球柵陣列可焊性測(cè)試

球柵陣列可焊性測(cè)試馬清桃;王伯淳;周春玲【摘要】在武器裝備系統(tǒng)中，可焊性測(cè)試是鑒定電子元器件弓I出端質(zhì)量和共面工藝等指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施.尤其在裝機(jī)前，因?yàn)榭珊感缘碾[患可能帶來(lái)無(wú)法估量的損失.在檢測(cè)分析工作中，使用什么方法正確評(píng)估電子元器件的可焊性顯得尤為重要.通過(guò)球柵陣列器件的可焊性測(cè)試方法的分析研究，對(duì)測(cè)試中遇到的問(wèn)題進(jìn)行歸納和總結(jié),以具體的示例進(jìn)行分析和驗(yàn)證，提出了BGA可焊性測(cè)試中可參考的標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)注意的問(wèn)題等，為同行業(yè)者提供指導(dǎo)和借鑒.【期刊名稱】《電子與封裝》【年（卷），期】2017（017）006【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)（P5-9）【關(guān)鍵詞】可焊性；BGA;有鉛;無(wú)鉛【作者】馬清桃;王伯淳;周春玲【作者單位】中國(guó)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;中國(guó)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;中國(guó)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【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TN606現(xiàn)代電子工業(yè)的1級(jí)封裝（芯片封裝）和2級(jí)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(cè)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(xiàng)重要指標(biāo)。如果供應(yīng)商或器件資料上不能很好地說(shuō)明可焊性測(cè)試過(guò)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(duì)印制電路板和電子元器件進(jìn)行科學(xué)的可焊性測(cè)試。通過(guò)實(shí)施可焊性測(cè)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?jī)?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(yàn)又稱潤(rùn)濕平衡測(cè)試，考量的是金屬被熔融焊料潤(rùn)濕的能力，原理是通過(guò)傳感器感知毫牛級(jí)別的微小的力，結(jié)合時(shí)間判斷爬錫的力度和潤(rùn)濕的快速性，量化評(píng)估被測(cè)樣品的可焊性優(yōu)劣，直接對(duì)電路是否可投入于生產(chǎn)或經(jīng)過(guò)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(yàn)，國(guó)家和軍工系統(tǒng)有相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如對(duì)于半導(dǎo)體分立器件其可焊性試驗(yàn)依據(jù)GJB128A-97《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》(方法2026)，對(duì)于電子及電氣元件可焊性試驗(yàn)依據(jù)GJB360B-2009《電子及電氣元件試驗(yàn)方法》(方法208)，對(duì)于半導(dǎo)體集成電路可焊性試驗(yàn)方法可依據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》(方法2003.1)。對(duì)于球柵陣列封裝的BGA器件，在GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中，可焊性試驗(yàn)方法涉及到的器件是有弓I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(shí)際工作中，可能需要尋找其他的參考標(biāo)準(zhǔn)和方法。BGA(BallGridArray，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(PlasticBallGridArray)、CBGA(CeramicBallGridArray)、CCGA(CeramicColumnGridArray)、TBGA(TinyBallGridArray)、CSP(ChipScalePackage或pBGA)，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°C，焊接前焊球直徑0.76mm，焊后高度介于0.4~0.6mm。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302C,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0.89mm。由于CBGA焊球的熔點(diǎn)高于共晶材料，在焊接時(shí)CBGA焊球不熔化，焊接后CBGA的焊點(diǎn)高度不會(huì)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0.5mm節(jié)距以下QFP）由于引線而引起的共面度和翹曲的問(wèn)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(jiàn)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(guò)功能測(cè)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(yàn)，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(yàn)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(lái)的成本和隱患，還有一個(gè)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(cè)試，定量評(píng)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(xiàng)重要工作，尤其對(duì)超期復(fù)驗(yàn)的產(chǎn)品更有必要。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(cè)試之前，有兩個(gè)概念需要明確，即可焊性和焊接能力。可焊性研究的是熔融焊料對(duì)鍍層的潤(rùn)濕程度，焊接能力用于評(píng)價(jià)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(shí)現(xiàn)焊接，例如對(duì)于可焊性較差的元器件，人們可以通過(guò)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(duì)無(wú)鉛焊料可能無(wú)效，原因有二：一是無(wú)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(huì)增加焊點(diǎn)不良的可能性）；二是增加助焊劑會(huì)對(duì)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(píng)估的目的是驗(yàn)證元器件弓I腳或焊端的可焊性是否滿足規(guī)定的要求，和判斷存儲(chǔ)對(duì)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(cè)試鍍層可潤(rùn)濕能力的堅(jiān)固性，不是模擬實(shí)際生產(chǎn)情況。換句話說(shuō)，可焊性測(cè)試依據(jù)什么標(biāo)準(zhǔn)、選擇什么測(cè)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(cè)試確實(shí)可用來(lái)進(jìn)行鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)，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(cè)試的主要標(biāo)準(zhǔn)。3.2可焊性測(cè)試方法的選擇GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)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(wú)鉛兩種，現(xiàn)在大多數(shù)產(chǎn)品都屬于無(wú)鉛產(chǎn)品，是沒(méi)辦法通過(guò)GJB548B-2005的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試的。GB/T2423.32-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)Ta潤(rùn)濕稱量法可焊性》對(duì)可焊性的潤(rùn)濕稱量法有詳細(xì)的介紹，潤(rùn)濕稱量法能定量測(cè)量表面鍍層的堅(jiān)固性，同時(shí)具有可接受的測(cè)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(cè)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(gè)截面周邊能夠被焊料所潤(rùn)濕，對(duì)BGA器件并不適用。GJB7677-2012《球柵陣列（BGA）試驗(yàn)方法》專門針對(duì)BGA電路的可焊性介紹了—種方法，通過(guò)網(wǎng)板和承載板，按照適當(dāng)?shù)幕亓骱笚l件對(duì)被測(cè)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(rùn)濕面積來(lái)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/ECAJ-STD-002C-2008《SolderabilityTestsforComponentLeads,Terminations,Lugs,TerminalsandWires》中的測(cè)試G和G1（潤(rùn)濕稱量焊料球測(cè)試方法）可以作為評(píng)估的參考標(biāo)準(zhǔn)予以借鑒，測(cè)試G適用于錫鉛焊料，測(cè)試G1適用于無(wú)鉛焊料。測(cè)試都使用焊料潤(rùn)濕力測(cè)量裝置，與GB/T2423.32-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分:試驗(yàn)方法試驗(yàn)Ta潤(rùn)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4mm、3.2mm、2mm和1mm相應(yīng)的焊料球質(zhì)量有200mg、100mg、25mg和5mg，這樣測(cè)試精度更高。其潤(rùn)濕稱量參數(shù)和建議評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。從表1中可以看出，建議評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)A組實(shí)際上包含了兩組評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即1/2Fmax,theo和1/4Fmax,theo，工程師可根據(jù)實(shí)際情況判別，用作BGA器件焊接工藝窗口的參考評(píng)價(jià)。4.1如何判斷BGA器件為有鉛無(wú)鉛根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(wú)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(wú)鉛的為亞光，看起來(lái)比較灰，輕輕刮一下焊珠才會(huì)漏出比較亮的顏色；（3） 從焊接溫度來(lái)判斷，有鉛的焊接溫度低（熔點(diǎn)在183~220。0,流動(dòng)性好，冷卻慢，無(wú)鉛的焊接溫度高（熔點(diǎn)在235~245°C）,流動(dòng)性略差，冷卻快；（4） 從外觀標(biāo)識(shí)來(lái)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(kāi)頭的為有鉛的，比如FW82801DBM,NH開(kāi)頭的為無(wú)鉛的，比如NH82801DBM。北橋以RG開(kāi)頭的為有鉛的，比如RG82855GM,NQ開(kāi)頭的為無(wú)鉛的，比如NQ82915PM。AMD的芯片組第二排編號(hào)后邊帶G的是無(wú)鉛、不帶G的是有鉛的，比如218S4RBSA12G就是無(wú)鉛的。NVIDIA（英偉達(dá)）芯片編號(hào)中帶有n的是無(wú)鉛的，比如GO7300-n-A2的即為無(wú)鉛的。還有其他如表面標(biāo)識(shí)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(shí)的為無(wú)鉛，否則為有鉛。（5）從生產(chǎn)日期來(lái)判斷，無(wú)鉛化產(chǎn)品大概是2005年底開(kāi)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(wú)鉛焊接的。4.2焊接溫度、焊料、助焊劑的選擇根據(jù)IPC/ECAJ-STD-002C標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試G和測(cè)試G1，潤(rùn)濕稱量焊料球測(cè)試分為兩種，一種是有鉛焊料，一種是無(wú)鉛焊料，這兩類測(cè)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(hào)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（CAS660-68-4）溶解于重量比為74.85%±0.5%的異丙醇中。2號(hào)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（CAS660-68-4）溶解于重量比74.61%±0.5%的異丙醇中。5.1無(wú)鉛焊料示例根據(jù)委托方要求對(duì)下列器件進(jìn)行可焊性測(cè)試：測(cè)試器件為FPGA，型號(hào)EP3CLS200F484I7N，批次1107A，數(shù)量1只，生產(chǎn)廠家為Altera。測(cè)試樣品照片見(jiàn)圖1。依據(jù)IPCJ-STD-002C測(cè)試方法G1及委托方要求，對(duì)樣品不做任何預(yù)處理進(jìn)行潤(rùn)濕稱量焊料球可焊性測(cè)試，具體測(cè)試條件為：（a） 焊料組成：SAC305;（b） 焊料溫度：255°C;(C)焊接時(shí)間：5s;(d)浸漬深度：0.10mm;(e)浸漬速度：2mm/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(rùn)濕稱量參數(shù)和建議標(biāo)準(zhǔn)(引用標(biāo)準(zhǔn)的表4-7)，測(cè)試結(jié)果如表4所示，測(cè)試曲線見(jiàn)圖2。測(cè)試樣品實(shí)際上錫區(qū)域大于設(shè)定浸入?yún)^(qū)域，可焊性評(píng)估為合格。5.2有鉛焊料示例根據(jù)委托方要求對(duì)下列器件進(jìn)行可焊性試驗(yàn)：測(cè)試器件為FPGA，型號(hào)XC4VLX25-10SF363I，批次1019，數(shù)量1只，生產(chǎn)廠家為XILINX。測(cè)試樣品照片見(jiàn)圖3。依據(jù)IPCJ-STD-002C測(cè)試方法G及委托方要求，對(duì)樣品不做任何預(yù)處理直接進(jìn)行潤(rùn)濕稱量焊料球可焊性測(cè)試，具體測(cè)試條件為：焊料組成：Sn63Pb37;焊料溫度：245°C;(c)焊接時(shí)間：5s;(d)浸漬深度：0.10mm;(e)浸漬速度：2mm/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(rùn)濕稱量參數(shù)和建議標(biāo)準(zhǔn)(引用標(biāo)準(zhǔn)的表4-7)，測(cè)試結(jié)果如表5所示，測(cè)試曲線見(jiàn)圖4。測(cè)試樣品實(shí)際上錫區(qū)域大于設(shè)定浸入?yún)^(qū)域，可焊性評(píng)估為合格。本文可焊性測(cè)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(rùn)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(shí)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(chǎng)的焊接工藝參數(shù)，其可焊性的評(píng)估才有意義。按照IPC/ECAJ-STD-002C標(biāo)準(zhǔn)，到底選擇無(wú)鉛焊料還是有鉛焊料，并不完全依據(jù)所試驗(yàn)的BGA器件是有鉛還是無(wú)鉛來(lái)決定。一般來(lái)講，有鉛器件就使用有鉛焊料，無(wú)鉛器件就使用無(wú)鉛焊料，但是因?yàn)橥粔KPCB板上有無(wú)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(píng)估BGA器件的可焊性時(shí)，如何選擇焊料還要考慮到器件實(shí)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(wú)鉛BGA器件被裝配使用時(shí)，回流焊如果使用的焊料是有鉛焊料，則可焊性試驗(yàn)最好選擇有鉛焊料，但是焊接的溫度一定要達(dá)到無(wú)鉛的要求。關(guān)于加速蒸汽老化的限制問(wèn)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(guò)程和Cu/Sn金屬間化合物生長(zhǎng)都會(huì)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8h以上的蒸汽老化環(huán)境，那么它就或可承受超過(guò)12個(gè)月的自然老化，如果測(cè)試前對(duì)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(cè)試只推薦用于在相應(yīng)溫度下不會(huì)熔化的BGA焊料球和凸臺(tái)，設(shè)計(jì)的元器件焊料合金也不會(huì)在再流焊操作期間熔融，只能測(cè)試外圍的球并只能測(cè)試1.0mm以上節(jié)距的器件。IPC/ECAJ-STD-002C-2008標(biāo)準(zhǔn)也提到，力度測(cè)量測(cè)試僅限用于評(píng)估，在用戶和供應(yīng)商之間沒(méi)