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带散热凸台BGA的焊接问题研究

时间:2014-03-31 16:28:25 来源:鼎华科技 点击: 2488次

带散热凸台的BGA是一种新近出现的BGA封装 式,其特点是在BGA封装的底部中间位置(芯 部)加有一个散热的铜块,主要用于高功耗器 件的封装,如图1所示。由于它目前还没有统一的名称,在本文中我们将其称为Slug-BGA

由于底部散热凸台的支撑作用,在焊接过程中,Slug- BGA封装体相对于一般的PBGA不能自由的伸缩,冷却时会产 生较大的应力,位于边缘处的焊点很容易拉裂,如图2所示。

一般BGA的焊接过程

BGA的焊接与一般器件的焊接有所不同,存在两个特殊的热过程:两次塌落与热变形。

: 两次塌落

BGA焊接时,先是焊膏熔化并塌落,然后焊球熔化并 二次塌落。许多的试验证明,只有发生二次塌落,BGA 能实现自动校准和焊膏焊球成分的融合,这就需要合适的温度与焊接时间。

: 热变形

BGA来说,焊接加热时总是BGA表面先被加热,接 下来是封装体被加热,最后才是焊点被加热并最终熔化, 冷却时则相反。这样的加热过程必然导致升温时BGA的顶 部比底部温度高,因而向上弓曲,冷却时,则是顶部比底 部的温度低,因而四角上翘,如图3所示。也就是BGA进行 回流焊接时存在一个热胀冷缩的变形过程。由于BGA器件 I/O端是以焊球形式存在并布局在封装体的底部,在焊接 过程中,封装体的形变必然影响到焊点的形成过程,特别 BGA的周边焊点。

这两次的变形都发生在温度变化比较快的阶段,不管 上弓还是四角上翘,他们都发生在焊接过程中。对一般的 PBGA而言,焊接完成后BGA会基本恢复到焊接前的状态, 也就是封装体仍然会基本平整。但对Slug-BGA而言,由于 其芯部存在散热凸台,冷却时芯部不能自由收缩,焊接完 成后热变形不能完全恢复;焊点,特别是靠近BGA四边的 焊点就会存在一些应力。如果焊接时,BGA封装体还没有 完全达到热平衡状态就转入冷却阶段,这时的应力就会很大,在冷却时有可能使焊点发生断裂。

Slug-BGA的焊接问题

Slug-BGA焊接时容易发生两个问题:

一是焊接温度不够,达不到二次塌落的温度。这样, 焊点在凝固时焊球仍处于半固半液的糊状形态,焊点 很容易发生断裂。

二是焊接时间不够,准确地说是Slug-BGA达到峰值温 度后的停留时间不够,Slug-BGA封装的变形还没有恢复, 仍处于芯部上弓的状态。如果这时进入冷却阶段,在四角 上翘拉力和芯部散热凸台向下的双重作用下,焊点很容易拉断。即使没有拉断,焊点由于受到很大的应力,对长期 可靠性是不利的!图4为一个Slug-BGA焊接后所做的一个 切片图,我们可以看到越靠边缘处的焊点高度越小,越靠 散热凸台的焊点高度越大,在系列试验中的最大高度差达 到焊点平均高度的三分之一。

对策

为了消除Slug-BGA存在的焊点断裂现象,必须注意两点:

一是焊接温度必须足够,达到二次塌落的最低温度要 求;二是焊接的时间必须足够,准确地说,就是比峰值温 度小5℃以上的回流焊接时间必须足够,如图5所示。厂家推荐TP10-20s

一般工艺条件下,只要按照厂家推荐的工艺条件即能 实现良好的焊接。但这里要提醒的是,必须严格实施完全 的锡铅焊接或无铅焊接工艺。如采用的是无铅BGA返修台,焊接 又采用的是锡铅焊膏,要特别地注意!决不能以锡铅焊膏 的工艺条件进行焊接,必须适当提高焊接的温度、延长焊 接的时间,以满足二次塌落和变形恢复的条件。这是正确 进行Slug-BGA焊接的要领,也是所有BGA焊接温度曲线设 计的依据。 EM


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