0.5mm间距CSP/BGA器件无铅焊接工艺技术研究
2011-03-26孙国清李承虎
孙国清，李承虎
(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031)
印制板组件的高密度化、高可靠性以及无铅化发展趋势，其对元器件封装尺寸、性能以及组装工艺要求愈加苛刻。
CSP/BGA器件因其小尺寸、低阻抗、低噪声等优点越来越广泛应用于电子信息系统产品中。但同时，CSP/BGA器件在无铅组装工艺中有着较大的难度系数，开展其焊接工艺研究显得比较迫切。
1 封装
1.1 定义
CSP：是chip size package的英文缩写，即芯片级尺寸封装。它是指芯片的面积与封装体面积之比大于80%，通俗的说，芯片的边长比封装体的边长小仅仅1mm左右。CSP/BGA就是具有芯片级尺寸封装的器件。
1.2 结构
CSP/BGA器件应用较多的主要有两种结构形式，即引线键合和倒装键合（见图1）。
图1 引线键合和倒装键合
2 焊盘设计
0.5 mm间距CSP/BGA器件，其焊球直径为0.3mm。
（1）应为每个焊球采用单独焊盘，焊盘尺寸直径设计为0.3 mm；间距与焊球一致，为0.5 mm；焊盘上不可设置过孔。
（2）布线时，焊盘可直接走线或通过过孔走线，过孔应位于周边4个焊盘的中间位置。CSP/BGA封装体之下的所有过孔均用阻焊膜覆盖。
（3）应用NSMD（阻焊层围绕铜箔焊盘幷留有间隙）的阻焊方式。
3 焊膏印刷工艺
要保证焊膏至少75%的释放率，焊膏的选择、网板设计、印刷工艺参数设置等异常关键。
3.1 选择焊膏
应选择适合细间距器件印刷的无铅焊膏，颗粒直径在20～45μm之间。对无铅焊膏的选择应从以下几个方面进行参考：
（1）熔点。焊膏合金共晶温度不能太高，根据元器件耐受温度以及回流峰值温度，一般选择在210～220℃较为合适；
（2）无毒。无铅焊膏材料符合ROHS规范，不含有毒物质；
（3）可靠性。焊接后，焊点要有足够的机械强度和良好的导电率；
（4）成本。焊膏成本要低，应用广泛。
我们优选熔点在217℃左右的锡－银－铜系焊膏。
3.2 设计网板
3.2.1 网板加工制作
CSP/BGA器件网板开孔尺寸很小，要保证焊膏有效地从网板孔内释放，网板制作方法选择至关重要。
现阶段网板加工制作方法主要有：化学腐蚀法、激光切割法以及电铸法。结合使用丝网印刷机特点以及加工成本考虑，我们优选激光切割外加孔壁抛光制作工艺方法。
3.2.2 网板厚度及开孔形状、尺寸设计
网板厚度、开孔设计直接影响焊膏释放率。相比有铅焊膏，对于无铅焊膏释放率下降幅度可达10%～15%。
IPC7525标准要求，焊膏印刷时，网板开口尺寸满足如下要求：
孔径比即W/T＞1.5；
开口面积/开口四周孔壁面积比＞0.66，对于圆形孔，面积比公式为D/4T；对于矩形孔，面积比公式为LW/[2(L+W)T]
式中：L为开口长度；W为开口宽度；T为网板厚度；D为圆形开口直径。
根据以上要求，初步设计几种网板开口尺寸（见表1）。
最终选择0.1 mm厚度的A4、A5、A6三种代号网板展开印刷试验。
3.3 印刷工艺参数设置
影响焊膏印刷质量的参数主要有：刮刀角度、刮刀类型、印刷速度、印刷压力、脱模速度、脱模距离等。
表1 网板开口形状、尺寸
刮刀角度：刮刀角度一般在45～75(°)间。据有关试验验证，为了保证印刷过程中焊膏有较好的滚动性和填充性，刮刀角度选择在60°。
刮刀类型：选择不锈钢刮刀，刮刀与网板接触面应无变形、扭曲，刮刀长度应选择比印刷图形长度长20mm左右。
印刷速度：印刷速度设定必须保证焊膏在移动过程中处于滚动状态，一般印刷速度低，焊膏填充性好。对于0.5mm间距器件，一般印刷速度为10～20 mm/s。
印刷压力：印刷压力不可过大，否则印刷过程中刮刀与网板之间压力变大，刮刀印刷部位产生变形，导致刮刀印刷部位与网板之间产生间隙，印刷后网板上会残留焊膏。
脱模速度、脱模距离：采用全自动丝网印刷机时，脱模速度、脱模距离是影响印制板印刷完焊膏下降过程中的两个关键因素。印制板下降过程中，由于焊膏与网板之间的附着力，网板会产生一定的变形，如果脱模速度过快、脱模距离短，网板会快速恢复变形，致使印制板上焊膏被拉起。一般对于0.5mm间距的器件，脱模速度设定在0.5～1mm/s，脱模距离为2～3mm。
3.4 网板最终选择
对0.1 mm厚度的A4、A5、A6三种代号网板展开印刷试验见表2。
表2 印刷试验
3.5 印刷工艺选择
0.5 mm间距CSP/BGA器件使用丝网印刷机进行无铅焊膏印刷时，应采取如下措施：
(1)选择熔点在217℃左右的锡－银－铜系焊膏。焊膏颗粒直径在20～45μm之间。
（2）网板设计。网板钢片采用0.1 mm厚度，开孔应设计成边长0.28mm方形口，为保证焊膏平滑漏印，开口四周拐角应进行0.06mm的倒圆角且开口孔壁进行抛光工艺处理。
（3）丝网印刷机设置。刮刀角度选择在60（°），印刷速度为10～20 mm/s；脱模速度设定在0.5～1mm/s；脱模距离为2～3mm。
4 贴装工艺
4.1 预处理工艺
由于采用的CSP/BGA芯片为塑封封装，极易吸潮。为防止芯片在回流焊接过程中产生鼓泡、裂纹等不良现象，贴片前，应在真空干燥箱内125℃下至少烘烤6 h。
4.2 贴片工艺设置
贴片的目的就是将CSP/BGA芯片准确地放置在印好焊膏的印制板指定位置上。这里涉及到定义器件的封装、贴片机吸嘴的选择、照相机的选择、供料器装置设置以及印制板上基准点定义、安装CSP/BGA位置中心坐标定义等等。
CSP/BGA器件安装在印制板上时，必须保证焊球在Z轴方向能与焊膏充分接触，x、y方向中心偏离焊盘不大于焊球直径的25%。
5 回流焊接工艺
根据焊膏特性，我们选择保温型温度曲线，整个回流时间控制在4min左右。
回流前，应先确定回流速度（回流速度＝加热区长度/回流时间），再调整预热区、保温区、回流区以及冷却区的参数设置。
预热区：目的是将印刷线路板的温度从室温提升到锡膏内助焊剂发挥作用所需的活性温度，温度升得不可太快。升温速率控制在1～3℃/s。
保温区：目的是使印刷线路板上各个区域的元器件温度相同，减少他们的相对温差，并使锡膏内部的助焊剂充分地发挥作用，去除元器件焊端和焊盘表面的氧化物，从而提高焊接质量。
温度控制在160～190℃之间，升温速率控制在1～2℃/s，时间控制在45S～90 s间。
回流区：目的是使焊点温度提升到锡膏的熔点温度以上并维持一定的焊接时间，使其形成合金，完成元器件焊端与焊盘的焊接。峰值温度控制在235～250℃之间，液相线以上时间控制在40～80 s间。
冷却区：目的是使焊点迅速降温，焊料凝固。冷却速度控制在4℃/s左右，有助于形成精细的焊点微结构，提升焊点机械性能，增强焊点的可靠性。
CSP/BGA器件经回流焊接后需经X-RAY检测，应无桥接、焊料球丢失、开路、冷焊、锡珠、空洞（空洞不大于焊点体积的15%）以及错位等不良缺陷。
6 结束语
0.5 mm间距CSP/BGA器件装焊难度较大，装焊过程中器件预处理、焊膏印刷、贴片、回流焊接等环节必须建立有效的控制手段，才能保证最后的焊接质量。
[1]GJB 4907-2003.球栅数组封装器件组装通用要求[S].
[2]宋好强，戎孔亮.0.5mm间距CSP焊接工艺研究[J].电子工艺技术，2003，24（3）：103-108.
[3]史建卫，何鹏，钱乙余，袁和平。焊膏印刷技术及无铅化对其的影响[J].电子工业专用设备，2006，（143）：29-38.
[4]吴兆华，周德俭.表面组装技术[M].北京：国防工业出版社，2002.
