CBGA焊接过程关键控制点的工艺设计

段永超

摘要：CBGA通常也称作SBC（SolderBallCarrier），是BGA封装的第二种类型。CBGA的硅片连接在多层陶瓷载体的上表面，硅片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式，第一种是硅片线路层朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接，另一种则是硅片的线路层朝下，采用倒装片结构方式实现硅片与载体的连接。硅片连接完成之后，对硅片采用环氧树脂等填充物进行包封以提高可靠性和提供必要的机械防护。

关键词：CBGA;焊接过程;关键控制点;工艺设计

中图分类号：TN41

文献标识码：A

引言

BGA按封装基板材料分主要有4种基本类型：PBGA、EBGA、CBGA和TBGA。为了满足多引脚、高散热能力、高频、低损耗、小型和薄形等各种特殊需要，每种BGA又派生出了许多新的形式。CBGA的芯片连接在多层陶瓷载体的上表面，芯片与多层陶瓷载体的连接可以有两种形式：（1）是芯片的电极面朝上，采用金属丝压焊的方式实现连接;（2）是芯片的电极朝下，采用倒装片方式来实现芯片与载体的连接。芯片连接固定之后，采用环氧树脂等灌封材料对其进行封装以提高其可靠性，提供必要的机械防护。

1CBGA的主要特点分析

（1）CBGA的主要优点：没有器件引脚弯曲的问题，共面性较好。引出端节距大，减少了由于焊膏印刷而引起的焊接短路问题。焊球的表面张力可以使器件在回流焊过程中自动校正。良好的电性能和热性能。互连密度较高。（2）BGA的主要缺点：需要X射线设备进行检测，检测成本较高。返修较困难，返修后的器件一般不再使用。（3）根据封装体材料的不同，BGA器件主要分为以下几种：PBGA（PlasticBGA，塑料封装BGA）PBGA是最普通的一种BGA的封装形式，基板用普通的PCB材料制作，芯片一般用Bonding方式焊接在基板上表面，然后用塑料模注成形。基板下表面用63/37的低熔点共晶焊料制作焊料球。CBGA（CeramicBGA，陶瓷封装BGA）CBGA最早源于IBM公司的C4倒装芯片工艺，它采用双焊料结构，芯片通过63/37低熔点共晶焊料焊接在多层陶瓷基板的上表面，然后进行封装以提高其可靠性并提供机械保护。在多层陶瓷的下表面用90/10高温焊料制作焊球。CBGA的优点：封装器件的可靠性高;对湿气不敏感;封装密度高（焊球为全阵列分布）;CBGA的缺点：和环氧树脂电路板的热膨胀系数不同、热匹配性差;通过封装体边缘对准比较困难;封装成本相对较高。

2CBGA焊接过程关键控制点的工艺设计要点

2.1焊盘设计与焊膏量控制

相对于普通的PBGA来说，焊球的高度随着焊盘直径的增加而降低，焊接的轮廓也由灯笼形变为圆锥形，当其与BT基底焊盘直径相当时，焊点的剪切断裂载荷、弯曲疲劳寿命和热冲击疲劳寿命达到最大值。这是由于普通PBGA焊球焊接的“二次塌落”决定的。然而对于CBGA而言，由于本身器件的特性，没有“二次塌落”这一自动平衡器件侧与PCB侧强度的过程。因此控制PCB侧焊膏量是CBGA的焊点性能的关键点，从工艺上提高CBGA焊点性能的一个原则是：尽量让焊球两边的共晶焊点的体积基本一致以使焊球两边焊点的强度达到最佳配合。

2.2BGA器件焊接方法

用于表面安装的再流焊接按照加热方法不同分为三大类，即红外热风再流焊、汽相再流焊和激光再流焊。激光再流焊一般只适用于焊点外露于表面的焊接;而CBGA器件引脚全部在器件本体的底部，所以从CBGA器件焊接的原理上可以采用红外热风再流焊接和汽相再流焊接两种焊接方式。红外热风再流焊的应用较广，工艺曲线已成熟，焊点光亮，但因为器件本体的遮挡，无法完全均匀一致的对底部引脚进行加热。汽相再流焊利用加热高沸点液体作为转换介质，利用它沸腾后产生的饱和蒸汽来加热工件，达到焊接所需温度。汽相再流焊的高温饱和蒸汽可使组件均匀加热，尤其对于大型的BGA、CCGA等焊点在底部的复杂封装器件焊接十分有利。另外因为焊接过程中，组件处于高温汽相蒸汽中，隔绝了氧气，有利于形成高质量焊点。

2.3焊接界面表面状态的选择

BGA器件由于储存原因，焊接前会出现其引脚焊接界面状态不均匀，分析是氧化造成的。BGA器件引脚有氧化现象，焊膏对该表面润湿性就变差，严重时可能不润湿，二者不能熔为合金，在焊料和连接面被氧化膜隔离，焊点强度很低，尽管有局部接触暂时表现为导通，但在温度交变或振动等外力作用下该焊点界面很容易被拉脱，形成开路。下面是本试验中出现的BGA器件焊接氧化导致焊接缺陷的一个案例。

案例：BGA焊球表面氧化，未经去氧化处理焊接的BGA焊点，焊锡表面呈灰色，皱状，且无良好的光泽，焊点润湿不良，再流焊接后，发现焊点电路不通，

后果：这种焊接缺陷如果没有检测出来，可能会很早就出现故障，其原因要么是球和焊盘之间建立的氧化层，要么是在热循环中CTE（热膨胀系数）应力不匹配引起的质量问题。寿命周期试验将揭示出这种冷焊点会很早就出现故障。

因此，BGA器件焊接前，焊球表面检查和氧化性清洁处理至关重要。

2.4回流曲线与氮气焊接

每一种器件及锡膏都有一个焊接的工艺窗口。产品的回流焊接可以看作是若干个焊接工艺窗口的组合，产品上若有CBGA器件通常焊接工艺窗口是以CBGA为主导。由于CBGA为陶瓷封装器件热熔较大，且引脚密集，外层引脚和内层引脚间的温度有一定差别，要保证所有焊点同时达到良好的焊接，同时器件又不超过允许的承受温度，这是在组装工艺过程中重点关注的关键技术问题。通常的原则是：一般印制板上的器件都存在多样性，温度曲线的设置须注意印制板不同位置的温度分布，要选用能将大器件焊好的最低温度，以便不会损伤较小的敏感器件。以热风回流焊接设备为例，回流焊接过程分預热过程、保温过程、回流过程、冷却过程，这四个过程和时间合理设置才能形成一个良好焊点。

（1）預热区：

预热过程的主要作用是快速进入工作状态以增加产量;因正真的焊接一般是在90℃以上才开始发生。故这个区可以短一些典型的升温速率为2℃/sec。

（2）保温区：

保温区主要的作用是助焊剂溶剂挥发，助焊剂活化;减少元件之间的温差，使各焊点温度进入到回流区尽可能的达到一致;减少元件回流焊接时的热冲击。由于CBGA器件热容量较大，为达到CBGA内外层引脚和PCB上其他元器件的温度尽可能的接近及减少器件进入回流区时热冲击，一般CBGA在保温区的最终达到的温度应为170℃左右;保温时间应为90-120sec之间，以便有足够的时间让“冷点”升温。

（3）回流区：

业界比较认可的BGA混装工艺的峰值温度一般在220-235℃，只有达到这个温度时BGA会发生“二次塌落”，焊接可靠性得到最大保证。而CBGA器件在回流区的焊接与通常的有铅锡膏焊接无铅BGA的混装工艺不同，CBGA器件高铅焊球在回流区不会熔化、塌落，这个特性决定了CBGA器件在焊接时不用完成常规BGA的“二次塌落”过程，因而完成CBGA焊接所要达到的峰值温度比常规BGA焊接峰值温度要低。典型峰值温度为210-225℃在经济条件允许的情况下，CBGA焊接过程优先选择在氮气环境，此环境隔绝了氧气，有利于形成高质量焊点。所有试验结果均显示出氮气保护再流焊得到的CBGA焊点可靠性优于空气环境下再流焊形成的焊点。采用压缩空气含氧量为500ppm的氮气环境下进行再流焊，通过对所得的CBGA试验组装板进行剪切、弯曲疲劳、热冲击疲劳和振动疲劳等性能试验表明，在氮气保护下形成的焊点性能最好。

结束语

通过试验，认为合理的工艺设计及工艺管理，CBGA在电子装联中的直通率可以达到很高水平，焊接缺陷很大部分是由于器件的自身缺陷等原因造成的。整体可靠性取决于最薄弱的一环，工艺控制要重点关注薄弱环节。

参考文献

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