CBGA植球工藝成熟度提升方法的研究

黃穎卓，練濱浩，林鵬榮，田玲娟

（北京時代民芯科技有限公司，北京 100076）

1 引言

陶瓷球柵陣列封裝（Ceramic Ball Grid Array，CBGA）是一種高密度、面陣排布的表面貼裝封裝形式，通過陶瓷外殼上的焊球作為電路I/O端與印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）的連接。由于其具有高互連密度、優(yōu)異的熱性能和電性能，同時氣密性好、抗?jié)駳庑阅芨?，因而封裝后的電路長期可靠性高，近年來被廣泛應用于各個領(lǐng)域。

技術(shù)成熟度（Technoogy Readiness Levels，TRL）是在20世紀70年代由美國NASA提出的。2003年美國國防部頒布了技術(shù)成熟度評價手冊，主要針對應用新技術(shù)研制的新產(chǎn)品，強調(diào)從技術(shù)開發(fā)到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程中的新技術(shù)應用的完備性及其驗證的充分性兩個方面，并以技術(shù)成熟度等級加以度量[1～2]。我國航天領(lǐng)域產(chǎn)品成熟度的研究始于2003年，主要為適應航天科研生產(chǎn)由單件研制向小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)型這一新的發(fā)展趨勢，針對航天產(chǎn)品研制品種多、狀態(tài)多、研制隊伍相對分散、老產(chǎn)品質(zhì)量問題多、產(chǎn)品創(chuàng)新能力相對不足等問題而開展的。從產(chǎn)品的全生命周期分析，決定產(chǎn)品成熟度的內(nèi)部特性主要包括三個方面：即設(shè)計、制造工藝及產(chǎn)品實現(xiàn)全過程質(zhì)量控制（簡稱“過程控制”）。從系統(tǒng)工程理論和方法分析，產(chǎn)品開發(fā)過程中這三方面是密切相關(guān)的[3]。

在對CBGA256電路進行批生產(chǎn)的植球工藝過程中，我們發(fā)現(xiàn)在焊膏印刷后和電路回流焊后，助焊劑在陶瓷外殼上的鋪展具有局部特殊性，如圖1所示。

圖1 同一只電路焊膏印刷后和回流焊后外貌圖

從圖1中，我們可以看出在陶瓷外殼表面一個有規(guī)律性的圓形路徑上，助焊劑是不浸潤的，形成一個“助焊劑不浸潤帶”。電路回流焊后，該“助焊劑不浸潤帶”依然存在。通過對回流焊后的產(chǎn)品仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，該“助焊劑不浸潤帶”會使其附近區(qū)域的助焊劑發(fā)生偏聚的現(xiàn)象，導致局部焊球位置發(fā)生明顯的偏移，影響產(chǎn)品焊球的位置度。如圖2所示。

本文主要通過對陶瓷外殼質(zhì)量、焊膏印刷工藝和回流焊工藝三個方面研究其對回流焊后焊球位置度的影響，結(jié)合焊球共面性檢測和焊點處空洞的檢測研究其對CBGA產(chǎn)品質(zhì)量一致性和可靠性的影響。通過改進CBGA植球工藝，減小由于助焊劑局部偏聚而引起的焊球位置偏移，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，提升CBGA植球工藝技術(shù)的成熟度。

圖2 回流焊后局部焊球位置偏歪

2 陶瓷外殼質(zhì)量對焊球位置度的影響

在同一批次陶瓷外殼中隨機抽取5只CBGA256外殼，使用影像測量設(shè)備利用光學聚焦的方式對植球前陶瓷外殼上各焊盤的圓心位置進行測量，然后通過設(shè)定的圓心基準值計算其焊盤的位置度。植球完成后再對各焊球的位置度進行測量，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 CBGA256產(chǎn)品植球前后最大位置度偏差對比圖

由圖3可以看出，植球后焊球的位置度與植球前焊盤的位置度有一定的相關(guān)性，且植球后焊球位置度的最大偏離值相比植球前有一定的減小。這主要是因為在回流焊過程中，焊球底部焊膏完全熔化，將焊球和焊盤焊接在一起，在焊膏融化后的回復力作用下，偏離的焊球也會在一定程度上回復到焊盤的位置，最終焊球在焊膏回復力、助焊劑的吸附力以及其他因素影響下處于一個平衡的位置上，回流焊后焊點處的外貌圖如圖4所示。

圖4 CBGA256產(chǎn)品回流焊后焊點外貌圖

從以上研究結(jié)果可以看出，陶瓷外殼焊盤的位置度對回流焊后焊球的位置度有較大的影響。要提高CBGA產(chǎn)品焊球位置度的一致性首先是要確保陶瓷外殼焊盤位置度的一致性。因此，必須將陶瓷外殼的位置度檢測納入原材料入庫檢驗環(huán)節(jié)，通過位置度檢測對陶瓷外殼進行嚴格篩選，從而保證陶瓷外殼本體的位置度滿足CBGA植球質(zhì)量要求。

3 焊膏印刷工藝對焊球位置度的影響

根據(jù)CBGA植球工藝的實際情況，分別通過改變印刷網(wǎng)孔的形狀和優(yōu)化工藝來研究焊膏印刷工藝對焊球位置度的影響。實驗分組如表1所示。

表1 改變焊膏印刷工藝對焊球位置度影響的實驗分組情況表

每組實驗的樣品選用同一批次的陶瓷外殼各3只進行實驗，回流焊溫度曲線均相同。清洗完成后對其進行焊球位置度的測量，測量結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，使用圓形網(wǎng)孔進行焊膏印刷，回流焊后焊球位置度的最大偏差為278.38 μm，位置度較好。但其標準偏差較大，為106.76。因此采用此種焊膏印刷工藝后焊球位置度的一致性較差，如圖2所示，局部焊球受助焊劑偏聚的影響，位置度偏差較大。采用菱形和方形網(wǎng)孔印刷焊膏后，焊球位置度的最大偏差增大一些，但其一致性較為改善。如圖6所示為使用菱形和方形網(wǎng)孔進行焊膏印刷后焊球位置度的情況，焊球由于助焊劑的聚集而引起位置偏差的現(xiàn)象較少。而在優(yōu)化工藝后，使用圓形網(wǎng)孔進行焊膏的印刷，回流焊后焊球的位置度最好，位置度最大偏差的平均值為200 μm，且一致性較好，標準偏差為65.16。圖7為優(yōu)化工藝后焊球回流焊的形貌，從圖中可以看出助焊劑分布較為均勻，在“助焊劑不浸潤帶”附近未出現(xiàn)助焊劑偏聚的現(xiàn)象。

由此可以看出，在焊膏印刷工藝中，優(yōu)化后的工藝可以顯著提高焊球回流焊后的位置度，進而提高CBGA產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。其主要原因是在優(yōu)化的工藝過程中，焊膏中的部分助焊劑被加熱揮發(fā)到空氣中，致使焊膏內(nèi)殘留的助焊劑變少。從而在回流焊的過程中，減少了由于助焊劑偏聚而引起焊球位置發(fā)生偏移的情況，提高了焊球位置度的一致性。

圖5 不同印刷工藝條件下焊球的位置度和共面性

通過對不同印刷工藝的樣品進行焊球共面性檢測，測試結(jié)果如圖5所示。從中可以看出，雖然使用了不同的焊膏印刷工藝，但焊球的共面性變化不大，且遠低于焊球共面性＜150 μm的標準。回流焊后焊球的高度主要由焊球本身的直徑和焊膏量決定。雖然選用了不同形狀的網(wǎng)孔進行焊膏印刷工藝，但其印刷的焊膏量是大致相同的，大致為0.14 mm3，因此焊膏回流焊后對焊球高度的影響是大致相同的，所以回流焊后不同的印刷工藝其焊球回流焊后的共面性變化不大。

圖6 使用不同網(wǎng)孔進行焊膏印刷后焊球回流焊后的形貌

圖7 優(yōu)化工藝后焊球回流焊后的形貌

為了檢查其焊點的可靠性，對不同印刷工藝的樣品進行X射線檢測，如圖8所示。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，不同印刷工藝植球樣品焊點處的空洞率變化不大，符合對CBGA產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的要求。由此可以看出，在保證印刷焊膏量一定的條件下，改變焊膏印刷的形狀和優(yōu)化工藝，不會對焊點處的空洞造成較大的影響，從而可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

圖8 不同焊膏印刷工藝條件下樣品中部焊點的X射線照片

從以上研究結(jié)果可以看出，通過優(yōu)化的工藝可以有效提高CBGA產(chǎn)品焊球位置度的一致性，同時也保證了焊球的共面性和焊點處的空洞率符合對產(chǎn)品高質(zhì)量和高可靠性的要求。因此，在CBGA產(chǎn)品植球過程中，可以通過優(yōu)化后的工藝改善CBGA產(chǎn)品的位置度，從而提高CBGA植球工藝的成熟度。

4 回流焊工藝對焊球位置度的影響

因為局部焊球位置度較差的問題主要是由助焊劑偏聚引起的，所以在研究回流焊工藝對焊球位置度的影響時主要通過改變回流焊的溫度曲線，延長助焊劑活化階段的時間，使偏聚的助焊劑在較長的活化時間里盡可能揮發(fā)掉，從而改善局部焊球位置偏歪的現(xiàn)象。分別使用如圖9所示的3個回流焊溫度曲線來進行研究。

圖9 不同回流焊工藝所使用的回流焊溫度曲線

如圖10中所示，經(jīng)過對不同回流焊工藝的CBGA樣品進行位置度檢測，我們發(fā)現(xiàn)隨著回流焊溫度曲線中助焊劑活化時間的增加，焊球位置度的最大偏差值逐漸變小。位置度的一致性有略微的提高。其主要是因為增加了回流焊過程中助焊劑的活化時間，在一定程度上增加了助焊劑的揮發(fā)，致使由于助焊劑偏聚造成的焊球位置偏歪的問題減輕。但其活化時間增加有限，所以與優(yōu)化工藝對助焊劑揮發(fā)的效果來看，此種方法效果不明顯。

通過對不同回流焊工藝條件下CBGA樣品進行焊球共面性檢測，我們發(fā)現(xiàn)隨著回流焊溫度曲線中活化區(qū)時間的增加，其回流焊后焊球的共面性略微增大，產(chǎn)品的共面性略微變差（如圖10所示）。

如圖11所示，通過X射線對不同回流焊工藝條件下電路中部焊點進行檢查，我們發(fā)現(xiàn)隨著回流焊溫度曲線中活化區(qū)時間的增加，其焊點處的空洞顯著增多，空洞率在逐漸變大。其主要是因為隨著助焊劑活化時間的增加，其助焊劑的活化作用越明顯，在其去除焊料和焊球表面氧化物以及本身揮發(fā)的過程中產(chǎn)生的氣體也越多，從而導致殘留在焊點處的氣孔較多。因此增加回流焊工藝過程中的活化時間對產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性會有不良的影響。

圖10 不同回流焊工藝條件下焊球的位置度和共面性

從以上研究結(jié)果可以看出，通過增加回流焊工藝中助焊劑的活化時間可在一定程度上提高CBGA產(chǎn)品焊球位置度的一致性，但是其會增加焊點處的空洞率，降低產(chǎn)品的高可靠性。

5 結(jié)束語

綜上所述，陶瓷外殼的質(zhì)量、焊膏印刷工藝和回流焊工藝都會對CBGA產(chǎn)品焊球的位置度產(chǎn)生影響，綜合考慮對CBGA產(chǎn)品一致性和可靠性的要求，提升CBGA植球工藝的成熟度，主要有以下三個途徑：

（1）在陶瓷外殼的設(shè)計上，嚴格要求其焊盤位置度的標準公差。

（2）在陶瓷外殼入庫的檢驗上，嚴格控制檢驗流程，依照檢驗標準對每批次陶瓷外殼進行檢驗，剔除不合格品。

圖11 不同回流焊工藝條件下樣品中部焊點的X射線照片

（3）在CBGA植球工藝流程中，對工藝進行優(yōu)化，嚴格控制該工序的工藝參數(shù)（例如溫度和時間）和操作的具體要求（例如氮氣保護）。

通過以上3個途徑的實施，可以顯著提高CBGA產(chǎn)品批量生產(chǎn)過程中CBGA產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性和可靠性，提升CBGA植球工藝的成熟度。

[1] Offic of the chief engineer. NASA Program and Project Management Processes and Requirements[R]. 2007.

[2] Department of Defense. Technology Readiness Assessment Deskbook[R]. 2005.

[3] 袁家軍. 航天產(chǎn)品成熟度研究[J]. 航天器工程，2011，20: 1-7.