去氧化工艺对CBGA焊接质量影响分析

0引言

CBGA(CeramicBallGridArray)器件即采用陶瓷球栅阵列封装技术,器件底部铺设球形焊盘并以网格状排列,以实现高密度布局,提高集成度,从而更好地满足电子产品对小体积和更大容量的需求。CBGA在众多行业特别是航空航天及高可靠性电子产品领域,因其在恶劣环境中表现出出色的稳定性和电气性能而得到广泛应用和研究。在电子装联中,CBGA封装与印制板焊接工艺是保证焊点可靠性的重要因素。因此,在焊接过程中,对器件焊盘和印制板焊盘进行去除氧化物的处理,保证焊料与焊盘之间的充分融合,有助于提高CBGA器件的整体稳定性[1—2]。本文分析了CBGA焊点的开裂现象和机理,并对焊接的过程和实验条件做了适用性优化。

1问题分析

对一故障CBGA器件焊点进行3D—XRay扫描,扫描结果显示,CBGA器件焊点有开裂现象,开裂位置靠近印制板端,处于焊盘焊料与高铅焊球结合处,如图1所示。用放大镜观察最外排焊点形貌,发现焊球出现不规则的轻微偏移,如图2所示。

2 原因分析

依照扫描结果进行分析,开裂位置位于印制板端焊料与高铅焊球结合处,造成此类开裂现象的原因为印制板端焊料与高铅焊球的结合强度不够。从最外排焊点形貌可以看出,高铅焊球表面有氧化情况,且氧化程度不均匀,使得焊球表面不均匀,熔融的焊料在焊球表面不均匀流动,产生向某个方向的拉力,导致焊后焊球歪斜,造成焊料与高铅焊球焊接结合强度不够。

对整个焊接过程进行复查,CBGA器件完整电装流程如图3所示。

按照工艺要求,器件焊接前要求对高铅焊球进行去氧化处理,去氧化具体过程如下:

1)清点元器件数量, 目视检查器件外观、焊球。检查去氧化纳米钢刷,刷头完好,刷毛无过度卷曲。检查除尘气枪,气压符合要求,气枪完好,滤嘴无发黄,喷出气体无夹杂水汽现象。

2)去氧化应在专设岗位进行,避免金属残渣污染其他器件及印制板。去氧化时左手捏持器件,器件倾斜于桌面放置,使用纳米钢刷从上至下逐排轻刷焊球,避免漏刷。整个器件刷拭完成后,将器件顺时针旋转90O,重复以上操作,直至四个方向全部完成刷拭完毕。目视刷拭完成后焊球光亮,无损伤。

3)刷拭完成后先使用勾线笔毛刷对器件焊球面逐排进行轻刷,使附着金属残渣脱落。毛刷清除完毕后使用除尘气枪垂直于器件表面,吹除残留金属粉末。吹除时应将器件各个表面都吹到,防止金属粉末转移至器件其他部位,造成多余物。

4)显微镜下检查焊球无缺陷,每个焊球都应进行检查。检验完成后,对检验合格的器件进行拍照留底。去氧化完成后,器件应在4 h内完成焊接。

由3D—XRay的检测结果可知,焊点开裂位置处于器件边角。在去氧化过程中,操作人员容易忽略边角位置,尤其是靠外一侧。因此,操作人员若在去氧化过程中细节执行不到位,个别位置焊球氧化未完全去除,检验过程中未检出,则表面有氧化现象的高铅焊球参与焊接,所形成的焊点结合强度较低,在经受环境应力影响后就会出现开裂现象[3]。

去氧化完成后,使用贴片机和回流炉对CBGA器件进行贴装焊接,焊接时选择合适的温度曲线。贴装、焊接过程为程序设定,无人为因素影响,实际焊接参数峰值温度218.2℃ ,183℃以上时间76.8S,符合标准要求。

但是,对于焊点结合不良X—Ray无法识别,容易使缺陷产品流出。

3机理分析

常见的有铅元器件的焊端为sn63pb37合金,与有铅锡膏的合金成分一致,高铅CBGA元器件的焊端为熔点较高的sn10pb90(熔点约为302℃),在整个回流焊接过程中,高铅锡球始终保持固态球体状态,不会发生熔化,仅通过锡球上下两端的有铅锡膏熔化后形成焊点,如图4所示。

器件焊接过程分为以下5个阶段:

1)预热阶段,CBGA随着印制板产品从室温环境下进入回流炉内,避免产品直接进入高温焊接环境。

2)升温阶段,锡膏中的助焊剂清除印制板焊盘、CBGA焊球上的氧化层,并润湿印制板焊盘、CBGA焊球,同时锡膏软化、坍塌、覆盖印制板焊盘。

3)保温阶段,印制板和元器件得到充分预热,避免直接进入焊接高温区而损坏元器件。

4)焊接阶段,锡膏达到熔化状态,熔融的焊料在焊球表面流动,进行扩散并形成金属间化合物即IMC层。

5)冷却阶段,液态焊料凝固成为焊点,完成焊接。通过分析CBGA回流焊接过程中的相关环节可

发现,CBGA元器件焊球成分为sn10pb90,高铅焊球长时间与空气接触后表面产生氧化层,且厚度不一致,存在差异。若去氧化过程为人工操作,较薄的氧化层容易被去除,较厚的氧化层较难去除彻底,存在去氧化不彻底的可能性。当CBGA焊球去氧化不彻底时,锡膏中的助焊剂不足以完全去除氧化层,因此在焊接阶段液态的锡膏和固态的焊球不能有效结合,在冷却阶段液态的锡膏与高铅焊球不能形成可靠的焊点,不可靠的焊点在使用过程中易发生开裂故障,从而影响电气连接[4]。

当CBGA器件焊端发生氧化时,外部氧化层会阻止正常焊锡爬升和合金层的形成,去氧化不彻底会造成焊点润湿不良,部分氧化焊点机械强度降低,在后续环境应力作用下,焊点开裂,电气连接失效。

4 改善措施

对高铅焊球去氧化后,在光照1 000 lx的条件下,检查者采用10倍放大镜俯视焊球表面,视线与被检表面呈45O~90O进行目视检查,要求焊球表面光亮,无锡球损伤,锡球各个方向都有刷拭痕迹,确保锡球表面已100%经过去氧化刷拭。对于氧化层未去除彻底的焊球,重复前文焊球刷拭操作工步;对于焊球氧化严重,无法通过去氧化操作去除表面氧化层的元器件予以退回,如图5所示。

5 结束语

本文针对模块上CBGA器件在焊接过程中因去氧化作业执行不到位,形成焊点强度较低,在环境应力影响下焊点开裂的质量问题,通过对CBGA元器件去氧化后采用10倍放大镜在光照1 000 lx条件下进行检查,可以保证后续该类型器件的焊接质量。

[参考文献]

[1] 李民,冯志刚.BGA焊点的缺陷分析与工艺改进[J].电子工艺技术,2002,23(4):160-163.

[2] 丁荣峥,杨轶博,陈波,等.CBGA、CCGA植球植柱焊接返工可靠性研究[J].电子与封装,2012,12(12):9-13.

[3]施纪红.BGA焊点失效分析与改善 [J].热加工工艺,2012,41(17):208-210.

[4]任康,刘丙金.陶瓷球栅阵列器件转变为陶瓷柱栅阵列器件[J].电子工艺技术,2018,39(1):19-21.

《机电信息》2025年第17期第20篇