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封装技术
PoP及BGA焊接中氮气保护气氛的应用(第二部分)
录入时间:2015/6/11 12:22:52

吴亮a,王豫明b,董春a,王开玉a,Gregory K. Arslaniana,Ranajit Ghosha

a.美国空气产品公司            b.清华大学清华–伟创力SMT实验室

摘要

在常规焊接条件下,元件变形可直接影响枕头效应(Head-in-Pillow, HIP)及开路的形成。本文采用单个BGA元件与印制板在返修工作站上焊接,并用高速摄像机拍摄第一排焊球的焊接全过程。由于受元件变形的影响,每个焊球与对应焊膏的相对位置和距离都发生变化。实验中分别采用氮气和空气两种气氛,从而研究在叠层封装(Package-on-Package, PoP)和球栅阵列封装(Ball Grid Array, BGA)焊接中氮气保护气氛对降低焊接缺陷的影响。结果显示与空气中焊接相比,氮气焊接可显著提高避免焊接缺陷所允许的元件最大变形量,且所形成的焊点也更牢固。

1、    引言

随着移动电子设备(如:智能手机和可穿戴设备)的小型化和多功能化,使用的各种元器件越来越小,结构越来越复杂,封装密度也越来越高,给电子封装和组装行业提出了极大的挑战。无论是锡铅焊料还是无铅焊料,焊点的最终形成会受到焊接气氛的影响。氮气气氛下焊接不仅有利于减少焊接缺陷,而且也可以显著提高焊点的长期可靠性。由于无铅焊料的润湿性能较差,惰性气体的使用就更加必要。

叠层封装(Package-on-Package, PoP)和球栅阵列封装(Ball Grid Array, BGA)已凭借其性能和价格优势成为封装技术的主流。随电子器件小型化高密集化发展,焊球间距和尺寸越来越小,基板不断减薄,但封装尺寸却在不断增大,引脚数不断增多,复杂性也日益增加。由各种因素引起的焊接缺陷不断增多,枕头效应(Head-in-Pillow, HIP)就是其中之一。枕头效应是指回流过程中,元件上的焊球(头)与焊盘上的焊膏(枕头)之间未完全熔合的现象。这种缺陷有一定的机械接触,却不能形成良好的冶金结合,也不能实现良好的电气连接。枕头效应缺陷由于保持局部机械连接和电气连接,导致前期的测试中很难发现其存在,而在后期的安装、使用过程中发生失效,造成极大的安全隐患,严重影响产品质量。这种现象在BGA和PoP封装中比较常见,出现这种问题的原因通常是熔化的焊膏或焊球表面形成了氧化层,当焊料熔化时,该氧化层仍为固态,导致出现不完全熔合。除此之外,元件和印制板的翘曲等也直接影响枕头效应的形成。

本研究的第一部分已发表在《半导体科技》杂志2015年第一期上,主要探讨板级组装过程中各种因素,如元器件、印制板、设计、材料以及焊接工艺对直通率和焊接缺陷(主要是枕头效应)的影响,特别强调了焊接气氛对焊接质量的改善。本文是该研究第二部分,主要观察单个BGA元件上的焊球在元件变形及焊接气氛的影响下所经历的焊接全过程,从而硏究在PoP和BGA焊接中氮气保护气氛对降低焊接缺陷的影响。

2、    实验方法

2.1   实验材料

本实验所用元件和焊膏如表1所列。所有元件在焊接前均进行老化处理,目的是加速焊球表面氧化,以方便对某些焊接缺陷形成的研究。经测量氧化层厚度一般在250-300nm左右。焊膏为多次使用后剩余的焊膏。

表1 - 元件及焊膏

元件

 

焊膏

品牌

清华大学

品牌

Indium

备注

型号

HIP200, HIP000, HIP520

型号

5.8LS,IPN:83753

多次使用后用于本实验

焊接材料

Sn97Ag2.5Cu0.5 (熔点221 oC)

合金

SAC305

焊球间距

1.0 mm

助焊剂含量

11%

焊球尺寸

0.45 mm

颗粒大小

Type 3

本实验所用模板采用0.45mm开口,模板厚度为0.1mm。

2.2   实验流程

如图1所示的工艺流程示意图,先将BGA元件放在返修工作站的吸嘴上,在印制板上印刷焊膏,然后按照所示焊接曲线将元件及印制板加热。当温度进入回流区时,将返修工作站的吸嘴放下,以左边第一个焊球接触焊膏为准。由于升温导致返修工作站的吸嘴下降一个距离h(约140mm左右),元件也随之下降,元件上所有焊球都会下降并接触焊膏,单个焊球的接触深度和接触时间由元件的变形确定。当焊接进入冷却阶段时,吸嘴还会自动向上缩回h距离。在焊接过程中,元件第一排焊点所经历的升温、接触、熔化、拉伸、固化的五个步骤,均由高速摄像机拍摄记录,其典型截屏见图2。

图1 - 焊接工艺流程示意图及所对应的焊接曲线

图2 – 焊接过程五步典型截屏图

3、    实验结果

3.1   元件变形测量

在正常焊接条件下,元件变形直接影响HIP及开路的形成。假设PCB的变形很微小,可以忽略,则元件的变形是影响HIP形成的一个重要因素,因此,首先对元件的变形进行测量。采用TherMoiré PS200设备对HIP200、HIP000、HIP520三种封装元件进行变形测量,测量结果如图3所示。从图3看到,三种元件变形趋势基本一致,常温状态下元件变形呈现上凹陷的笑脸(concave),随温度升高,元件开始变平,逐渐向上弓曲变为哭脸(convex),当温度下降后又变回向上凹陷的笑脸(concave),温度在250℃左右时,元件的变形最大,详情见图3。比较三种元件的变形,HIP200变形最大。因此,以下实验重点研究HIP200元件在空气和氮气下单个焊点的焊接过程及缺陷的形成。

图3 – 三种元件在不同温度下的变形趋势

3.2   HIP200焊接缺陷统计

将HIP200在四个实验中得到的焊接完成板进行焊点质量统计,得到每块板的焊接质量,归纳于表2中。从表中看到,氮气条件下焊点质量高于空气下,氮气下的两个实验共有12个焊球连接良好,而空气中的两个实验共有4个连接良好。氮气中有1个HIP,空气中有6个HIP。由于实验中元件在焊接结束时会向上抬起h高度,加上元件的变形,因此焊点开路的数量比焊接良好的数量要大。

 3.3   最终焊点图和最高温度截屏图

如图4所示,对四个实验的焊接后结果分别用光学显微镜拍照,从而得到4幅焊点全貌图;同时对已有的录像在最高温度时进行截屏,也得到4幅截屏图。

图4 - HIP200最终焊点图和最高温度截屏图

4、    实验结果分析

4.1   元件变形引起的焊接缺陷如上文已述,元件在加热到焊接过程中的最高温度时,变形最大,且呈上弓曲变,因此元件上的每个焊球与所对应焊膏的位置都产生相应的位移。位移越大,越容易引起HIP或者开路。为了找出避免HIP的最大允许位移(即位移阈值),首先对图4中的最终焊点图(光学拼图)进行仔细分析,找到发生HIP缺陷的、位移最小的焊球,然后再从图4中的最高温度截屏图上测出相对应的焊球的位移,其测试方法见图5。

图5 -测量焊球位移的方法:已知焊球间距为1.0mm,利用网格法测量位移量

从表2看到,在氮气下及最高温度时发生HIP的焊球最小位移量(即位移阈值)平均为126mm,而在空气下则为53mm。氮气条件下允许的焊球位移超过空气的2倍。因此在氮气条件下焊接,可显著避免HIP及开路的形成。

表2 - HIP200焊点质量统计表

表3 - 发生HIP的位移阈值

 

4.2   单个焊球的研究

为了更加直观了解在整个焊接过程中单个焊球的表现行为,着重分析左边第一焊球及对应焊点的形成。结合视频录像,分别在图2中所示的第一步、第二步、第三步、第四步和第五步进行单个焊点的截图,将它们拼放在一起,可以非常直观地看到焊接过程。图6显示了左边第一个焊球的焊接过程。在四个实验中的第一步,焊球与焊膏均未发生接触,焊接状态基本相同。从第二步到第四步,氮气条件下焊膏与焊球基本熔为一体,而空气条件下的焊球、焊膏虽分别熔化,但未完全熔为一体。甚至到第四步,仍有界面存在。到第五步焊点被向上拉伸时,氮气下的焊点抗拉强度大,形成柱状焊点,而空气条件下的焊点抵抗外力的能力弱,形成锥状焊点。锥状焊点如进一步恶化就会引起开路。

图6  HIP200左边第一个焊球焊接过程图

以上氮气和空气下的焊接过程及造成的焊接质量差异可以通过熔合示意图(图7)解释。假若熔化的焊球为液柱A,熔化的焊膏为液柱B,则液柱A和液柱B熔合后,液柱A下端面和液柱B上端面的消失将导致系统能量降低,其所降低的能量叫做熔合功或内聚功。单位面积的熔合功可表述为:W = sA + sB ,式中sA为液体A的表面能,sB为液体B的表面能。显然熔合功越大,两液体的吸引及熔合能力越强。氮气下焊接,焊球与焊膏在焊接过程中的表面氧化可被有效抑制,因此两者的液态表面能较高从而产生较大的动力相互熔合。而在空气下焊接,焊球与焊膏的氧化随升温而不断加剧。氧化膜的增厚不但阻碍了焊球与焊膏的直接接触,也大大降低了焊料熔化后的液态表面能和熔合力。所以,空气下焊接会増大HIP和开路的形成,而氮气下焊接则可显著降低HIP和开路的缺陷率。

图7 – 焊球A和焊膏B熔合示意图

5、    结论

1)    在常规焊接条件下,元件变形直接影响HIP及开路的形成。而利用氮气保护气氛焊接,可显著提高避免焊接缺陷所允许的元件最大变形量,即变形阈值。

2)    与空气中焊接相比,氮气保护气氛可明显促进焊膏与焊球的润湿及熔合,且氮气下焊接所形成的焊点也更牢固。

致谢:

本研究所有实验均在清华大学清华–伟创力SMT实验室完成,由美国空气产品公司提供全部经费支持。

参考文献

1.         Leora Lawton,“Nitrogen Atmosphere: Who Needs it?”,Circuits Assembly, JULY 1998, P 32-34;

2.         Ursula Marquez de Tino、Denis Barbini,“焊接气氛对焊点形成的影响”,
http://www.emasia-china.com/article.asp?articleid=5460

3.         Maëva S. Tureau, Gregory K. Arslanian, Christine C. Dong, Ranajit Ghosh, Jerry Wu,“氮气回流工艺有助于减少枕窝缺陷”,SMTChina,2014年4月/5月,P47-50;

4.         赵振宇,刘磊,蔡坚,王豫明等,“封装体中枕头效应的翘曲模拟研究”,焊接,2014年第1期,P13-17;

5.         王天曦,王豫明等编著,“贴片工艺与设备”,电子工业出版社,2008。

6.         傅献彩沈文霞姚天扬,“物理化学”,高等教育出版社,2005。


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