的安装位置和组装密度等因素相关。
为了防止塑料封装器件出现吸湿和热机械应力诱导的缺陷,最好是测量器件体的温度进行检查,以保证器件温度没有超过额定的最高温度。因此可将测量温度的热电偶连接到印制板组装的器件,测量在再流焊接过程中,焊点和不同元器件体的实际温度。通常,大型尺寸的器件,其引脚/焊料球与器件塑压物之间的温差大于5
12BGA焊点的一般的SnAgCu无铅再流曲线与SnPb再流曲线进行了比较。
有四个不同的再流温度区:预热区,在这个区段,焊膏组分中的有机挥发成分演变;活化区段,整个印制板的温度达到均衡,焊剂开始活化;再流区,在这个区段,焊料合金熔融、润湿焊盘表面和形成焊点;冷却区,这个区段,焊料凝结固化,印制板组件从再流焊炉道中传送出,通过风扇强制对流气体使印制板冷却。
 
由于在焊料再流前,要经过焊剂活化后才能实施下一步加热工艺。另一种再流焊曲线,也称之为线性的升温曲线,这个曲线可从预热区段向再流焊接区段渐进升温。再流炉的这些升温曲线提高了印制板组装量。需要防止元器件温度过高,特别是近印制板边缘区。
BGA
无铅焊点的外观
BGA
焊点被其封装体遮蔽,然而借助专用的显微镜,如内窥镜,可以看到周边的焊点。SnAgCu焊点显微结构是多相显微结构,焊点表面看上去很粗糙。图13所示是典型的SnAgCu BGA焊点。这与SnPb BGA焊点有很大差别,SnPb BGA焊点表面是光亮的。
 
无铅技术的实施
   
SnPb焊接系统转向完全无铅焊接系统应该讲不是件容易事,期间将有一个中间过渡过程,在这个过程中的某一阶段,印制板的SnPb焊料和无铅焊料将共存组装,因为在电子制造工业的各个环节在时间和技术方面的准备不是同步进行的。过渡阶段要求对使用SnAgCu无铅焊接工艺,可能产生对焊点的质量和可靠性的影响进行评估。
4列出了在过渡时期可能使用的各种无铅板组装形式;
4 可能使用的无铅组装形式
定义 元器件焊端/引脚 焊膏 印制板表面镀层
正向(印制板和元件无铅,焊料含铅)兼容 含铅 无铅 可能含铅
反向(印制板、元器件含铅,焊料无铅)兼容 无铅 63Sn37Pb 可能含铅
完全无铅 无铅 无铅 无铅

上表中列出的第一项无铅印制板组装是正向兼容,印制板组装焊接工艺是改变焊膏成分和再流焊接曲线,以适应这种变化,从而过渡到无铅技术。然而,某些元器件,如焊接到印制板上的BGA器件,仍使用SnPb焊料球引脚,这是因为元器件供应商的无铅过渡期限规定是落在印制板组装的过渡规定期限的后面。这样就使得BGA器件的SnPb焊球引脚成为被无铅合金焊膏铅污染的源头。
第二项无铅板组装是反向兼容。反向兼容是在元器件供应商推出无铅元器件时而制定的一种方案,但是并不是所有使用这类元器件的印制板组装厂家都将其印制板组装线转换成无铅技术。这些组装厂家仍将用共晶SnPb焊膏和SnPb再流焊接曲线焊接无铅元件。 在这种情况下,显然最好是使用SnPb元器件,但是由于经济方面的种种原因,元件供应商不愿意为相同的器件引用两条元器件生产线,即一条用于SnPb,另一条用于无铅。采用组合材料形成的焊点在BGA类型的元器件的无铅焊料球中会出现Pb“杂质
 
图中文字:完全无铅   反向兼容     温度     T SnPb熔融   TSnAgCu熔融   
  
IMC
 
由含铅与无铅两种材料混合组装形成的焊点将对BGA无铅球引脚焊点产生有铅污染问题.BGA无铅SnAgCu球引脚器件使用SnPb 焊膏进行组装时,根据使用的再流曲线,采用两种不同的方案。图14所示是两个再流曲线的比较,也对完全无铅再流曲线进行了比较。
现今用于的SnPb组装的SnPb再流焊工艺曲线,未达到SnAgCu球引脚的熔点温度,,结果将对焊接产能及可靠性构成不利影响。
  
在印制板上的SnPb 焊膏熔融,但是BGA器件的 SnAgCu球引脚仍然未熔融。铅通过球引脚合金的晶界扩散,铅扩散进入SnAgCu的深度取决于再流温度及SnPb 焊膏合金的熔融时间长短。如图15所示,使用SnPb焊膏组装BGA 器件SnAgCu球引脚,形成的焊点显微结构是非匀质与不稳定的。这对焊点可靠性产生有害的影响,且对焊点的产能也造成不利的影响,其理由是,在再流焊过程因为SnAgCu合金未完全熔融,球引脚的不良的自对准功能,器件可能未对准焊盘造成开路缺陷。其二是,,因焊膏与球引脚间无接触,这些无熔塌的球引脚可能造成焊点开路。
 
为达到最好的焊点产能及可靠性,可使用图14所设计的反向兼容再流焊曲线。采用这种再流焊工艺曲线,SnAgCu合金球引脚也能熔融,SnPb熔融合金中的铅与熔融的SnAgCu合金球引脚完全混合,产生在Sn内形成匀质,精细的富铅相。此显微结构如图16所示;而且因为SnAgCu 球引脚熔融塌落,器件的自对准过程及共面性的问题得到改善,提高BGA 器件的焊点产能。
 
16用反向兼容再流焊接曲线和SnPb焊膏组装到板上的
BGA SnAgCu
焊料球的断层显微图片。SnAgCu焊料球熔融。
 
组装工艺可靠性的设计(DfR   
  
改善球阵列器件组装可靠性,采取的DfR措施有;
1
 调整CTE,降低球引脚热膨胀失配。
2
 提高焊点支承高度,补偿球引脚热膨胀失配。
    DfR
措施旨在实现高可靠性,还包括下面几点:
3
 通过使用相应的器件底层填料的方法,排除球引脚热膨胀失配的影响。
4
 选择软芯片连接,以降低芯片低CTE2.7-2.8ppm/)对球引脚和局部热膨胀失配的影响。
调整CTE包括选择材料或多层板和/或元器件的材料组合,以便达到最佳的CTE。有源器件功耗的最佳CTE 是~1-3ppm/(取决于功耗),无源元件的功耗为0 ppm/。当然,一个印制板组件上有许多元器件,所有元器件都实现完全优化的CTE是不可能的,需要对存在可靠性的可能性最大的元器件进行优化。对于要求气密封装的军用领域,要使用陶瓷元器件,调整CTE意味着对多层板的CTE提出要求,如可戈合金和石墨纤维或铜-镍铁合金-铜和铜--铜这类材料。对于多数商用电子产品来说,成本太高。可以选用玻璃环氧树脂或玻璃聚酰亚胺多层板的材料。因此,CTE的调整必须尽可能不使用较大尺寸器件,如陶瓷的(CGAMCM)、合金引脚框(TSOPSOT)或刚性键合硅芯片(PBGA)的塑料封装。
提高无铅焊接的顺允性意味着提高焊点高度(C4C5、充填、胶粘,10Sn90Pb焊料柱引脚)或器件转换到引脚焊接技术。对于有引脚的焊接,提高引脚的顺允性意味着更换元件供应商或改用细间距技术。
DfR
需要强调物理故障方面,不能忽视故障的统计分布方法(属性)。这种过程包括下面几个步骤:
A
.确认可靠性要求——期望的设计寿命和在设计寿命结束时可接受的累积故障概率。
B.
确认负载条件——使用环境(例如;IPC-SM-785)与功耗产生的温度梯度,这些因素可能变化或产生大量的小循环。
C.
确认/选择组装结构——元器件和基板选择、材料特性(例如;CTE)和焊接的几何形状。
D.
评估可靠性——确定组装设计的可靠性和使用本节的方法或其它适用技术,比较可靠性要求。
E
.平衡性能、成本和可靠性要求。
    SMT
组装可靠性测试
SMT
组装的可靠性测试应按照IPC-SM-785标准(即SMT焊装的可靠性加速测试指南)得规定进行。然而,散热量大的大尺寸元器件,非对称结构的元器件及小尺寸焊料球的CTE失配,温度循环测试不足以提供所需要的信息,全功能循环测试方法应包括外部温度和内部功率循环这是有必要的。
 
可靠性测试筛选程序
 
焊点缺陷l
   
涉及到可靠性最大的焊点缺陷是在不论任何原因导致的润湿不充分。适当润湿的焊点具有足够的强度,即使在严重的机械以及热循环负载条件下,焊点的可靠性不会下降。然而润湿不良的焊点,由于机械和热循环负载条件下,焊点往往会过早地失效。
   
通常,认为焊点中的空洞对可靠性不构成威胁。可能的异常现象是大的空洞,减少焊点截面积,导致焊点的导热功能下降。在高频应用中的空洞会也将导致信号传输中断。
非熔塌焊料球BGA器件(高温焊料90%Pb10%Sn,熔点为302),因为在再流焊接过程中焊料球从不熔融,一般很少或没有诱导空洞的现象,。
 
测试结果筛选l
   
有效的测试筛选程序需能够对潜在缺陷的焊点造成暴露,(即;焊点润湿不充分,不能对高质量焊点造成明显损坏)。
   
最好的测试筛选方法是随机振动(10-20min6-10g),在低温条件下如;40。除焊接强度不足的焊点,这种负载不会损坏良好的焊点。
   
热冲击试验也是一种成功的筛选方法,但可能对良好焊点造成某些损坏,特别是较大尺寸的器件

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