1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善?！緒ord】 0.5mm間距CSP-BGA器件無(wú)鉛焊接工藝技術(shù)研究標(biāo)簽:標(biāo)題0.5mm間距CSP-BGA器件無(wú)鉛焊接工藝技術(shù)研究0.5mm間距CSP/BGA器件無(wú)鉛焊接工藝技術(shù)研究孫國(guó)清,李承虎(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230031)摘要:芯片級(jí)封裝器件因其小尺寸,低阻抗,低噪聲等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電子信息系統(tǒng)中.從器件封裝,印制板焊盤設(shè)計(jì),焊膏印刷,貼裝以及回流焊接等方面探討了0.5mm間距CSP/BGA器件無(wú)鉛焊接工藝技術(shù).關(guān)鍵詞:芯片級(jí)封裝;無(wú)鉛;印刷;貼裝;回流焊接中圖分類號(hào):T

2、G44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1004.4507(2011)o5.002504ResearchofLead-freeSolderingabout0.5mmPitchCSP/BGAComponentsSUNGuoqing,LIChenghu(The38ResearchInstituteofCETC,Hefei230031,China)Abstract:CSPcomponentsarewidelyappliedtotheelectroninformationsystemsfortheirlittlesize,lowimpedenceandlowyawpandSOon.Thepaperdiscuss

3、esthetechnologyofleadfreesolderingabout0.5mmpitchCSP/BGAcomponentsfromcomponentsincapsulation,designingofbondingpads,solderpasteprinting,pickingAndplacingandreflowsoldering.Keywords:CSP(chipscalepackaging);Lead-free;Printing;PickAndPlace;ReflowSoldering印制板組件的高密度化,高可靠性以及無(wú)鉛化發(fā)展趨勢(shì),其對(duì)元器件封裝尺寸,性能以及組裝工藝要求愈加

4、苛刻.CSP/BGA器件因其小尺寸,低阻抗,低噪聲等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛應(yīng)用于電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品中.但同時(shí),CSP/BGA器件在無(wú)鉛組裝工藝中有著較大的難度系數(shù),開展其焊接工藝研究顯得收稿日期:2011-04.13比較迫切.1封裝1.1定義CSP.是chipsizepackage的英文縮寫,即芯片級(jí)尺寸封裝.它是指芯片的面積與封裝體面積之比大于80%,通俗的說,芯片的邊長(zhǎng)比封裝體的邊封裝與測(cè)試電子工業(yè)毫用設(shè)苗長(zhǎng)小僅僅1mm左右.CSP/BGA就是具有芯片級(jí)尺寸封裝的器件.1.2結(jié)構(gòu)CSP/BGA器件應(yīng)用較多的主要有兩種結(jié)構(gòu)形式,即引線鍵合和倒裝鍵合(見圖1).引線鍵合式倒裝鍵合式2焊盤設(shè)計(jì)圖1引線鍵合

5、和倒裝鍵合0.5rn/n問距CSP/BGA器件,其焊球直徑為0.3iYlrn.(1)應(yīng)為每個(gè)焊球采用單獨(dú)焊盤,焊盤尺寸直徑設(shè)計(jì)為0.3mm;間距與焊球一致,為0.5mm;焊盤上不可設(shè)置過孔.(2)布線時(shí),焊盤可直接走線或通過過孔走線,過孔應(yīng)位于周邊4個(gè)焊盤的中間位置.CSP/BGA封裝體之下的所有過孔均用阻焊膜覆蓋.(3)應(yīng)用NSMD(阻焊層圍繞銅箔焊盤并留有間隙)的阻焊方式.3焊膏印刷工藝要保證焊膏至少75%的釋放率,焊膏的選擇,網(wǎng)板設(shè)計(jì),印刷工藝參數(shù)設(shè)置等異常關(guān)鍵.(1)熔點(diǎn).焊膏合金共晶溫度不能太高,根據(jù)元器件耐受溫度以及回流峰值溫度,一般選擇在210220較為合適;(2)無(wú)毒.無(wú)鉛焊膏

6、材料符合ROHS規(guī)范,不含有毒物質(zhì);(3)可靠性.焊接后,焊點(diǎn)要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電率;(4)成本.焊膏成本要低,應(yīng)用廣泛.我們優(yōu)選熔點(diǎn)在217左右的錫一銀一銅系焊膏.3.2設(shè)計(jì)網(wǎng)板3.2.1網(wǎng)板加工制作CSP/BGA器件網(wǎng)板開孔尺寸很小,要保證焊膏有效地從網(wǎng)板孔內(nèi)釋放,網(wǎng)板制作方法選擇至關(guān)重要.現(xiàn)階段網(wǎng)板加工制作方法主要有:化學(xué)腐蝕法,激光切割法以及電鑄法.結(jié)合使用絲網(wǎng)印刷機(jī)特點(diǎn)以及加工成本考慮,我們優(yōu)選激光切割外加孔壁拋光制作工藝方法.3.2.2網(wǎng)板厚度及開孔形狀,尺寸設(shè)計(jì)網(wǎng)板厚度,開孔設(shè)計(jì)直接影響焊膏釋放率.相比有鉛焊膏,對(duì)于無(wú)鉛焊膏釋放率下降幅度可達(dá)10%l5%.IPC7525

7、標(biāo)準(zhǔn)要求,焊膏印刷時(shí),網(wǎng)板開口尺寸滿足如下要求:孔徑比即W/T>1.5;開口面積/開口四周孔壁面積比>0.66,對(duì)于圓形孔,面積比公式為D/471;對(duì)于矩形孔,面積比公式為L(zhǎng)W/2(L+IV)式中:為開口長(zhǎng)度;為開口寬度;71為網(wǎng)板厚度;D為圓形開口直徑.根據(jù)以上要求,初步設(shè)計(jì)幾種網(wǎng)板開口尺寸(見表1).最終選擇0.1mm厚度的A4,A5,A6三種代號(hào)網(wǎng)板展開印刷試驗(yàn).3.1選擇焊膏應(yīng)選擇適合細(xì)間距器件印刷的無(wú)鉛焊膏,顆3.3印刷工藝參數(shù)設(shè)置粒直徑在2045m之間.對(duì)無(wú)鉛焊膏的選擇應(yīng)影響焊膏印刷質(zhì)量的參數(shù)主要有:刮刀角度,從以下幾個(gè)方面進(jìn)行參考:刮刀類型,印刷速度,

8、印刷壓力,脫模速度,脫模距電子工業(yè)毫用設(shè)備封裝與測(cè)試表1網(wǎng)板開口形狀,尺寸展開印刷試驗(yàn)見表2.網(wǎng)板網(wǎng)板開口形孔徑面積是否滿厚度狀,尺寸代號(hào)比比足要求/mm/mm圓形,直/0.625面積比<0.66,不滿足A10.12徑0.3要求方形,邊面積比<0.66,不滿足A20.122.50.625長(zhǎng)0.3要求方形,邊面積比<0.66,不滿A30.122.330.58長(zhǎng)0.28足要求圓形,直/0.75面積比>0.66,滿足要A40.1徑0.3求方形,邊孔徑比>1.5;面積比A50.10.75長(zhǎng)0.33>0.66,滿足要求方

9、形,邊孔徑比>1.5;面積比A60.10.7長(zhǎng)0.282.8>0.66,滿足要求離等.刮刀角度:刮刀角度一般在4575(.1間.據(jù)有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,為了保證印刷過程中焊膏有較好的滾動(dòng)性和填充性,刮刀角度選擇在60.刮刀類型:選擇不銹鋼刮刀,刮刀與網(wǎng)板接觸面應(yīng)無(wú)變形,扭曲,刮刀長(zhǎng)度應(yīng)選擇比印刷圖形長(zhǎng)度長(zhǎng)20mm左右.印刷速度:印刷速度設(shè)定必須保證焊膏在移動(dòng)過程中處于滾動(dòng)狀態(tài),一般印刷速度低,焊膏填充性好.對(duì)于0.5mm間距器件,一般印刷速度為1020mm/s.印刷壓力:印刷壓力不可過大,否則印刷過程中刮刀與網(wǎng)板之間壓力變大,刮刀印刷部位產(chǎn)生變形,導(dǎo)致刮刀印刷部位與網(wǎng)板之間

10、產(chǎn)生間隙,印刷后網(wǎng)板上會(huì)殘留焊膏.脫模速度,脫模距離:采用全自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)時(shí),脫模速度,脫模距離是影響印制板印刷完焊膏下降過程中的兩個(gè)關(guān)鍵因素.印制板下降過程中,由于焊膏與網(wǎng)板之間的附著力,網(wǎng)板會(huì)產(chǎn)生一定的變形,如果脫模速度過快,脫模距離短,網(wǎng)板會(huì)快速恢復(fù)變形,致使印制板上焊膏被拉起.一般對(duì)于0.5mm間距的器件,脫模速度設(shè)定在0.51illm/s,脫模距離為23mrll.3.4網(wǎng)板最終選擇對(duì)0.1mlTl厚度的A4,A5,A6三種代號(hào)網(wǎng)板表2印刷試驗(yàn)網(wǎng)板網(wǎng)板開口形是否滿厚度狀,尺寸焊盤上焊膏狀況足要求代號(hào)/mm/mm圓形,直無(wú)焊膏溢出焊盤,焊盤A40.1上有90%面積覆蓋有不滿足要求徑O.3

11、焊膏;但脫模效果差方形,邊A50.1有少量焊膏溢出焊盤不滿足要求長(zhǎng)0.3方形,邊無(wú)焊膏溢出焊盤,焊盤A60.1上有90%面積覆蓋有滿足要求長(zhǎng)0.28焊膏,脫模效果好3.5印刷工藝選擇0.51TUTI間距CSP/BGA器件使用絲網(wǎng)印刷機(jī)進(jìn)行無(wú)鉛焊膏印刷時(shí),應(yīng)采取如下措施:f11選擇熔點(diǎn)在217左右的錫一銀一銅系焊膏.焊膏顆粒直徑在2045Ixm之間.(2)網(wǎng)板設(shè)計(jì).網(wǎng)板鋼片采用0.1mlTl厚度,開孔應(yīng)設(shè)計(jì)成邊長(zhǎng)0.281TIITI方形口,為保證焊膏平滑漏印,開口四周拐角應(yīng)進(jìn)行0.06mm的倒圓角且開口孔壁進(jìn)行拋光工藝處理.(3)絲網(wǎng)印刷機(jī)設(shè)置.刮刀角度選擇在60(.),印刷速度為1020mm/

12、s;脫模速度設(shè)定在0.51mm/s;脫模距離為23mirl.4貼裝工藝4.1預(yù)處理工藝由于采用的CSP/BGA芯片為塑封封裝,極易吸潮.為防止芯片在回流焊接過程中產(chǎn)生鼓泡,裂紋等不良現(xiàn)象,貼片前,應(yīng)在真空干燥箱內(nèi)125下至少烘烤6h.4.2貼片工藝設(shè)置貼片的目的就是將CSP/BGA芯片準(zhǔn)確地放置在印好焊膏的印制板指定位置上.這里涉及到定義器件的封裝,貼片機(jī)吸嘴的選擇,照相機(jī)的選擇,供料器裝置設(shè)置以及印制板上基準(zhǔn)點(diǎn)定義,安(下轉(zhuǎn)第51頁(yè))囫墨圄衄(總第196期)-電子工業(yè)毫用設(shè)吝封裝與測(cè)試要的頻率數(shù)值來設(shè)計(jì)壓電換能器和聚能器;同時(shí),由于聲負(fù)載阻抗的變化,將會(huì)帶來?yè)Q能器諧振頻率的變化,故又要使換能

13、器工作在一定的頻率范圍,該問題已通過前面介紹的頻率自動(dòng)跟蹤解決;(2)振幅根據(jù)工藝要求,合理設(shè)計(jì)聚能器,使振幅放大到工藝要求;(3)振動(dòng)模式適當(dāng)選擇壓電晶片和聚能器的外形尺寸,使其遠(yuǎn)離徑向振動(dòng)模式的諧振頻率,從而消除或抑制寄生的徑向振動(dòng);(4)換能器的安裝所有的聚能器都存在著一個(gè)J止j(上接第27頁(yè))波截面,在波節(jié)面處可用其他裝置運(yùn)用適當(dāng)?shù)牧貙?duì)整個(gè)換能器進(jìn)行固定,從而減小振動(dòng)能量的損耗.所用的力矩不可過大,否則會(huì)導(dǎo)致聚能器截面的變形,從而降低整個(gè)超聲系統(tǒng)的性能.參考文獻(xiàn):1林書玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)M.北京:科學(xué)出版社,2004.2陳桂生.超聲換能器設(shè)計(jì)M.北京:海洋出版社,1984.裝

14、CSP/BGA位置中心坐標(biāo)定義等等.CSP/BGA器件安裝在印制板上時(shí),必須保證焊球在z軸方向能與焊膏充分接觸,扒Y方向中心偏離焊盤不大于焊球直徑的25%.5回流焊接工藝根據(jù)焊膏特性,我們選擇保溫型溫度曲線,整個(gè)回流時(shí)間控制在4min左右.回流前,應(yīng)先確定回流速度(回流速度=加熱區(qū)長(zhǎng)度/回流時(shí)間),再調(diào)整預(yù)熱區(qū),保溫區(qū),回流區(qū)以及冷卻區(qū)的參數(shù)設(shè)置.預(yù)熱區(qū):目的是將印刷線路板的溫度從室溫提升到錫膏內(nèi)助焊劑發(fā)揮作用所需的活性溫度,溫度升得不可太快.升溫速率控制在13/s.保溫區(qū):目的是使印刷線路板上各個(gè)區(qū)域的元器件溫度相同,減少他們的相對(duì)溫差,并使錫膏內(nèi)部的助焊劑充分地發(fā)揮作用,去除元器件焊端和焊

15、盤表面的氧化物,從而提高焊接質(zhì)量.溫度控制在160190之間,升溫速率控制在12/s,時(shí)間控制在45S90S間.回流區(qū):目的是使焊點(diǎn)溫度提升到錫膏的熔點(diǎn)溫度以上并維持一定的焊接時(shí)間,使其形成合金,完成元器件焊端與焊盤的焊接.峰值溫度控制在235250之間,液相線以上時(shí)間控制在408OS間.冷卻區(qū):目的是使焊點(diǎn)迅速降溫,焊料凝固.冷卻速度控制在4/s左右,有助于形成精細(xì)的焊點(diǎn)微結(jié)構(gòu),提升焊點(diǎn)機(jī)械性能,增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性.CSP/BGA器件經(jīng)回流焊接后需經(jīng)X.RAY檢測(cè),應(yīng)無(wú)橋接,焊料球丟失,開路,冷焊,錫珠,空洞(空洞不大于焊點(diǎn)體積的15%)以及錯(cuò)位等不良缺陷.6結(jié)束語(yǔ)0.5mm間距CSP/BGA器件裝焊難度較大,裝焊過程中器件預(yù)處理,焊膏印刷,貼片,回流焊接等環(huán)節(jié)必須建立有效的控制手段,才能保證最后的焊接質(zhì)量.參考文獻(xiàn):1GJB49072003.球柵數(shù)組封裝器件組裝通用要求S.2宋好強(qiáng)