作者：B.T. Vaccaro，R.L. Shook，E. Thomas, J.J.Gilbert，C. Horvath，A. Dairo，G.J. Libricz Agere Systems

“Originally published in the proceedings of the SMTAInternationalConference, Chicago, Illinois, September 2004.”

摘要

   本文介紹了一系列球間距為1.0mm的PBGA在線路板上的焊接試驗(yàn)，經(jīng)X光和超聲顯微鏡（CSAM）檢測(cè)，有短路、分層等焊接缺陷產(chǎn)生。試驗(yàn)中通過對(duì)熱屏蔽模量的測(cè)量，評(píng)估PBGA封裝體的翹曲以及潮敏等級(jí)（MSL）與PCB組裝結(jié)果之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：PBGA器件封裝體的翹曲和無鉛回流溫度的升高是導(dǎo)致焊接缺陷增多的根本原因。

   隨著PBGA器件尺寸不斷增大，硅芯片（die）尺寸的減小，封裝體本身的翹曲也在逐漸增大。大的PBGA封裝體（35mm以上）在IPC/JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中被明確標(biāo)出，濕度/溫度在MSL-3/260℃情況下，回流過程會(huì)引起PBGA器件封裝體更加嚴(yán)重的翹曲，從而導(dǎo)致回流后PBGA的周邊焊球更容易產(chǎn)生短路。

傳統(tǒng)的錫/鉛焊接工藝中，PBGA封裝體的翹曲以及MSL與焊接結(jié)果是相匹配的；而在無鉛焊接過程中，回流峰值溫度要升高，原來的標(biāo)準(zhǔn)中與之匹配的翹曲度及MSL與無鉛組裝結(jié)果不再相符。

   本試驗(yàn)的目的，就是通過對(duì)不同封裝尺寸、濕度等級(jí)的PBGA組裝焊接試驗(yàn)，找出適合無鉛焊接溫度下的PBGA封裝體翹曲度與MSL，加入到IPC標(biāo)準(zhǔn)中，通過熱屏蔽模量的測(cè)量結(jié)果分析，指導(dǎo)球間距為1.0mm，不同封裝尺寸，不同硅芯片尺寸的PBGA的無鉛組裝。

試驗(yàn)內(nèi)容介紹：

   IPC/JEDEC J-STD-020C 對(duì)器件封裝體MSL分類制定了標(biāo)準(zhǔn)，并明確指出：器件生產(chǎn)廠商必須注明器件的封裝類型以及滿足生產(chǎn)的濕度等級(jí)/溫度（回流焊接過程中峰值溫度）。在該標(biāo)準(zhǔn)中，器件濕度等級(jí)是建立在電氣測(cè)試結(jié)果以及在指定的濕度等級(jí)和回流峰值溫度范圍內(nèi)C-SAM破裂/分層檢測(cè)基礎(chǔ)上的。

   J-STD-020C中有一個(gè)潛在問題，那就是遺漏了一個(gè)要求，即評(píng)估器件本身高溫封裝時(shí)，器件基板的翹曲及MSL與PBGA組裝過程中高溫回流間的匹配關(guān)系。

了解高溫封裝器件本身的翹曲，可以更好地進(jìn)行含有PBGA的線路板組裝?，F(xiàn)在J-STD-020C中的測(cè)試數(shù)據(jù)沒有描述高溫封裝器件在無鉛組裝中翹曲度與MSL的匹配關(guān)系，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中只是說明室溫下標(biāo)準(zhǔn)封裝的元器件翹曲與MSL的匹配關(guān)系。

   本試驗(yàn)使用的是裝有大量焊球的PBGA，因?yàn)樵撈骷诟邷胤庋b過程中已發(fā)生過器件基板本身的翹曲，而在無鉛回流過程中又要承受一次高溫沖擊，器件基體的變形易引起焊接短路、斷路、分層等焊接缺陷。熱屏蔽模量測(cè)試方法可以測(cè)量PBGA超出翹曲度時(shí)，MSL對(duì)SMT組裝的影響，測(cè)量是從室溫到無鉛回流峰值溫度260℃情況下進(jìn)行的，圖1是典型的PBGA熱屏蔽模量與翹曲度的關(guān)系圖：

    由于器件材料與PCB熱膨脹系數(shù)不同，線路板在回流焊接過程中經(jīng)受高回流峰值溫度時(shí)，PBGA器件基體因焊料表面張力的作用翹曲變得更嚴(yán)重；在同一測(cè)試過程中，器件的濕度越大，回流后器件翹曲度亦越大；以上兩種情況都可直接導(dǎo)致焊接缺陷的增多。圖2為PBGA器件經(jīng)回流焊接試驗(yàn)后的翹曲情況和結(jié)果。

   從室溫下開始加熱后（圖2.a），器件先是凹形翹曲的， 隨著焊接溫度的逐漸升高， PBGA 封裝體變軟，伴隨著焊料和BGA焊球的熔融，焊料表面張力增大，拉動(dòng)器件封裝體周邊下榻，焊球間焊料相連形成短路（圖2.b）。

在這一過程中，回流焊峰值溫度越高，器件封裝體變形越厲害，形成短路的可能性越大；待PBGA進(jìn)入降溫階段，封裝體逐漸變硬開始反彈，而由于表面張力的作用，相連在一起的焊料球不能完全分離，焊料固化后形成短路焊點(diǎn)（圖2.c）。

   多次試驗(yàn)證明，PBGA焊球發(fā)生短路的幾率與焊接峰值溫度有關(guān)，高于熔點(diǎn)的溫度越高，產(chǎn)生短路的可能性越大，而同樣的翹曲度，器件濕度越大，產(chǎn)生短路的可能性也越大。

    上述試驗(yàn)證明：當(dāng)PBGA用于無鉛焊接工藝時(shí)，因回流焊接溫度升高，導(dǎo)致短路幾率會(huì)加大，所以PBGA器件生產(chǎn)廠商一定要保證PBGA封裝基體的平整度，減少翹曲，把濕度降到最小，同時(shí)采用良好的包裝材料，確保PBGA與空氣隔絕，使用時(shí)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作，減少器件暴露于空氣中的時(shí)間。

試驗(yàn)?zāi)康模?/span>

1、確定封裝尺寸與芯片尺寸如何匹配，器件高溫封裝及回流時(shí)基體翹曲最小。

2、判定無鉛焊接工藝中，器件封裝體濕度等級(jí)與翹曲對(duì)SMT組裝的影響程度，重新確定IPC J-STD 020C中與焊接溫度相匹配的MSL，消除SMT組裝中濕度、峰值溫度與焊接缺陷的不匹配性。

    本研究選用了九種不同封裝尺寸/MSL的PBGA（見表1），封裝尺寸23×23mm～37.5×37.5 mm，球間距1.0mm，芯片尺寸5×5～11×11 mm，器件封裝基體為四層金屬層，BT厚度為0.56～0.61 mm。PBGA封裝圖如圖3所示。

試驗(yàn)工藝流程（如圖4所示）：

1、對(duì)器件進(jìn)行預(yù)處理。首先在 125℃溫度下烘烤72小時(shí)（除濕），然后在 30℃/60%環(huán)境下放置 192小時(shí)(執(zhí)行IPC/JEDEC J-STD-020C MSL-3)。

2、將器件貼裝到2.26mm厚、高Tg、FR4材料，焊盤直徑0.5mm的裸焊盤的八層線路板上。

    PCB類型為浸金和浸銀兩種，焊膏使用的是TYPE 3分別為錫鉛和無鉛兩種免洗焊膏；模板開口為0.432mm，正方形和φ0.076mm圓形?；亓鳡t為強(qiáng)制熱風(fēng)爐，用熱電偶測(cè)溫儀監(jiān)控器件表面溫度，回流峰值溫度設(shè)定在240～260℃。

使用X 光檢查焊球是否短路， 用C-SAM 觀察內(nèi)部是否分層。斷裂測(cè)試中通過對(duì)熱屏蔽模量的分析，統(tǒng)計(jì)PBGA器件在回流過程中的翹曲變化。屏蔽模量的測(cè)試屬于非接觸式測(cè)試，可測(cè)出焊點(diǎn)表面因溫度變化而改變的具體情況，3-D模量測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

    最大，最小的翹曲變化在圖中明顯不同，（+）號(hào)表示凸起（封裝體四周下榻），（—）號(hào)表示凹陷（封裝體四周上揚(yáng)）。熱屏蔽模量測(cè)試是專項(xiàng)測(cè)試，即：只將PBGA組裝到PCB上，而不是整板組裝的測(cè)試。

試驗(yàn)分兩部分： 1 、組裝烘干后的P BGA 器件；2 、組裝烘干后并按MSL級(jí)別處理過的器件。測(cè)試中使用的PBGA器件焊球與封裝體相連處的焊點(diǎn)并未做過測(cè)試，可能有焊接缺陷存在。

測(cè)試結(jié)果與結(jié)論：

試驗(yàn)1：評(píng)估傳統(tǒng)的MS L標(biāo)準(zhǔn)：樣件A和B樣件A按照J(rèn)-STD-020C 中MS L標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行MS L – 3處理，然后采用無鉛焊料及無鉛焊接工藝貼裝到PCB的指定位置，回流峰值溫度設(shè)定為260℃。

樣件B中所用芯片是硅基的，尺寸與樣件A的不同。按照J(rèn)-STD-020C 中MSL標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)PBGA進(jìn)行MSL-3濕度處理，然后所有材料均采用無鉛焊料及無鉛焊接工藝貼裝到PCB板上不同于樣件A的位置，回流峰值溫度設(shè)定為240℃和250℃。

測(cè)試結(jié)果見表3：C-SAM及X-RAY分析樣件A的結(jié)果，如圖6所示，按照J(rèn)STD-020C標(biāo)準(zhǔn)，在MSL-3/260℃條件下，通過C-SAM測(cè)試，但在X-RAY測(cè)試中焊點(diǎn)短路現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

    樣件B中所用PBGA，按照J(rèn)-STD-020C 中MSL標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行MSL-3濕度處理，然后采用無鉛焊料及無鉛焊接工藝貼裝到PCB的指定位置，回流峰值溫度設(shè)定為250℃，能通過C-SAM測(cè)試，但在X光測(cè)試中，焊點(diǎn)短路現(xiàn)象仍然存在；如果對(duì)PBGA器件進(jìn)行烘干處理后馬上進(jìn)行組裝，在回流峰值溫度設(shè)定在240℃時(shí)，即可通過C-SAM超聲測(cè)試，也能通過X-RAY短路測(cè)試。

該試驗(yàn)結(jié)果與圖2的說明比較，得知器件溫度翹曲模量的變化與MSL及回流峰值溫度相關(guān)，通常濕度越大，回流峰值溫度越高，器件溫度翹曲模量越大。

結(jié)論：元器件濕度越大→器件溫度翹曲變化嚴(yán)重→板極焊接缺陷增加，因此，J-STD-020 MSL分類標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)加入回流峰值與之匹配的MSL對(duì)板極組裝產(chǎn)生的影響，讓SMT廠家成功實(shí)現(xiàn)PBGA的無鉛焊接。

試驗(yàn)2 ：芯片尺寸的影響：

    表1中的樣件C—F是用于研究硅芯片尺寸在無鉛焊接過程中的性能表現(xiàn)，在樣件C-F的試驗(yàn)中，封裝體尺寸均為37.5×37.5mm，芯片尺寸為5×5～11×11mm，其中C無芯片，溫度翹曲模量測(cè)試是在MSL-3及干燥條件下進(jìn)行的，回流溫度在25～260℃進(jìn)行，溫度翹曲模量測(cè)試結(jié)果如表4所示，組裝結(jié)果如表5所示。

     圖7是四種不同芯片的PBGA在不同溫度下翹曲模量，圖8是不同芯片的PBGA在相同溫度下的翹曲模量。圖9中，元器件尺寸為37.5×37.5mm，芯片尺寸為8×8mm（E），增大濕度，升高回流峰值溫度，其結(jié)果是濕度翹曲模量增大，焊接缺陷增多，焊接回流溫度是在Sn-Pb 220℃，無鉛 260℃條件下進(jìn)行，焊接結(jié)果用3X放大鏡目檢。

樣件C-F PBGA試驗(yàn)結(jié)果證明：

    同樣封裝尺寸的PBGA，隨著芯片尺寸的變化，在無鉛焊接過程中， 產(chǎn)生截然不同的結(jié)果，X光分析，芯片為1 1×1 1mm的PBGA在峰值溫度為260℃的無鉛工藝條件下，焊接結(jié)果最為理想。樣件C-F試驗(yàn)中，其它芯片尺寸均以PBGA焊球短路而告焊接失?。òo芯片PBGA），而C-SAM測(cè)試則顯示按J-STD-020CMSL標(biāo)準(zhǔn)，在干燥/ 260℃條件下，樣件C-F均能通過CSAM測(cè)試。

上述試驗(yàn)結(jié)論為以后修正濕度/溫度， 翹曲度與成功無鉛焊接， 以及MSL分類標(biāo)準(zhǔn)提供了強(qiáng)大的實(shí)際應(yīng)用支持。

試驗(yàn)3 ：封裝體尺寸的影響：

    表1中，H . I則是對(duì)不同封裝尺寸的PBGA執(zhí)行無鉛焊接時(shí)的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，芯片尺寸均為5×5mm，封裝體尺寸為23×23～37.5×37.5mm，翹曲模量是按MSL-3和干燥兩種條件下，從25～260℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，溫度翹曲模量測(cè)試結(jié)果如表6所示，組裝結(jié)果如表7所示。

圖10翹曲模量顯示，隨著PBGA封裝尺寸的增大， 器件翹曲度的變化量也隨之增大，封裝尺寸為35mm的P B G A 其翹曲度的變化量是尺寸為27mmPBGA翹曲度變化量的2倍。

    濕度與回流峰值溫度對(duì)翹曲度的影響可參考試驗(yàn)2的結(jié)論，封裝尺寸與翹曲量的試驗(yàn)結(jié)果見圖11，分別是Sn-Pb220℃，無鉛260℃條件下進(jìn)行SMT組裝。

組裝結(jié)果表明： 35mm ，37.5mm兩種封裝尺寸的PBGA（樣件I、D）無鉛工藝(見表7)，當(dāng)封裝尺寸小于等于27mm時(shí)SMT組裝過程中，未出現(xiàn)短路現(xiàn)象，C-SAM分析小于等于27mm的PBGA封裝，（MSL-3，干燥）/260℃環(huán)境下，均符合J-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)，樣件G、H，滿足J-STD-020C，C-SAM標(biāo)準(zhǔn)，小封裝PBGA適合無鉛焊接工藝。

     樣件I、D，則要修正J-STD-020CC-SAM標(biāo)準(zhǔn)，才能滿足大封裝PBGA的無鉛焊接的工藝要求（上述試驗(yàn)中，BGA球間距為1.0mm。毫無疑問，球間距的大小會(huì)對(duì)焊接結(jié)果有直接影響，翹曲對(duì)小焊球間距影響更大，從而對(duì)焊接結(jié)果影響也更大）。

翹曲模量與板組裝之間的關(guān)系：

     通過對(duì)球間距1.0mm，封裝體尺寸37.5×37.5mm的不同材料的PBGA，在不同的MSL/回流峰值溫度情況下的試驗(yàn)，總結(jié)出翹曲模量的極限數(shù)據(jù)是8mils，翹曲度大于8mils，PBGA器件四周焊球短路，當(dāng)翹曲度小于8mils，不會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

     試驗(yàn)結(jié)果表明，封裝體的翹曲度直接影響PBGA在PCB上組裝時(shí)，PBGA四周焊球短路的發(fā)生率，尤其對(duì)于1.0mm間距的PBGA，因此組裝前通過熱屏蔽模量的測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)估PBGA在無鉛SMT組裝中的匹配性是非常重要的。

結(jié)論:

    在高濕度和高無鉛焊接回流溫度情況下，使PBGA封裝體翹曲度增大，導(dǎo)致BGA焊球短路，產(chǎn)生焊接缺陷。此外，PBGA封裝體的翹曲與封裝體和硅芯片的尺寸相關(guān)，減小封裝體尺寸，增大硅芯片尺寸，可以減小PBGA封裝體的翹曲度。

    大的PBGA封裝體（大于35mm，1.0mm球間距）可以通過傳統(tǒng)的濕度/回流峰值級(jí)別分類測(cè)試。當(dāng)封裝體翹曲度較大，會(huì)引起PBGA四周焊球短路，從而導(dǎo)致組裝失敗，而封裝體尺寸小于27mm的1.0mm間距的PBGA，因封裝翹曲較小，可以順利通過組裝而不會(huì)出現(xiàn)焊球短路現(xiàn)象。

我們的試驗(yàn)顯示， 傳統(tǒng)的I PC /JEDEC濕度/回流峰值溫度分類標(biāo)準(zhǔn)，包括PBGA封裝體翹曲參數(shù)，應(yīng)該得到修正，以保證PBGA無鉛SMT的可組裝性。