BGA组装技术与工艺

第6期电子元件与材料VoL 25 No 62006年6月ELECTRONIC COMPONENTS MATERIALS综述REVIEHBGA组装技术与工艺胡强(上海贝尔阿尔卡特股份有限公司,上海200070)摘要:从BGA的封装形式、PCB的设计、焊膏印刷、贴片、回流焊接工艺等方面分析了BGA组装过程中应注意的问题及其预防措施。以常用的PBGA和CBGA为例,分析了两种不同封装形式BGA的结构特点和组装过程中应注意的问题,以焊膏Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5为例,分析了传统的SnPb组装工艺和无铅组装工艺的特点,以提高BGA组装的质量关键词:半导体技术;BGA;综述;封装;PCB;无铅;回流焊接;温度曲线中图分类号:TN605文献标识码:A文章编号:1001-2028(2006)06-0010-03BGA ASSembly Technology and ProcessHU Qiang(Alcatel Shanghai Bell Co, Ltd, Shanghai 200070, China)Abstract: Attention questions and measures during BGa assembly were analyzed to increase BGa assembly quality byBGa package, PCB design, solder paste print, place BGA, and reflow soldering process. As a matter of common PBGA andCBGA,different package structures of BGA and attentional problems during assembly were analyzed. And traditional SnPbassembly process and lead free assembly process were analyzed by Sn63Pb37. Sn62Pb36Ag2 and Sn965Ag30Cu0 5 pastes toKey words: semiconductor technology; BGA; review; package; PCB; lead free; reflow soldering; temperature profile由于BGA封装形式的特殊性,其返修需要特殊程中具有自对中功能;消除了窄节距焊膏印刷;减小的返修工具,而且返修难度大,成功率低。对于电子了焊盘之间桥连的可能。组装生产厂家来说,提高BGA组装质量,对于提高PBGA器件是一种高度的湿度敏感器件,其必须产品质量和降低成本具有重要的意义。在恒温干燥的条件下保存,避免元器件在组装前受到BGA的封装形式影响。一般BGA较理想的保存环境为20-25℃,RH小于10%(有氮气保护措施更佳)。故BGA密封的防目前出现的BGA封装,按基板的种类,主要分潮包装一旦被打开,必须在规定的时间内组装到PCB为PBGA(塑料封装的BGA)、CBGA(陶瓷封装的上。PBGA芯片在拆封后必须使用的期限由芯片的敏BGA)和TBGA(载带状封装的BGA)。PBGA封装感性等级所决定,如表1所示。由安装和互连到双面或多层PCB基板的芯片组成,通表1PBGA芯片拆封后必须使用的期限ab I PBGa time limit after package opening孔将顶层表面的信号印制线互连到基板底部相应的焊敏感性等级芯片拆封后置放环境条件拆封后必须使用的期限盘上,在芯片粘结和引线键合之后,用递模或注模工30℃,RH<85%≤30℃,RH<60%艺将组装好的部分上模塑包封,是目前应用最为广泛RH<60%的一种BGA器件,主要应用在通信产品和消费产品1 68 h4级≤30℃,RH<60%72h上。由于其具有以下优点,因此广泛应用于SMT的≤30℃,RH<60%48h≤30℃,RH<60924h组装:高的ⅣO引出端数与封装面积比;与环氧树脂在组装过程中,BGA的包装被打开后无法在相应PCB的热膨胀系数CTE相匹配,热综合性能良好;的时间内进行组装,而且暴露的时间超过了表1中规良好的电气性能;高的互连密度;SMT组装中较低的定的时间,那么在下一次使用之前为了使BGA具有焊球共面性要求,一般为015020mm:SMT回流工良好的可焊性中国煤化工。烘烤温度收稿日期:2005-12-20通讯作者:胡强CNMHG作者简介:胡强(1976)男,湖北安陆人,工程师,主要从事微连接材料与工艺方面的研究。Te125:E-malr:qiang. nu(walcatel-sbell comcn胡强:BGA组装技术与工艺般不要超过125℃,RH低于60%,因为过高的温度会豁口及拐角处。由于BGA的热容量较大,为了使PCB增加焊球和BGA连接处金属间化合物的厚度,在组表面元器件的热均匀性,在BGA周围5mm的区域内装过程中易产生裂纹导致BGA组装失效。烘烤时间不应再布局元器件,以避免PCB组装过程中温度分布与BGA的湿气敏感性等级和BGA的厚度有着密切的不均匀产生变形。关系,如表2所示。为了减小PCB的变形,提高BGA组装质量,良ab 2 Roasting time好的PCB材质是需要的,特别是对于适用于无铅化电封装厚度b/mm湿度敏感等级烘烤时间t/h子组装的焊接工艺,由于回流温度的升高,对PCB材质提出了更高的要求。目前广泛应用的改性FR4型基板,其Tg值大于170℃,基本上可以满足无铅和锡铅回流焊接工艺的要求。BGA对应的PCB的焊盘设计,一般比焊球直径小20%,每个焊球对应的焊盘应为实心铜盘,PCB焊盘的最大直径为BGA器件底部焊球的焊盘直径,最48小直径应为BGA器件底部焊盘直径减去贴装精度焊盘周围应设计阻焊膜,阻焊膜尺寸应比焊盘大480.1-0.l5mm,防止焊料流失,引起短路或虚焊。焊盘PBGA焊球成分一般为Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2旁边应设计通孔,通孔在孔化电镀后,必须采用介质和Sn96.5Ag30Cu0.5等合金,焊球间距一般有1.50,材料或导电胶进行堵塞,高度不得超过焊盘高度。127,10.08,05mn,焊球直径可根据不同应用对3BGA的组装工艺间距越小的BGA,其封装密度越高,对于BGA组装在BGA的组装过程中,每一个步骤,每一个工的工艺要求越高。艺参数都会对BGA的组装造成影响,因此对于BGACBGA的互连由Sn10Pb90高温焊球和把该焊球组装的每一个步骤都要严格控制。对于锡铅和无铅的通过Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2和Sn965Ag30u0.5电子组装工艺而言,焊膏印刷、贴片工艺过程都没有等低熔点焊料焊接到基板上完成的。焊球数组的间距太大的差别,主要的区别在于回流过程中温度曲线的为127mm时所用的焊球直径为0.89mm,间距为10设定,锡铅回流焊接工艺与无铅回流焊接工艺存在较mm时所用的焊球直径为0.64mm。CBGA封装的主大的差异。另外由于BGA的封装形式的不同,存在要优点包括:(1)封装组件的可靠性高,性能优良;的热阻不同,为了满足回流焊接温度曲线的要求,其(2)共面性好,易于焊接;(3)对湿气不敏感,存储温度设定与时间也存在一定的差异。时间长;(4)电气性能良好;(5)封装密度高。CBGA3.1焊膏印刷存在的主要缺点是与PCB的热膨胀系数CTE不匹配焊膏是合金焊料粉末、助焊剂系统和触变剂系统易造成热疲劳失效,因此热可靠性差,而且封装体边均匀混合而成,具有触变性能的膏状流体。焊膏的贮缘与PCB焊盘对准困难,封装成本较高。存条件一般在2-5℃下保存3-6个月,贮存时不会发TBGA是用铜/聚酰亚胺载带作基板实现芯片与生化学变化,也不会出现焊料粉与焊剂分离现象,并焊料球和PCB连接的一种封装形式,TBGA封装具以保持其黏度和粘性不变。焊膏在印刷之前须自然回温,下特点:()和环氧树脂电路板的热匹配性好;(2)可通般回温时间为48h,在焊膏回温到室温前,切勿过封装体边缘与PCB焊盘对准;(3)对湿度和热敏感,拆开容器或搅拌焊膏和强制加热回温,以免造成助焊不同材料的多元聚合对可靠性产生不利影响剂等成分析出。以保证良好的印刷性和焊接性。焊膏印刷的量要适宜,过多容易产生桥连等焊接2PCB设计缺陷,过少又容易产生开路或虚焊等焊接缺陷。焊膏由于BGA封装的特殊性,其焊点位于BGA封装印刷量的控制取决于印刷范本的厚度、刮刀压力的大体下部的面阵结构,在组装过程中PCB的微量变形就小和印刷速度。印刷范本一般采用不锈钢材料,对于可能造成BGA焊球的开路。因此BGA的位置设计应BGA范本开口直径胳小干焊盘直径,其厚度在远离PCB挠度很大的区域和高应力区,如PCB的般为0.12-0.1中国煤化工印刷四角、边缘位置、接插件、安装孔、槽、拼板的切割、印刷焊膏CNMH④刮刀,刮刀压电子元件与材料力一般控制在35-100N,压力太小使焊膏转移量不足,60~-180s,以便助焊剂能够充分发挥其作用。活化阶太大又使所印刷焊膏太薄,增加焊膏污染范本反面和段的温升速率一般控制在0.3~0.5℃/s。PCB基板的可能性。印刷速度一般为10~25mm/s,太回流阶段:此阶段焊点的温度已经上升到焊膏的快易造成刮刀滑行、漏印,太慢易造成焊膏卬迹边缘熔点温度以上,焊膏处于熔融状态。回流阶段的主要不齐,污染PCB基板表面。BA焊点间距越小,印刷目的是使熔融的焊料润湿焊盘与元器件的引脚,达到速度愈慢,才能保证良好的印刷质量。印刷后的脱模良好的焊接要求。对于PBGA,其焊球为Sn63Pb37,速度一般设定为0.5~1.0mms,焊点间距愈小,脱模速Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等合金,在回流过度应愈慢。目前有硏究表明,将脱模速度设定为可加程中焊球与焊膏一起熔化混合熔融后形成焊点;对于速的,即从零逐渐加速,可避免等速脱模时焊膏塌陷CBGA,其焊球为Sηl0b9髙温合金,在冋流过程中和焊膏与范本分离不良,其脱模效果良好焊球是不熔化的,焊膏熔化与焊盘和髙温焊球润湿形另外,在印刷时要注意控制操作的环境,温度控成焊点。因此需要合遹的时间保证熔融的焊膏能够很制在25℃左右,湿度控制在RH55%左右,卬刷后的好的润湿焊盘和焊料球,时间过短可能造成润湿不良PCB应在30min以内进行回流焊工艺,防止焊膏在空形成虛焊,时间过长则可能使焊料与焊盘之间形成很气中暴露过久而影响组装质量。厚的一层金属间化合物 CuSs和Cu3Sn,由于其脆性3.2贴片的特性易形成开裂造成焊点的失效。特别是对于无铅贴片的主要目的是使BGA上的每一个焊球与化电子组装,由于无铅焊料中合金元素Sn的含量高,PCB上的每一个对应的焊盘对正。由于BGA上的焊更易在高温下形成较厚的金属间化合物导致焊点的失球位于其封装体的底部,必须采用专门的设备来对中。效。对于SnPb焊接,一般要求在熔点183℃以上的时放置BGA的贴片杋其贴片的精确须达到0.001mm左间控制在60~90s,其中峰值温度210225℃范围内的右,BGA器件通过镜像识别,可以准确的放置在PCB时间控制在10-20s;对于无铅焊接,一般要求熔点板上。由于BGA焊球的共面性存在一定的偏差以及217~219℃以上的时间控制在60-120s,其中峰值温度焊膏印刷存在一定的差异,为了保证良好的焊接质量,230~-235℃范围内的时间控制在20~40s为佳。般将BGA高度减去2541~50.80m,同时使用延时冷却阶段:焊膏经过回流后助焊剂被完全消耗,关闭真空系统约400ms,使BGA在贴装时其焊球能形成了熔融的金属焊点。冷却阶段的主要目的是在焊够与焊膏充分接触,从而避免BGA在回流过程中某点凝固的同时细化晶粒,抑制金属间化合物的增长,个焊电开路的现象。以提高焊点的强度。但由于过快的冷却速度会造成3.3回流焊接PCB的变形和电子元器件的热裂化,特别是BGA这回流焊接是BGA组装工艺中较难控制的流程,样的吸热量大的元器件,冷却速率过快易造成内部封设定工艺参数,获得合适的温度曲线对于BGA的良装的损坏,从而导致BGA的失效。一般冷却速率控好焊接是非常重要的。由于BGA的封装形式的不同,制在1~3℃s以内CBGA的热阻比PBGA要大,因此达到相同的温度,CBGA比PBGA需要更高的温度设定和较长的预热时4结论间。对于锡铅焊膏和无铅焊膏,其温度设定值和加热BGA的组装是一个非常复杂的工艺过程,从BGA时间都有明显的不同。的封装形式、PCB的设计、焊膏的特性及其印刷工艺、预热阶段:预热的主要目的是使PCB及其元器件贴片工艺和适宣的回流焊接温度曲线,任何一个工序均匀受热,同时对PCB和元器件具有烘烤的作用,除出现问题都有可能造成BGA组装的失败。因此在去其中的水分,以及蒸发掉焊膏中适量的熔剂。预热BGA组装过程中,必须严格控制组装工艺流程,从而阶段的升温速率不能过快,以防止PCB受热过快而产提高BGA的组装质量。生较大的变形。一般升温速率控制在3℃/s,预热时间为60-90s之间参考文献活化阶段:此阶段的主要目的是使焊膏中的助焊[]CA哈珀电子组装制造M.北京:科学出版社,2005[2]张征翔.实现BGA的良好焊接[J.电子工艺技术,2003,24(1):79剂活化,除去焊盘表面和焊膏合金表面的氧化物,达]刘正伟BGA再流焊接技术电讯技术,204,):132-134到洁净的金属表面,为焊膏回流过程做好准备。同时[4] Wojciechowski Dominique, Chan Moses, Martone Fabrizio. Lead freeplastic area array BGAs and polymer stud grid arrays package reliability蒸发掉焊膏中过多的助焊剂和对PCB进行预热,防止J Microelectron Reliab, 2001, 41: 1829-1839[5]杨兵,刘颖.BGA封装技术[.电子与封装,2003,(7):6-13回流过程中升温过快造成PCB的变形。对于锡铅焊[6贾斌BGA元件接,此阶段的温度在150~180℃应保持60~120s;对于无铅焊接,此阶段的温度在160-200℃应保持H中国煤化工(12)5963编辑:尚木)CNMHG