無鉛裝配中MSL等級對PBGA封裝體翹曲的影響有哪些?

摘要：

本文介紹了一系列球間距為1.0毫米的塑封BGA（以下簡稱PBGA）在線路板上的焊接試驗，經(jīng)X-RAY和C-SAM檢測，有短路，分層等焊接缺陷產(chǎn)生。試驗中通過對熱屏蔽模量的測量，評估PBGA封裝體的翹曲以及MSL等級與PBA裝配結(jié)果之間的關(guān)系，試驗結(jié)果證明：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，硅節(jié)點尺寸的減小，封裝體本身的翹曲也在逐漸增大，大的PBGA封裝體（大于35毫米）在IPC/JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)中被明確指出，濕度/溫度在MSL-3/260℃情況下，回流過程會引起PBGA器件封裝體的更加嚴(yán)重的翹曲，從而導(dǎo)致回流后PBGA周邊焊球橋接，造成短路。傳統(tǒng)的錫/鉛焊接工藝中PBGA封裝體的翹曲以及MSL等級與焊接結(jié)果是相匹配的，而在無鉛焊接過程中，回流溫度要升高，以前標(biāo)準(zhǔn)中與之匹配的翹曲度及MSL等級與無鉛裝配結(jié)果不再相符，本試驗?zāi)康木褪峭ㄟ^對不同封裝尺寸，不同濕度等級的PBGA組裝焊接試驗，找出適合無鉛溫度的PBGA封裝體翹曲與MSL等級加入到IPC標(biāo)準(zhǔn)中，通過熱屏蔽模量的測量結(jié)果分析，指導(dǎo)球間距為1.0毫米，不同封裝尺寸，不同硅節(jié)點尺寸的PBGA的無鉛裝配。

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IPC/JEDEC J-STD-020C 對器件封裝體濕度等級分類制定了標(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/溫度（回流焊接過程中峰值溫度）。該標(biāo)準(zhǔn)中器件濕度等級是建立在電氣測試結(jié)果以及在指定的濕度等級和回流峰值溫度范圍內(nèi)C-SAM破裂/分層檢測基礎(chǔ)上的。J-STD-020C存在一個潛在問題：那就是遺漏了一個要求，即評估器件本身高溫封裝時器件基體的翹曲及濕度與PBA裝配過程中高溫回流的匹配關(guān)系。了解高溫封裝器件本身的翹曲，可以更好的執(zhí)行含有PBGA的線路板組裝?，F(xiàn)在J-STD-020C中的測試數(shù)據(jù)沒有描述高溫封裝器件在無鉛組裝中翹曲度與濕度的匹配關(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等級的匹配關(guān)系。本文是用多焊球的PBGA試驗的，因為該器件在高溫封裝過程中已發(fā)生過器件基體本身的翹曲，而在LEAD-FREE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。熱屏蔽模量測試方法可以測量PBGA超出翹曲度時，濕度級別對SMT組裝的影響，測量是從室溫到LEAD-FREE回流峰值溫度260℃進(jìn)行的，下圖是一典型的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由于回流峰值溫度高，PBGA器件基體因焊料表面張力的作用翹曲變得更嚴(yán)重，同種測試方法，器件的濕度越大，回流后器件翹曲度亦越大，以上兩種因素都可直接導(dǎo)致焊接缺陷的增多，圖二為翹曲器件經(jīng)回流焊接的實驗結(jié)果：

將室溫下翹曲器件（圖2.a）貼裝在PCB上回流焊接，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（圖2.c）所示的短路焊點，多次試驗證明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。
上述試驗證明：當(dāng)PBGA用于無鉛焊接工藝時，因回流焊接溫度升高導(dǎo)致短路幾率會越大，所以PBGA器件生產(chǎn)廠商一定要保證PBGA封裝基體的平整性，減少翹曲，把濕度降到最小，同時采用良好的包裝材料，確保PBGA與空氣隔絕，使用時嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作，減少器件暴露于空氣中的時間。

試驗?zāi)康模?br>一 確定封裝尺寸與節(jié)點尺寸如何匹配，器件高溫封裝及回流時基體翹曲最小。
二 判定無鉛焊接工藝中器件封裝體濕度等級與翹曲對SMT裝配的影響程度，重新確定IPC J-STD 020C中與焊接溫度相匹配的MSL等級，消除SMT裝配中濕度，峰值溫度與焊接缺陷的不匹配性。
此次研究選用了九種不同封裝尺寸/濕度級別的PBGA（見表一），封裝尺寸23X23mm--37.5X37.5 mm，球間距1.0 mm，節(jié)點尺寸5X5 mm11X11 mm，器件封裝基體為四層金屬層，BT厚度為0.560.61 mm，PBGA封裝圖如下圖三：試驗工藝流程（如圖四）：

1） 對器件進(jìn)行預(yù)處理：首先在 125℃溫度下烘烤72H（除濕），然后在 30℃/60% 環(huán)境下放置 192H （執(zhí)行IPC/JEDEC J-STD-020C MSL-3）
2 ）將器件貼裝到2.26毫米厚，高TG， FR4材料，焊盤直徑0.5毫米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SN-PB和PB-FREE兩種 免清洗焊膏
模板開口為0.432毫米正方形和φ0.076毫米圓形
3）回流焊接：回流爐為強(qiáng)制熱風(fēng)回流爐，用熱電偶測溫儀監(jiān)控器件表面溫度，回流峰值溫度設(shè)定在240--260℃
4）檢測：使用X-RAY觀察焊球是否短路
使用超聲顯微鏡（C-SAM）觀察內(nèi)部是否分層，斷裂，測試中通過對熱屏蔽模量的分析，統(tǒng)計PBGA器件在回流過程中的翹曲變化。屏蔽模量的測試屬于非接觸式測試，可測出焊點表面因溫度變化而改變的具體情況，3-D模量測試結(jié)果如圖五所示：

最大，最小的翹曲變化在圖中明顯不同，（+）號表示凸起（封裝體四周下榻）;（-）號表示凹下（封裝體四周上揚）,熱屏蔽模量測試是專項測試，即：只將PBGA組裝到PCB上，而不是整板裝配的測試，試驗分兩部分：1）裝配烘干后的PBGA器件
2）裝配烘干后并按MSL級別處理過的器件
測試中使用的PBGA器件焊球與封裝體相連處的焊接并未做過測試，可能有焊接缺陷存在。

測試結(jié)果與結(jié)論：
一 試驗#1：評估傳統(tǒng)的MSL等級標(biāo)準(zhǔn)：試驗A和試驗B
試驗A中所用PBGA，按照J(rèn)-STD-020C 中MSL等級標(biāo)準(zhǔn)，對PBGA進(jìn)行MSL-3等級濕度處理，然后采用無鉛焊料及無鉛焊接工藝將PBGA貼裝到PCB的指定位置，回流峰值溫度設(shè)定為260℃。

試驗B中所用PBGA，節(jié)點由硅材料構(gòu)成，節(jié)點大小不同于試驗A節(jié)點大小，按照J(rèn)-STD-020C 中MSL等級標(biāo)準(zhǔn)，對PBGA進(jìn)行MSL-3等級濕度處理，然后所有材料均采用無鉛焊料及無鉛焊接工藝將PBGA貼裝到PCB板上不同于試驗A的位置，回流峰值溫度設(shè)定為240℃和250℃。測試結(jié)果見表三：

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C-SAM及X-RAY 分析試驗A的結(jié)果，如圖六：試驗A中所用PBGA按照J(rèn)-STD-020C標(biāo)準(zhǔn)，在MSL-3/260℃條件下，通過C-SAM測試，但在X-RAY測試中焊點短路現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

試驗B中所用PBGA，按照J(rèn)-STD-020C 中MSL等級標(biāo)準(zhǔn)，對PBGA進(jìn)行MSL-3等級濕度處理，然后采用無鉛焊料及無鉛焊接工藝將PBGA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測試，但在X-RAY測試中焊點短路現(xiàn)象仍然存在；如果對PBGA器件進(jìn)行烘干處理后馬上進(jìn)行裝配，在回流峰值溫度設(shè)定在240℃時，即可通過C-SAM超聲測試也能通過X-RAY短路測試。

該試驗結(jié)果與圖二的說明比較，得知器件溫度翹曲模量的變化與濕度級別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濕度級別分類標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)加入回流峰值與之匹配的濕度級別對板極組裝產(chǎn)生的影響，讓SMT廠家成功實現(xiàn)PBGA的無鉛焊接。

二 試驗#2 ：節(jié)點尺寸的影響：
表一中的CF是用于研究硅節(jié)點尺寸在PB-FREE焊接過程中的性能表現(xiàn)，在C-F的試驗中，封裝體尺寸均為37.5X37.5MM，節(jié)點尺寸為5X511X11MM，其中C無節(jié)點，溫度翹曲模量測試是在MSL-3及烘干條件下進(jìn)行的，回流溫度在25℃--260℃進(jìn)行，溫度翹曲模量測試結(jié)果如表四，PBA組裝結(jié)果如表五，

圖七是四種不同節(jié)點的PBGA在不同溫度下翹曲模量，圖八是不同節(jié)點的PBGA在相同溫度下的翹曲模量。圖九中，元器件尺寸為37.5X37.5MM，節(jié)點尺寸為8X8MM（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℃，PB-FREE 260℃條件下進(jìn)行，焊接結(jié)果用3X放大鏡目檢。C-F PBGA試驗結(jié)果證明：同樣封裝尺寸的PBGA，隨著節(jié)點尺寸的變化，在無鉛焊接過程中，產(chǎn)生截然不同的結(jié)果，X-RAY分析，節(jié)點為11X11MM的PBGA在峰值溫度為260℃的無鉛工藝情況下，焊接結(jié)果最為理想。C-F試驗中，其它節(jié)點尺寸均以PBGA焊球短路而告焊接失?。òo節(jié)點PBGA），而C-SAM則顯示按J-STD-020C? MSL標(biāo)準(zhǔn)，在干燥/ 260℃條件下，C-F均能通過C-SAM試驗，上述試驗結(jié)論為以后修正濕度/溫度，翹曲度與成功無鉛焊接，濕度級別分類標(biāo)準(zhǔn)提供了強(qiáng)大的實際應(yīng)用支持。

三 試驗#3 ：封裝體尺寸的影響：
表一中，H.I則是對不同封裝尺寸的PBGA執(zhí)行無鉛焊接時的試驗，試驗中，節(jié)點尺寸均為5X5MM，封裝體尺寸為23X23MM37.5X37.5MM，翹曲模量是按MSL-3和烘干兩種條件下，從25℃--260℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，溫度翹曲模量測試結(jié)果如表六，PBA組裝結(jié)果如表七，

圖十翹曲模量顯示，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PBGA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翹曲度的影響可參考試驗#2的結(jié)論，封裝尺寸與翹曲量的試驗結(jié)果見圖十一，分別是SN-PB 220℃，PB-FREE 260℃，條件下進(jìn)行SMT裝配。PBA裝配結(jié)果表明：35MM，37.5MM兩種封裝尺寸的PBGA（I D）無鉛工藝，見表七，當(dāng)封裝尺寸小于等于27MM時SMT裝配過程中，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)，試驗板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，I D，則要修正J-STD-020C C-SAM標(biāo)準(zhǔn)，要滿足大封裝PBGA的無鉛焊接工藝要求（上述試驗中，BGA球間距為1.0MM，球間距毫無質(zhì)疑對焊接有直接影響，翹曲對小焊球間距影響更大，從而對焊接結(jié)果影響也更大）。

四：翹曲模量/PBA裝配之間的關(guān)系：
通過對球間距1.0MM，封裝體尺寸37.5X37.5MM 的不同材料的PBGA，在不同的MSL等級/回流峰值溫度情況下的試驗，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，不會出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

試驗結(jié)果表明，封裝體的翹曲度直接影響PBGA在PCB上裝配時，PBGA四周焊球短路的發(fā)生率，尤其對于1.0MM間距的PBGA，因此裝配前通過熱屏蔽模量的測試數(shù)據(jù)評估PBGA在PB-FREE SMT裝配中的匹配性是非常重要的。

結(jié)論：
PBGA因封裝體翹曲，導(dǎo)致PBGA內(nèi)部濕度增大，PBGA在SMT無鉛焊接過程中，回流溫度較高，則會導(dǎo)致BGA焊球短路，造成焊接缺陷，另外，PBGA封裝體的翹曲與封裝體尺寸，硅節(jié)點尺寸相關(guān)，見效封裝體尺寸，增大硅節(jié)點尺寸，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/回流峰值級別分類測試，當(dāng)由于封裝體翹曲度較大，會引起PBGA四周焊球短路，從而導(dǎo)致PBA失敗，而封裝尺寸小于27MM的1.0MM間距的PBGA，因封裝翹曲較小，可以順利通過PBA裝配而不會出現(xiàn)焊球短路現(xiàn)象。我們的試驗顯示，傳統(tǒng)的IPC/JEDEC濕度/回流峰值溫度分類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該通過改進(jìn)（修正），說明PBGA封裝對PBA裝配產(chǎn)生的影響，提高PBGA在無鉛SMT裝配中的實用性。

感謝
研發(fā)工作中得到位于新加坡Agere Systems團(tuán)隊的支持，致以非常的感謝；同時向 Budi Njoman, Simon Chua, and Sam Kitiplanunt致以特別的感謝。

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