军用无铅BGA器件焊接工艺选择与实现

来源:收集 点击数:85 更新时间:2018/12/3 10:41:07

   有时候,印制板组装不得不面对含铅器件和无铅器件混装的问题。面对这种局面,通常有三种选择:使用有铅焊料焊接混装组件;或者对无铅的BGA及其他无铅封装器件进行有铅转化后,使用有铅焊料焊接;再者是使用无铅焊料焊接混装组件”[1,2]。和无铅焊料相比,有铅焊料合金熔点低,焊接温度低,对电子产品的热损坏少;合金润湿角小,可焊性好,产生焊点“虚焊”的可能性小[3]。焊料合金的韧性好,形成的焊点抗振动性能优于无铅焊点。因此,在高可靠产品领域,通常不采用无铅焊料进行焊接。

        本文围绕混装组件的实施方法展开论述,详细介绍适用于有铅焊料焊接混装组件的工艺方法和风险分析,最终结合工作实际给出较为完整的应对策略。

1 混装组件焊接工艺的选择

        目前,解决有铅/无铅混装组件焊接的工艺方法主要有使用有铅焊料焊接混装组件,以及器件进行有铅化转化这两种方法。

        有铅焊料焊接混装组件是指使用传统的63Sn37Pb焊料,兼顾有铅和无铅焊料熔点的温度曲线,对组件进行焊接的方式。美国国家电子制造项目(NEMI)中的无铅特别小组【4,5】,对焊球合金为Sn-Ag-Cu的BGA的向后兼容性进行了评估。其中对Sn一3.8Ag一0.7Cu焊球合金的BGA,在峰值温度220℃以下进行回流焊。经对不同的元件进行评估,评估结果显示:Sn-Ag—Cu BGA焊球使用sn—Pb焊膏形成的焊点与典型的Sn-Pb焊点在性能上是等效的。国内桂林电子科技大学的蒋廷彪等人研究了不同工艺参数,认为只要工艺参数控制得当,使用共晶sn—Pb焊接无铅BGA是可行的【6】。

        无铅元器件的有铅化处理是指利用工艺手段把无铅镀层去除并替换为有铅镀层的方法。一般来说,对于有引线无铅元器件,使用砂纸轻轻磨去引线上的无铅镀层,再对引线进行搪锡处理,通常需要进行两次以上的弓1线搪锡。无引线无铅元器件的转化工艺与之类似,只是处理时需要更加注意。球形焊端元器件的转化工艺实际就是先将BGA器件的锡球去除,然后用丝网漏印的方法将63Sn37Pb材料制成的锡球植入芯片,再将芯片进行回流,将有铅锡球焊接在芯片上。

        可以看出,对器件的有铅化处理,虽然可使用比较成熟的有铅焊接工艺,获得较高的焊接可靠性。但是器件的有铅化处理工艺较复杂,对流程的控制难度较大,有铅化处理过程本身容易引入缺陷。因此,加强参数控制,使用有铅焊料焊接混装组件的方法更有优势。

2 使用有铅焊焊接混装组件时的主要风险及对策

        使用有铅焊料焊接混装组件时,由于印制板上既有无铅器件,还有大量的有铅器件,对工艺的选择提出了更高的要求,可能会遇到以下一些技术风险。

2.1焊接温度的选择

        由于印制板上既有无铅器件,还有大量的有铅器件,这就给工艺设计提出了一个难题。如果单纯考虑有铅器件的焊接,峰值温度控制在215±5℃,可以获得满意的焊接效果,但是这却无法满足无铅器件锡镀层231℃左右的峰值温度要求。然而如果提高焊接温度,则又会带来如下兼容性问题:首先,高温会使有铅焊料与锡镀层间形成的金属间化合物层变厚,而过厚的合金层会使焊点变脆,其抗力学振动性能将显著下降;其次,高温还可能损坏有铅元器件的封装体及内部连接,导致FR4基材的印制板发生更大程度的变形;同时,也会给潮湿敏感元器件MSD(Moisture Sensitive Device)带来不利影响等。

2.2合金化不足

        一般而言,对于使用焊锡膏进行贴装的焊接工艺,回流焊的工艺参数主要考虑焊锡膏回流特性,兼顾印制板、元器件进行确定。但是对于BGA器件来说,则要求焊锡球完全熔化,并保持一定的时间,才能够利用焊锡熔融的表面张力取得良好的自校正效果。但是对于有铅焊膏来说,则必须综合考虑焊锡膏的温度特性和BGA器件的熔融要求。有铅焊锡膏回流的峰值温度不超过220 9C,回流时间不大于60 s,但是这样的温度和时间条件很难使无铅焊锡球充分熔融,无法得到高可靠性的焊点,也无法完成器件的自定位。因此考虑提高预热区温度,并综合考虑印制板上各器件,尽量满足无铅BGA焊球焊接条件。

2.3锡晶须

        锡晶须是在含锡镀层表面自发生长而延长的锡单晶体,直径大约1-3μm,长度从几个微米到十多毫米不等,形状多样,有直针状、弯曲、面条扭结,开叉等形态[7]。锡晶须自发生长,不受电场、湿度和气压等条件的限制,并且生长速度有快有慢。

        晶须生长并非锡(锡合金)镀层特有的现象,金、银、铅和其他金属镀层也存在同样的问题。锡晶须可能会导致短路、等离子体电弧放电,锡晶须可能从生长处脱落,并移动到别处,从而造成短路或其他危害。

       业界在不断寻找锡晶须生长减缓方法。K.Cunningham禾HM.Donahue[8]针对不同类型的镀锡层Sn/Pb焊接、60/40 Sn/Pb焊接后回流进行了试验,所有的样品在高温下施加机械应力,试验结果显示所有的试验样品均有晶须生长的现象,抑制晶须生长的最佳工艺为60/40 Sn/Pb焊接后回流。此外,有报道称Sn/Pb合金中质量分数超过3%的Pb就可以有效抑制锡晶须。如果焊接温度控制得当,使用有铅焊料焊接BGA所形成的焊点中,Pb的质量分数至少超过10%。

        Iay Brusse等人p1研究认为,保形涂层对锡晶须生长有非常好的抑制作用。通过在制品上涂抹不同厚度(o~50μm)的Uralane5750,经过9年常温实验,没有涂覆Uralane5750的制品上布满长度不同的锡晶须,而涂覆Uralane5750的制品表面非常光滑,几乎没有明显的锡晶须生长现象。虽然保形涂层并不能从根本上消除锡晶须的生长,但是保形涂层自身内部的弹力及与锡镀层之间的结合力阻碍锡晶须的生长,且可以有效避免锡晶须生长的长度过长。

        目前,业界对锡晶须的危害有了充分的认识,但是对锡晶须的预防还处在摸索阶段。综上所述,使用有铅焊料焊接,并进行有效的保形涂覆,可以减小锡晶须的危害。

2.4湿度敏感器件的控制

        由于有铅制程下的有铅、无铅混装工艺,再流焊温度会提高5~25℃,某些塑封器件在高温作用下,器件内的湿气会迅速汽化,从而破坏器件内部结构,即产生所谓的“爆米花”现象,因此必须加强对湿度敏感器件的管理。工艺过程中必须将此类器件单独进行监控,设计人员在明细表中应注明元器件潮湿敏感度。工艺人员要对潮湿敏感元器件在焊接前进行烘干去潮处理,规定烘干后存放条件和存放时间。

3组件分析

3.1组件的特点分析

        某组件印制电路板为多层印制电路板,组件大量应用表面贴装器件,装配密度高。器件封装类型丰富,包含密间距镀金QFP、QFN封装器件、BGA封装器件、小体积0603封装分立元件。其中BGA封装器件为典型的无铅引脚器件,其他封装形式的器件随采购批次不同,镀层可能为有铅,也可能为无铅。

3.2组件焊点成分分析

        无铅BGA封装器件焊锡球成分一般是锡成分占很大比重(质量分数95%以上)。普通SMT封装器件是铜引线表面镀层与焊锡膏形成合金焊点,引线镀层合金在焊点中占有的比重远不及BGA封装器件焊锡球在焊点中占的比重多。印制板一般为锡铅(63Sn37Pb)镀层的热风整平工艺印制板。

综合以上各种因素,印制板成分分布如下:

         BGA封装器件,无铅;QFP封装器件,可能为有铅,也可能为无铅;普通表面贴装器件,可能为有铅,也可能为无铅;印制板焊盘,有铅。

3.3含BGA封装器件组件的回流特性分析

        对于表面贴装印制板的电子装联,通常使用全热风回流焊炉进行加热焊接,热风只能垂直于元件进行微循环加热。普通的SMT器件引线外露于元件本体或无焊锡球需要熔化,热量完全能够满足焊接要求。而BGA封装器件的焊锡球位于元器件本体下方,回流焊炉内热风不能在平行于元件本体的方向循环到密集分布于BGA封装器件本体下方的BGA焊锡球,焊锡球熔融与焊料形成合金焊点所需要的热量只能通过元件本体的热传导方式获得,这种热传导方式效率很低,导致在热风回流焊炉中BGA封装器件本体下方温度在同一时间内小于印制板上其他部位温度10℃左右。要使整个印制板达到良好的焊接效果,必须兼顾整板器件对焊接温度的要求,这就要求使用多温区(七温区以上)回流焊炉,其温度调节点多,炉体加热区长,能够对温度曲线进行更精准的调整,使印制板在焊接过程中温度分布更均匀。

4  组件焊接温度曲线的设定

        一般情况下,有铅回流焊接温度曲线设置原则见表1。

    通常无铅焊接由于焊接温度较高,对于无铅焊料中应用最广泛的SAC305焊料来说,通常温度曲线设置见表2。

        综合考虑其他有铅器件、有铅焊料以及BGA焊球充分熔融等因素,混合焊接温度曲线设置原则见表3。

按上述原则调试并设置温度曲线,用温度曲线测试仪测试只装有BGA封装器件、未装其他器件的印制板,得出实测温度曲线见表4。

由此可见,曲线设置基本满足有铅焊接温度曲线上限、无铅焊接温度曲线下限设置原则,选取此温度曲线为试验温度曲线。这种峰值温度(235~245℃,60~70 s)的设置,在桂林电子科技大学蒋廷彪等人的研究报告中也得到了印证。

5 组件焊接

5.1焊接前准备

        由于采用了部分塑封表面贴装器件,这些器件为湿度敏感器件。回流焊接之前对其进行烘干处理。综合考虑器件的耐受温度和干燥效果,确定干燥处理要求为:115~120℃,8~16 h对塑封器件、印制板进行烘干处理,烘干后在干燥柜内存放,24 h内必须完成回流焊接。

        检查密间距QFP封装器件的引脚,如有变形,使用电装工具将其修正到位。使用63Sn37Pb焊锡膏,检查其必须在保质期范围内,焊接前从冰箱内取出,常温放置8~16 h。

5.2漏印焊锡膏

        使用半自动手工方法漏印有铅焊锡膏,漏印后检查漏印质量,满足回流焊接要求。

5.3贴装器件

        调用程序,用全自动贴片机贴装BGA封装器件、QFP封装器件。使用镊子等电装工具手工将其他SMT器件贴装到位。

5.4回流焊接

        按选定温度曲线对对象件进行回流焊接,并对焊接的结果进行光学检查,根据检查结果,对回流参数进行适当的调整。

6 焊接后的检查

6.1光学检查

        BGA无铅焊球已经塌陷,如图1所示,塌陷程度为原有高度的1/3~1/2,焊球和焊膏之间没有分层,无铅焊球和焊膏熔融后充分扩散,形成了均质焊点,但和有铅焊点相比,焊点光泽黯淡,表面粗糙,外观与Sn—Ag-Cu无铅焊点相似。在液相线以上时间70 s的曲线下焊接,焊点外观是合格的。印制板上其他元器件焊点光亮平滑,是合格的有铅焊接焊点。

6.2 X光检查

        试验件经x光检查,焊点形态比较均匀一致,无短路、桥联现象,如图案2所示。在焊点中有不少空洞,但是这些空洞初步判断不超过25%,在可接受的范闸内。空洞的形成可能是无铅焊料的熔点高,维持在液态的时间短,焊点凝固的时候气体没来得及溢出,于是在焊点中形成气泡。

6.3组件试验和验证

        试验件通过常温测试,进行了印制板温度冲击试验、组件级温度循环试验、组件振动试验、部件温度循环试验、部件振动试验、全弹温度循环试验、全弹振动试验等试验的考核,BGA焊接未发生异常,验证了采用混合焊接工艺装联混装组件的工艺可行性。

7 结束语

        从试验和现有研究成果可以看出,对于包含焊球合金为sn—Ag—cu的BGA禾H有铅器件的混装组件,使用共晶sn—Pb焊膏焊接,回流温度曲线最高温度在235~240℃之间,液相线以上时间为60~90 s进行焊接是可行的。使用保形涂覆技术后,可以将锡晶须的风险降低,但长期可靠性需要进一步验证。

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