BGA红外植球技术.pdf

2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第3期55摘要：BGA（Ball Grid Array），即球栅阵列封装，是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的I/O端与印刷线路板(PCB)互联，广泛应用于各类PCBA中。采用田口方法开展试验设计，对一类球栅阵列封装器件植球方法进行了研究，通过评估焊点推力和焊接界面金属间化合物厚度等参数响应，获得了组装工艺参数对BGA器件植球特征的影响规律。关键词：BGA；红外植球；田口方法中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0055-05Abstract:BGA(Ball Grid Array)is made make array solder balls at the bottom of the package substrate as the I/O end of the circuit to interconnect with the printed circuit board,which is widely used in all kinds of PCBA.Taguchi method is used to carry out experimental design,and the ball planting method for a class of ball grid array packaging devices is studied.By evaluating the response of parameters such as the solder joint thrust and the thickness of intermetallic compounds,the infl uence of assembly process parameters on the planting ball characteristics of BGA packaging devices is obtained.Keywords:BGA;infrared ball planting;Taguchi methodDocument Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0055-05BGA红外植球技术Infrared Ball Planting Technology for BGA符云峰，侯星珍，徐小娟，李小平，周凤龙FU Yunfeng,HOU Xingzhen,XU Xiaojuan,LI Xiaoping,ZHOU Fenglong（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036）(The 29th Research Institute of CETC,Chengdu 610036,China)0 引言目前，对BGA的植球1一般采用热板加热的方式，其加热原理如图1所示，基体与热板接触，通过热传导方式传热，加热时基体温度要大于植球焊盘温度。红外加热方式植球的加热原理如图2所示，通过焊球上方热辐射方式进行加热，基体受热影响温度要低于焊球。作者简介：符云峰（1 9 8 5-），男，毕业于电子科技大学，主要从事电子装联工艺的工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.015图1 热板植球加热原理图2 红外植球加热原理S i P 基体焊盘焊球T 21T 1S i P 基体焊盘焊球T 21T 12023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology56从对BGA器件内部焊点的影响评估可以看出，红外加热对内部器材的热影响要小于热板植球加热方式。另外一方面，BGA组装在使用过程中焊球在元器件一侧的连接存在较大的应力集中情况，如不能采用精确可控的组装方法进行植球焊接，会产生如图3所示的BGA元器件端一侧断裂缺陷，影响产品可靠性2-3。图3 B G A“断头”失效行为综上，本文通过田口方法开展试验设计，对BGA红外植球方法进行优化，基于红外加热原理进行BGA类元器件植球方法研究，使得植球器件下表面（非植球面）峰值温度小于150，降低植球温度对整个BGA基体的影响，提高BGA器件使用可靠性。1 试验方案设计本研究采用田口方法进行BGA红外植球工艺优化试验设计，详细试验优化参数选择为：1）焊接介质。BGA植球存在预涂助焊剂与印刷焊膏植球两种方式，确定焊接介质对BGA植球影响，该项目作为2水平因素优化。2）IRS选项。对不同的元器件类型红外返修台提供了三个选项：Light-S、Light-B、Light-shiny 应对不同的元器件表面颜色及质量，直接影响到红外加热源的温度与波长，该因素作为3水平因素优化。3）能量级。影响上部加热区与底部加热区的热功率分配，需要优化该选项设置与加热过程匹配，因此该因素作为3水平因素优化。4）加热头位置。影响红外热源与接收体元器件之间的距离，对红外加热效率有影响，因此该因素作为3水平因素优化。5）峰值温度。峰值温度值影响焊接过程的能量输入，影响化合物生成和扩散的激活能，因此该因素作为3水平因素优化。6）回流时间。为焊料液相线以上时间（即焊料融化时间）影响金属间化合物形态与厚度，因此该因素作为3水平因素优化。7）风冷速率。风冷速率影响焊料凝固过程，影响最终焊料力学性能，因此该因素作为3水平因素优化。8）底部动态控温温度。红外返修台具有底部动态控温功能，即在实时温度监控超过预定温度时停止加热，以减少对BGA植球面温度影响。因此该因素作为3水平因素优化。试验参数优化方案见表1。表1 L 1 8 试验方案设计表运行序焊接介质I R S 波长能量级加热头位置峰值温度/回流时间/s风冷速率底部动态控温温度/1 助焊剂 L i g h t-S96 0%1 9 03 0L1 4 02 助焊剂 L i g h t-B 1 16 0%2 1 06 0M1 6 03 助焊剂L i g h t-S h i n y1 36 0%2 3 09 0H1 8 04 助焊剂 L i g h t-S98 0%2 1 06 0H1 8 05 助焊剂 L i g h t-B 1 18 0%2 3 09 0L1 4 06 助焊剂L i g h t-S h i n y1 38 0%1 9 03 0M1 6 07 助焊剂 L i g h t-S 1 1 1 0 0%1 9 09 0M1 8 08 助焊剂 L i g h t-B 1 3 1 0 0%2 1 03 0H1 4 09 助焊剂L i g h t-S h i n y91 0 0%2 3 06 0L1 6 01 0焊膏L i g h t-S 1 36 0%2 3 06 0M1 4 01 1焊膏L i g h t-B96 0%1 9 09 0H1 6 01 2焊膏L i g h t-S h i n y1 16 0%2 1 03 0L1 8 01 3焊膏L i g h t-S 1 18 0%2 3 03 0H1 6 01 4焊膏L i g h t-B 1 38 0%1 9 06 0L1 8 01 5焊膏L i g h t-S h i n y98 0%2 1 09 0M1 4 01 6焊膏L i g h t-S 1 3 1 0 0%2 1 09 0L1 6 01 7焊膏L i g h t-B91 0 0%2 3 03 0M1 8 01 8焊膏L i g h t-S h i n y1 1 1 0 0%1 9 06 0H1 4 0试验方设计后确认田口方法评估的主效应参数为：P1：焊点推力，是评估焊接效果的重要手段之一，可以从宏观上评估焊接效果及可靠性；P2：焊料球力学性能，焊料球弹性模量影响后续BGA焊点在使用过程中的抗变形能力，因此通过推力试验中BGA焊球断口位置及形貌判定BGA焊球力学性能；P3：界面间化合物厚度及形态，金属间化合物是判定焊接效果的最有效手段，因此通过金相剖切手段，采用SEM扫描电镜观测金属间化合物形态。最终确定本次试验的主效应汇总见表2。表2 田口试验主效应表序号评估内容属性值P 1焊点推力望大/P 2焊球力学性能望小/P 3金属间化合物望目1 3 m2 试验过程BGA红外植球过程如图4所示，首先预涂助焊剂或印刷焊膏再预置BGA焊球，最后调整红外加热参数装夹待焊BGA，并使用相应的红外加热设备完成第44卷第3期57表4 P 3 断裂指数表断口断裂指数脆性断裂1.0混合断裂0.5延性断裂0.0表3 P 1 推力测量结果 单位：c N运行序ABCDEFGHY 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y 81111111111 1 7 3.01 1 5 8.01 1 8 7.61 2 2 2.81 2 4 7.91 2 3 9.71 4 1 2.61 2 9 0.52122122221 2 7 2.01 2 3 2.21 2 3 1.41 2 4 5.01 2 3 8.91 2 4 1.61 3 4 8.91 2 1 8.63133133331 1 1 9.91 1 9 0.41 2 5 2.01 2 0 7.61 2 2 5.11 3 0 4.91 2 2 8.51 1 5 3.54111222331 1 4 6.91 1 4 3.11 1 3 1.11 1 4 7.31 1 1 8.81 1 5 6.11 1 8 2.31 1 6 5.35122233111 0 6 8.81 1 0 0.01 0 9 6.91 1 4 2.11 2 5 6.61 2 1 6.31 1 9 2.01 2 3 6.96133211221 7 1 3.71 2 5 0.11 2 6 9.21 2 1 3.81 2 2 2.11 2 0 6.41 2 3 2.91 2 4 9.27112313231 1 9 8.21 1 7 9.71 2 0 1.71 1 9 1.21 1 8 5.01 2 1 4.11 2 0 5.51 2 2 7.48123321318 8 7.79 9 9.59 8 5.99 9 1.41 0 5 2.11 1 3 8.11 1 8 0.51 0 3 3.29131332121 1 1 8.51 1 5 9.21 1 5 7.11 2 1 4.71 1 6 4.01 1 4 8.51 1 8 2.11 2 8 4.91 0213132211 0 4 3.71 0 7 0.11 1 1 3.41 1 0 1.51 2 2 4.21 1 3 3.11 1 7 5.31 1 6 1.01 1221113321 1 9 1.51 1 6 3.11 2 7 2.01 1 8 3.61 1 8 7.51 2 4 0.91 2 5 6.41 2 1 1.21 2232121131 1 1 4.51 2 3 3.81 2 0 4.71 1 4 9.31 1 4 2.51 2 1 6.31 2 2 3.11 1 9 4.31 3212231321 1 5 2.51 1 7 0.71 1 8 2.71 2 2 4.81 1 6 6.41 2 8 0.51 1 8 2.41 2 2 7.51 4223212131 1 7 4.71 1 8 1.71 2 0 8.51 1 9 6.11 1 6 4.81 2 9 3.81 1 7 2.31 1 7 2.11 5231223211 1 4 0.21 1 7 2.01 2 1 1.61 2 0 1.31 1 8 9.51 1 7 0.41 2 3 1.61 1 9 9.61 6213323121 1 3 0.71 1 8 9.81 1 7 6.21 1 5 0.11 2 2 8.41 1 7 0.71 3 1 3.51 1 9 3.81 7221331231 1 0 5.61 2 1 2.61 2 6 3.51 1 3 2.01 2 1 3.51 2 3 0.91 2 1 0.81 1 3 5.81 8232312311 2 7 5.01 1 6 4.81 2 8 2.71 1 9 1.41 3 0 9.81 2 6 9.91 2 2 7.21 0 9 5.1图4 红外植球过程图5 P 1 主效应信噪比图6 B G A 焊球推力断口形态植球过程。根据试验方案，按以上方式完成田口试验预设的18组工艺试验后，对每组数据进行整理分析、对比和总结，对各主效应的情况进行分析。P1：焊点推力对完成红外植球后的BGA器件进行二次回流焊接后（用于模拟装配在组件后的状态），随机对每组试验条件下的至少8个焊球进行推力测试，记录详细推力值待分析，完成推力测试后的数据见表3。对数据按田口方法进行信噪比（S/N）望大特性分析：（1）如图5所示，通过分析主效应图可以发现信噪比最大的为IRS波长选项，最优值为 A2、B3、C2、D1、E1、F3、G2、H2，其中影响因子最明显为E，即峰值温度选项设置选择190，其余影响较小仅作参考，可根据其他试验序列微调。所示的三种断口模式。自定义断裂指数表征焊点结构的断裂行为趋势，定义见表4。按田口方法进行信噪比（S/N）望小特定分析(即拟定断口延性断裂断口更优)，过统计的断口指数，取平均值之后的综合断裂指数见表5。分析主效用图结果如图7所示。通过图中可以发现信噪比最大的为峰值温度选项，最优值为 A1、B2、C3、D1、E1、F1、G3、H1。其中影响因子最明显为E，即峰值温度选项设置选择190，回流时间(F)选择30 s，其余影响较小仅作参考可根据其他试验序列调整。加热头位置底部动态控温温度风冷速率回流时间峰值温度能量级I R S 波长焊接介质P2：焊料球力学性能。对BGA焊球推力断口进行分析，经过统计有图6符云峰，等：B G A 红外植球技术2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology58图9 P 3 金属间化合物厚度表5 P 2 推力测量综合断口指数表表6 P 3 金属间化合物厚度汇总表单位：m运行序I MC11.0 81.0 521.0 41.2 631.0 30.9 441.0 81.3 551.1 11.1 561.0 81.0 571.2 61.3 580.9 51.1 390.4 60.6 41 00.4 60.6 41 11.2 61.3 51 20.9 51.1 31 30.7 50.8 51 41.6 21.2 41 51.0 44.0 41 61.0 44.0 41 70.7 50.8 51 81.6 21.2 4图7 P 2 主效应信噪比图1 0 P 3 金属间化合物厚度信噪比分析同时对焊接峰值温度与回流时间对焊点断口形态的影响进行分析，对植球样品按标准流程进行金相制样分析，典型焊接界面如图8所示。图8 P 2 典型焊接界面综合P2试验结果可以发现材料的断裂指数、焊接峰值温度、回流时间与焊接界面的Pb富集行为密切相关，即峰值越高、回流时间越长产生的激活能越大，将引起SnPb固溶体内的Pb脱离Sn晶格间隙束缚，产生扩散富集，由Pb原子向界面的扩散富集引起材料断裂行为的改变。P3：界面间化合物厚度及形态通过对焊点进行随机金相分析，观察金属间化合物厚度情况。分析L1L18组试验实现回流后的典型界面形态如图9所示。18组试验件金属间化合物厚度汇总分析，统计结果见表6，同时分析出的主效应图如图10所示。按田口方法进行信噪比（S/N）望目分析：（2）信噪比最大的为峰值温度选项，最优值为A1、B2、C2、D1、E1、F1、G3、H3，其中影响因子最明显为E，即峰值温度选项设置选择190，回流时间F选择30 s、焊接介质选择助焊剂植球，其余影响较小仅作参考可根据其他试验序列调整。3 试验结果验证综合P1、P2、P3主效应分析结果最终确认的最优植球工艺参数为：A1、B2、C2、D3、E1、F1、G2、H2。对优化后的参数进行植球组装验证，设计相应的试验板，并按PCBA装配流程进行装配，验证后组装板如图11所示。运行序断口指数运行序断口指数10.01 01.020.91 10.631.01 20.841.01 31.050.91 40.760.01 51.070.01 61.080.51 71.091.01 81.0图1 1 焊膏印刷与组装实物对完成组装后的试验产品进行金相分析，详细分析结果如图12所示。加热头位置底部动态控温温度风冷速率回流时间峰值温度能量级I R S 波长焊接介质加热头位置底部动态控温温度风冷速率回流时间峰值温度能量级I R S 波长焊接介质第44卷第3期59图1 2 金相分析结果 焊接界面 焊盘侧界面 焊球侧界面可以看出组装后BGA焊接界面良好，在器件侧与印制板焊盘侧形成均匀的、厚度适中的、为2.47 m与1.71 m厚度的金属间化合物。4 结论综上，BGA采用红外加热方式进行植球，获得了一种参数可控的植球方法，在PCBA生产与返修活动中可以运用该方式进行植球。从振动加速度力、PCB动态弯曲位移和胶固化应力角度评估后可以得到结论为：1）植球底部加热温度控温在最高140，可以进行有效植球；2）红外植球时焊接峰值温度对植球后焊点推力影响最大；3）红外植球时焊接峰值温度和液相线以上温度时间对植球后金属间化合物层厚度影响最大；4）采用助焊剂或焊膏作为介质植球，对植球效果的影响较小。参考文献1 董义.BGA装配工艺与技术J.新技术新工艺,2011(7):10.2 刘英.SBGA器件焊点缺陷原因分析及工艺改进J.电子工艺技术,2019(5):264.3 岳帅旗,王贵化,游世娟,等.LTCC基板BGA焊接剪切强度影响因素分析J.电子工艺技术,2021(5):261.（收稿日期：2023-02-03）4 结论本文针对混合电路越来越高的功率密度与LTCC基板热导率低所带来的热管理困难的问题，提出了内嵌金属柱多层微流道结构设计，在保证基板结构可靠性的同时，可以有效提升LTCC基板的散热效率，在典型值15 W/cm2的功率密度下，可将热源温度降低至80 以下。通过散热测试数据证明，该散热结构散热效率可观，预计通过完善内嵌金属柱结构、增加冷却液流速等方法，可进一步提升基板的散热效率，满足更大功率密度混合电路的散热需求。参考文献1徐洋,余雷,张剑,等.国产LTCC微流道集成T/R组件的设计与实现J.电子工艺技术,2022,(3):131.2 MALECHA K,MAEDER T,JACP C,et al.Structuration of the low temperature co-fired ceramics(LTCC)using novel sacrificial graphite paste with PVA-propylene glycol-glycerol-water vehicle J.Microelectronics Reliability,2011,51:805.3汪鑫,刘丰满,吴鹏,等.Ka-K波段收发模块的3D系统级封装(SiP)设计J.微电子学与计算机,2017,34(8):113.4焦鸿浩,唐丽,朱思雄,等.微系统热阻模型研究及其应用J.微电子学与计算机,2022,39(12):125.5胡海霖,刘建军,张孔.基于LTCC的微流道散热技术J.电子与封装,2021,21(4):040402.6毕波.基于LTCC的微流道结构设计和优化D.西安:西安电子科技大学,2015.7李燚.某天线射频组件的LTCC微通道液冷设计J.数字化用户,2017(12):46.8刘俊超.基于LTCC微流道制作技术研究J.机械,2016(6):22.9刘晓红,孙翔宇,王飞,等.内嵌微流道LTCC基板的流动传热性研究C/中国航天科工集团第七届环境与可靠性技术交流会.贵阳:中国航天科工集团有限公司和中国航天科技集团有限公司,2019.（收稿日期：2022-12-12）（上接第3 7 页）符云峰，等：B G A 红外植球技术