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X-RAY和C-SAM檢測，有短路，分層等焊接缺陷產生。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裝配結果之間的關系，試驗結果證明：PBGA器件封裝體的翹曲和無鉛回流溫度的升高是導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 標準中被明確指出，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重的翹曲，從而導致回流后PBGA周邊焊球橋接，造成短路。傳統的錫/鉛焊接工藝中PBGA封裝體的翹曲以及MSL等級與焊接結果是相匹配的，而在無鉛焊接過程中，回流溫度要升高，以前標準中與之匹配的翹曲度及MSL等級與無鉛裝配結果不再相符，本試驗目的就是通過對不同封裝尺寸，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標準中，通過熱屏蔽模量的測量結果分析，指導球間距為1.0毫米，不同封裝尺寸，不同硅節點尺寸的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準，并明確指出：器件生產廠商必須注明器件的封裝類型以及滿足生產的濕度等級/溫度（回流焊接過程中峰值溫度）。該標準中器件濕度等級是建立在電氣測試結果以及在指定的濕度等級和回流峰值溫度范圍內C-SAM破裂/分層檢測基礎上的。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系。了解高溫封裝器件本身的翹曲，可以更好的執行含有PBGA的線路板組裝。現在J-STD-020C中的測試數據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系，現有標準中只是說明室溫下標準封裝的元器件翹曲與MSL等級的匹配關系。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℃進行的，下圖是一典型的PBGA熱屏蔽模量與翹曲度的關系圖：

由于器件材料與PCB熱膨脹系數不同，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致焊接缺陷的增多，圖二為翹曲器件經回流焊接的實驗結果：

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焊球發生短路的幾率與焊接峰值溫度有關，高于熔點的溫度越高，產生短路的可能性越大，而同樣的翹曲度，器件濕度越大，產生短路的可能性也越大。
上述試驗證明：當PBGA用于無鉛焊接工藝時，因回流焊接溫度升高導致短路幾率會越大，所以PBGA器件生產廠商一定要保證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，使用時嚴格按照標準操作，減少器件暴露于空氣中的時間。

試驗目的：
一 確定封裝尺寸與節點尺寸如何匹配，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） 對器件進行預處理：首先在 125℃溫度下烘烤72H（除濕），然后在 30℃/60% 環境下放置 192H （執行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：回流爐為強制熱風回流爐，用熱電偶測溫儀監控器件表面溫度，回流峰值溫度設定在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）觀察內部是否分層，斷裂，測試中通過對熱屏蔽模量的分析，統計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。

測試結果與結論：
一 試驗#1：評估傳統的MSL等級標準：試驗A和試驗B
試驗A中所用PBGA，按照J-STD-020C 中MSL等級標準，對PBGA進行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，回流峰值溫度設定為260℃。

試驗B中所用PBGA，節點由硅材料構成，節點大小不同于試驗A節點大小，按照J-STD-020C 中MSL等級標準，對PBGA進行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，回流峰值溫度設定為240℃和250℃。測試結果見表三：

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C-SAM及X-RAY 分析試驗A的結果，如圖六：試驗A中所用PBGA按照J-STD-020C標準，在MSL-3/260℃條件下，通過C-SAM測試，但在X-RAY測試中焊點短路現象非常嚴重。

試驗B中所用PBGA，按照J-STD-020C 中MSL等級標準，對PBGA進行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，回流峰值溫度設定為250℃，能通過C-SAM測試，但在X-RAY測試中焊點短路現象仍然存在；如果對PBGA器件進行烘干處理后馬上進行裝配，在回流峰值溫度設定在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，通常濕度越大，回流峰值溫度越高，器件溫度翹曲模量越大。

結論：元器件濕度越大→器件溫度翹曲變化嚴重→板極焊接缺陷增加，因此，J-STD-020 MSL濕度級別分類標準中，應加入回流峰值與之匹配的濕度級別對板極組裝產生的影響，讓SMT廠家成功實現PBGA的無鉛焊接。

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

圖七是四種不同節點的PBGA在不同溫度下翹曲模量，圖八是不同節點的PBGA在相同溫度下的翹曲模量。圖九中，元器件尺寸為37.5X37.5MM，節點尺寸為8X8MM（E），增大濕度，升高回流峰值溫度，其結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℃條件下進行，焊接結果用3X放大鏡目檢。C-F PBGA試驗結果證明：同樣封裝尺寸的PBGA，隨著節點尺寸的變化，在無鉛焊接過程中，產生截然不同的結果，X-RAY分析，節點為11X11MM的PBGA在峰值溫度為260℃的無鉛工藝情況下，焊接結果最為理想。C-F試驗中，其它節點尺寸均以PBGA焊球短路而告焊接失敗（包括無節點PBGA），而C-SAM則顯示按J-STD-020C? MSL標準，在干燥/ 260℃條件下，C-F均能通過C-SAM試驗，上述試驗結論為以后修正濕度/溫度，翹曲度與成功無鉛焊接，濕度級別分類標準提供了強大的實際應用支持。

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執行無鉛焊接時的試驗，試驗中，節點尺寸均為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℃溫度范圍內進行的，溫度翹曲模量測試結果如表六，PBA組裝結果如表七，

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的結論，封裝尺寸與翹曲量的試驗結果見圖十一，分別是SN-PB 220℃，PB-FREE 260℃，條件下進行SMT裝配。PBA裝配結果表明：35MM，37.5MM兩種封裝尺寸的PBGA（I D）無鉛工藝，見表七，當封裝尺寸小于等于27MM時SMT裝配過程中，未出現短路現象，C-SAM分析小于等于27MM的PBGA封裝，（MSL-3，干燥）/260℃環境下，均符合J-STD-020C標準，試驗板G H，滿足J-STD-020C，C-SAM標準，小封裝PBGA，適合無鉛焊接工藝，I D，則要修正J-STD-020C C-SAM標準，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，從而對焊接結果影響也更大）。

四：翹曲模量/PBA裝配之間的關系：
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，總結出翹曲模量的極限數據是8MILS，翹曲度大于8MILS，PBGA器件四周焊球短路，當翹曲度小于8MILS，不會出現短路現象。

試驗結果表明，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據評估PBGA在PB-FREE SMT裝配中的匹配性是非常重要的。

結論：
PBGA因封裝體翹曲，導致PBGA內部濕度增大，PBGA在SMT無鉛焊接過程中，回流溫度較高，則會導致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，硅節點尺寸相關，見效封裝體尺寸，增大硅節點尺寸，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）可以通過傳統的濕度/回流峰值級別分類測試，當由于封裝體翹曲度較大，會引起PBGA四周焊球短路，從而導致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裝配而不會出現焊球短路現象。我們的試驗顯示，傳統的IPC/JEDEC濕度/回流峰值溫度分類標準應該通過改進（修正），說明PBGA封裝對PBA裝配產生的影響，提高PBGA在無鉛SMT裝配中的實用性。

感謝
研發工作中得到位于新加坡Agere Systems團隊的支持，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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