喷印工艺的LGA焊点缺陷的类型与原因

吕俊杰

摘 要 本文结合生产历史数据，探讨了焊膏喷印方式下LGA封装器件的焊接问题形成原因，发现焊膏喷印量及车间湿度的变化对LGA焊点少锡合并锡珠缺陷的产生影响显著，而回流炉预热升温速率则对其无明显影响。造成该焊接缺陷的机理是： LGA这种封装底部间隙非常小的元器件存在毛细管现象，在回流焊过程中，喷印焊膏飞溅极易产生锡珠。通过调整焊膏喷印参数、车间环境湿度、贴片压力等方式，有效改善了LGA的焊接质量。

【关键词】LGA 喷印 焊膏 少锡合并錫珠

1 前言

LGA是一种类似于BGA但底部无焊球的栅格阵列封装，采用在PCB上印刷焊膏并回流焊接的方式完成组装。这种特殊的封装形式使芯片与PCB的距离明显较小，LGA具有更优越的电气性能。此外，由于焊点高度的减小，LGA封装能有效改善弯曲、振动和跌落的可靠性。因此，现代的便携式电子产品及军用电子产品都越来越多的选择应用这种LGA封装器件。但较BGA及其他封装元器件，LGA焊接后的支撑高度很低，清洗困难，而且由于焊剂残留问题，形成空洞和锡珠的几率会增大，空洞和锡珠的形成与焊膏成分又有着密切关系。本文采用的喷印焊膏具有焊粉粒径小、助剂含量高、粘度低等特性，这些特性都将提高LGA焊接缺陷产生的概率，增加了返修成本和难度。

2 LGA焊点缺陷类型

对历史数据进行统计分析，按照LGA器件发生各种缺陷的频次做排列图如图1。由图1可见，占比达70%的缺陷为少锡合并锡珠缺陷，如图2为X-Ray检测的LGA锡珠缺陷。由图2可看出，很多焊盘上明显少锡，在焊盘中间还存在或大或小的锡珠。为进一步排查缺陷，对故障LGA器件进行解焊，观察LGA器件焊盘和对应PCB焊盘上焊锡润湿情况，图3所示。图中发现LGA器件部分焊盘上有较多焊锡，部分焊盘则几乎没有焊料润湿，对应的PCB焊盘上也是同样的情况。由于每片板的焊膏涂覆质量均经过SPI检测，并且调取SPI检测数据，焊膏量显示正常。因此，该缺陷直观表现为部分焊盘上的焊锡被偷走至其他焊盘上了，过多的焊锡使得整个器件浮高，从而使得其他焊盘几乎没有焊锡润湿。

3 焊点缺陷原因分析

3.1 初步原因分析

基于如上缺陷的图片信息，根据经验，产生该缺陷的原因应该是多方面的。为了准确、快速的解决问题，从“人、机、料、法、环”生产五要素方面，对可能产生少锡合并锡珠问题的原因进行了分析，见如下图4的因果图。根据各因素可能性大小、测量的难易程度，分为4个分值等级，对各因素进行逐项打分，并进行统计。排在前三位的分别是：“焊膏喷印量偏少”、“回流焊预热升温速率过快”和“车间湿度偏大”；在所列因素中“焊盘氧化”被一致认为很重要，但是难测量，且在实际批量生产过程中较难去抽样验证，因此要求从源头控制其来料质量。

3.2 影响因素分析

通过调整回流炉升温速率，随着其他参数的变化，LGA焊点缺陷数的变化范围一致。可见，该因素的影响并不显著。如图5所示。

双因子方差分析结果显示：焊膏喷印量及车间湿度的P值均等于0.000，小于0.01，说明两个因素的影响均高度显著。3050.1/10236.3=29.8%，说明焊膏喷印量的影响大约为29.8%左右；6004.1/10236.3=59.65%，说明车间湿度的影响大约为59.65%左右；R-Sq（调整） = 99.33%，说明两个因素及其交互作用的影响达到了99.33%

4 总结

通过试验验证得出，通过优化焊膏喷印量、降低车间空气湿度等措施，有效解决了基于喷印工艺的LGA器件的焊接缺陷问题。

焊膏喷印技术有其优势也有着特殊性，新技术的出现也将带来新的工艺问题，需要进行更多的探索工作。造成此次LGA器件较多缺陷的主要原因与焊膏喷印参数、喷印焊膏体系及其对环境湿度的高敏感性相关，但是贴片压力、回流焊温度曲线设置不合理也会导致其他缺陷的产生。

参考文献

[1]贾忠中.SMT核心工艺解析与案例分析[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]林伟成.雷达电子装联中LGA器件的表面组装技术[J].电子工艺技术，2010，31（03）：150-164.

[3]赵志斌，吴兆华.LGA焊点形态对焊点寿命的有限元分析[J].电子工艺技术，2013，34（60）：320-327.

[4]Wanda Hance，Ningcheng Lee.Solder beading in SMT challenge[J].SITE Magazine，1987.

[5]Ningcheng Lee.Optimizing reflow profile via defect mechanism analysis[C].IPC Printed Circuits Expo，1998.