CBGA焊接過程關鍵控制點的工藝設計

段永超

摘要：CBGA通常也稱作SBC（SolderBallCarrier），是BGA封裝的第二種類型。CBGA的硅片連接在多層陶瓷載體的上表面，硅片與多層陶瓷載體的連接可以有兩種形式，第一種是硅片線路層朝上，采用金屬絲壓焊的方式實現連接，另一種則是硅片的線路層朝下，采用倒裝片結構方式實現硅片與載體的連接。硅片連接完成之后，對硅片采用環氧樹脂等填充物進行包封以提高可靠性和提供必要的機械防護。

關鍵詞：CBGA;焊接過程;關鍵控制點;工藝設計

中圖分類號：TN41

文獻標識碼：A

引言

BGA按封裝基板材料分主要有4種基本類型：PBGA、EBGA、CBGA和TBGA。為了滿足多引腳、高散熱能力、高頻、低損耗、小型和薄形等各種特殊需要，每種BGA又派生出了許多新的形式。CBGA的芯片連接在多層陶瓷載體的上表面，芯片與多層陶瓷載體的連接可以有兩種形式：（1）是芯片的電極面朝上，采用金屬絲壓焊的方式實現連接;（2）是芯片的電極朝下，采用倒裝片方式來實現芯片與載體的連接。芯片連接固定之后，采用環氧樹脂等灌封材料對其進行封裝以提高其可靠性，提供必要的機械防護。

1CBGA的主要特點分析

（1）CBGA的主要優點：沒有器件引腳彎曲的問題，共面性較好。引出端節距大，減少了由于焊膏印刷而引起的焊接短路問題。焊球的表面張力可以使器件在回流焊過程中自動校正。良好的電性能和熱性能。互連密度較高。（2）BGA的主要缺點：需要X射線設備進行檢測，檢測成本較高。返修較困難，返修后的器件一般不再使用。（3）根據封裝體材料的不同，BGA器件主要分為以下幾種：PBGA（PlasticBGA，塑料封裝BGA）PBGA是最普通的一種BGA的封裝形式，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?；逑卤砻嬗?3/37的低熔點共晶焊料制作焊料球。CBGA（CeramicBGA，陶瓷封裝BGA）CBGA最早源于IBM公司的C4倒裝芯片工藝，它采用雙焊料結構，芯片通過63/37低熔點共晶焊料焊接在多層陶瓷基板的上表面，然后進行封裝以提高其可靠性并提供機械保護。在多層陶瓷的下表面用90/10高溫焊料制作焊球。CBGA的優點：封裝器件的可靠性高;對濕氣不敏感;封裝密度高（焊球為全陣列分布）;CBGA的缺點：和環氧樹脂電路板的熱膨脹系數不同、熱匹配性差;通過封裝體邊緣對準比較困難;封裝成本相對較高。

2CBGA焊接過程關鍵控制點的工藝設計要點

2.1焊盤設計與焊膏量控制

相對于普通的PBGA來說，焊球的高度隨著焊盤直徑的增加而降低，焊接的輪廓也由燈籠形變為圓錐形，當其與BT基底焊盤直徑相當時，焊點的剪切斷裂載荷、彎曲疲勞壽命和熱沖擊疲勞壽命達到最大值。這是由于普通PBGA焊球焊接的“二次塌落”決定的。然而對于CBGA而言，由于本身器件的特性，沒有“二次塌落”這一自動平衡器件側與PCB側強度的過程。因此控制PCB側焊膏量是CBGA的焊點性能的關鍵點，從工藝上提高CBGA焊點性能的一個原則是：盡量讓焊球兩邊的共晶焊點的體積基本一致以使焊球兩邊焊點的強度達到最佳配合。

2.2BGA器件焊接方法

用于表面安裝的再流焊接按照加熱方法不同分為三大類，即紅外熱風再流焊、汽相再流焊和激光再流焊。激光再流焊一般只適用于焊點外露于表面的焊接;而CBGA器件引腳全部在器件本體的底部，所以從CBGA器件焊接的原理上可以采用紅外熱風再流焊接和汽相再流焊接兩種焊接方式。紅外熱風再流焊的應用較廣，工藝曲線已成熟，焊點光亮，但因為器件本體的遮擋，無法完全均勻一致的對底部引腳進行加熱。汽相再流焊利用加熱高沸點液體作為轉換介質，利用它沸騰后產生的飽和蒸汽來加熱工件，達到焊接所需溫度。汽相再流焊的高溫飽和蒸汽可使組件均勻加熱，尤其對于大型的BGA、CCGA等焊點在底部的復雜封裝器件焊接十分有利。另外因為焊接過程中，組件處于高溫汽相蒸汽中，隔絕了氧氣，有利于形成高質量焊點。

2.3焊接界面表面狀態的選擇

BGA器件由于儲存原因，焊接前會出現其引腳焊接界面狀態不均勻，分析是氧化造成的。BGA器件引腳有氧化現象，焊膏對該表面潤濕性就變差，嚴重時可能不潤濕，二者不能熔為合金，在焊料和連接面被氧化膜隔離，焊點強度很低，盡管有局部接觸暫時表現為導通，但在溫度交變或振動等外力作用下該焊點界面很容易被拉脫，形成開路。下面是本試驗中出現的BGA器件焊接氧化導致焊接缺陷的一個案例。

案例：BGA焊球表面氧化，未經去氧化處理焊接的BGA焊點，焊錫表面呈灰色，皺狀，且無良好的光澤，焊點潤濕不良，再流焊接后，發現焊點電路不通，

后果：這種焊接缺陷如果沒有檢測出來，可能會很早就出現故障，其原因要么是球和焊盤之間建立的氧化層，要么是在熱循環中CTE（熱膨脹系數）應力不匹配引起的質量問題。壽命周期試驗將揭示出這種冷焊點會很早就出現故障。

因此，BGA器件焊接前，焊球表面檢查和氧化性清潔處理至關重要。

2.4回流曲線與氮氣焊接

每一種器件及錫膏都有一個焊接的工藝窗口。產品的回流焊接可以看作是若干個焊接工藝窗口的組合，產品上若有CBGA器件通常焊接工藝窗口是以CBGA為主導。由于CBGA為陶瓷封裝器件熱熔較大，且引腳密集，外層引腳和內層引腳間的溫度有一定差別，要保證所有焊點同時達到良好的焊接，同時器件又不超過允許的承受溫度，這是在組裝工藝過程中重點關注的關鍵技術問題。通常的原則是：一般印制板上的器件都存在多樣性，溫度曲線的設置須注意印制板不同位置的溫度分布，要選用能將大器件焊好的最低溫度，以便不會損傷較小的敏感器件。以熱風回流焊接設備為例，回流焊接過程分預熱過程、保溫過程、回流過程、冷卻過程，這四個過程和時間合理設置才能形成一個良好焊點。

（1）預熱區：

預熱過程的主要作用是快速進入工作狀態以增加產量;因正真的焊接一般是在90℃以上才開始發生。故這個區可以短一些典型的升溫速率為2℃/sec。

（2）保溫區：

保溫區主要的作用是助焊劑溶劑揮發，助焊劑活化;減少元件之間的溫差，使各焊點溫度進入到回流區盡可能的達到一致;減少元件回流焊接時的熱沖擊。由于CBGA器件熱容量較大，為達到CBGA內外層引腳和PCB上其他元器件的溫度盡可能的接近及減少器件進入回流區時熱沖擊，一般CBGA在保溫區的最終達到的溫度應為170℃左右;保溫時間應為90-120sec之間，以便有足夠的時間讓“冷點”升溫。

（3）回流區：

業界比較認可的BGA混裝工藝的峰值溫度一般在220-235℃，只有達到這個溫度時BGA會發生“二次塌落”，焊接可靠性得到最大保證。而CBGA器件在回流區的焊接與通常的有鉛錫膏焊接無鉛BGA的混裝工藝不同，CBGA器件高鉛焊球在回流區不會熔化、塌落，這個特性決定了CBGA器件在焊接時不用完成常規BGA的“二次塌落”過程，因而完成CBGA焊接所要達到的峰值溫度比常規BGA焊接峰值溫度要低。典型峰值溫度為210-225℃在經濟條件允許的情況下，CBGA焊接過程優先選擇在氮氣環境，此環境隔絕了氧氣，有利于形成高質量焊點。所有試驗結果均顯示出氮氣保護再流焊得到的CBGA焊點可靠性優于空氣環境下再流焊形成的焊點。采用壓縮空氣含氧量為500ppm的氮氣環境下進行再流焊，通過對所得的CBGA試驗組裝板進行剪切、彎曲疲勞、熱沖擊疲勞和振動疲勞等性能試驗表明，在氮氣保護下形成的焊點性能最好。

結束語

通過試驗，認為合理的工藝設計及工藝管理，CBGA在電子裝聯中的直通率可以達到很高水平，焊接缺陷很大部分是由于器件的自身缺陷等原因造成的。整體可靠性取決于最薄弱的一環，工藝控制要重點關注薄弱環節。

參考文獻

[1]薛松柏，胡永芳，禹勝林，等.熱循環對CBGA封裝焊點組織和抗剪強度的影響[J].焊接學報，2006，27（6）：1-4.

[2]孫軼，何睿，班玉寶，等.陶瓷焊球陣列封裝可靠性研究與試驗分析[J].航空科學技術，2014，25（8）：87-90.

[3]陳麗麗，李思陽，趙金林.BGA焊點可靠性研究綜述[J].電子質量，2012（9）：22-27.