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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-03-07 23:04
隨著電子設(shè)備向小型化和多功能化集成發(fā)展，高密度印制板組件和板板互聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，多引腳板間連接器可實現(xiàn)高速信號傳遞，廣泛應(yīng)用于板卡對接的設(shè)備中，大量應(yīng)用在機載領(lǐng)域、地面領(lǐng)域和艦載領(lǐng)域。
本文中的高速多引腳互聯(lián)器件雖被廠家定義為超級球柵陣列（SBGA）封裝，但其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的球柵陣列（BGA）封裝存在一定區(qū)別。傳統(tǒng)的BGA封裝為了強調(diào)I/O仍然是“ball”，而本文中的SBGA的I/O的形態(tài)為非“ball”的錫鉛焊片，兩者結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。
基于廠家的定義，初期對該器件選用了與傳統(tǒng)BGA封裝器件相同的組裝工藝參數(shù)，在檢驗環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)其故障率明顯偏高，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。因此，針對在SBGA裝配過程中出現(xiàn)的焊點缺陷進(jìn)行原因分析，提出改進(jìn)措施整改后，裝配情況良好。
1、問題描述
SBGA板間連接器在大量使用時表現(xiàn)出裝配一次合格率差的特征，抽查某批含SBGA器件的印制板組件數(shù)量及故障件數(shù)后，發(fā)現(xiàn)數(shù)千件的生產(chǎn)產(chǎn)品的合格率只有86%，低于傳統(tǒng)BGA組裝合格率95.6%的平均水平。
SBGA器件焊接缺陷主要有焊點開路、短路、爬錫不足、多余物、三防漆污染和調(diào)試損傷等，其典型缺陷如圖2所示。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)焊點開路和焊點短路占到了缺陷總數(shù)的77％，屬于常見缺陷。通過評估并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)查，必須著力杜絕這兩種缺陷的產(chǎn)生，提高SBGA器件裝配的一次合格率。
2、原因分析
除了器件的焊片在焊前因受損會導(dǎo)致焊點開路或者焊錫偏少外，多數(shù)焊點開路和短路是因為焊料出現(xiàn)了芯吸現(xiàn)象而導(dǎo)致的，此現(xiàn)象的出現(xiàn)主要和焊料的潤濕有關(guān)。歸納匯總影響各因素的末端元素，關(guān)聯(lián)圖如圖3所示。
通過設(shè)備測試、文獻(xiàn)查閱、現(xiàn)場調(diào)查和參數(shù)確認(rèn)等手段，參照業(yè)界水平、國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范要求，對上述11個末端元素進(jìn)行了依次排查，結(jié)合分析數(shù)據(jù)確認(rèn)了導(dǎo)致焊點缺陷的主要原因為：
1）回流焊接參數(shù)不合理和氮氣環(huán)境的不良影響；
2）網(wǎng)板設(shè)計不滿足要求；
3）前期焊端存在物理損傷。
2.1 回流焊接參數(shù)不合理和氮氣環(huán)境的不良影響
根據(jù)工藝細(xì)則要求，焊接SBGA器件時采用的RSS（Ramp-Soak-Spike，升溫-保溫-回流）焊接曲線，如圖4所示。經(jīng)比對，實際回流過程的升溫速率、保溫時間、回流時間和降溫速率等關(guān)鍵參數(shù)均能滿足要求，但其中表面張力（氣液界面）和潤濕力（固液界面）等因素對焊料是否會出現(xiàn)芯吸缺陷產(chǎn)生直接影響呢？
在不發(fā)生氧化的前提下，溫度越高潤濕越好，這與表面張力和界面反應(yīng)有關(guān)。對于純金屬，表面張力基本與溫度呈現(xiàn)線性關(guān)系的減?。?/span>
γm=A-B× T （1）
式中： γm為表面張力， A、B為材料常數(shù)， T為溫度。對于合金材料溫度越高表面張力越小，潤濕性越好。
圖5示意為SBGA焊接的傳熱模型，在焊接SBGA引腳與印制板焊盤之間有0.08mm的距離，如果回流焊接的過程中印制板引腳的溫度T1與PCB焊盤的溫度T2有較大差異，將使得焊料在器材引腳端表面張力γm1小于焊料在印制板焊盤端表面張力γ m2，導(dǎo)致焊料熔化后優(yōu)先向引腳方向潤濕，引起焊料向上爬升，造成焊料與焊盤脫開，形成芯吸斷路。而回流曲線的設(shè)置沒有對引腳和焊盤的溫度差進(jìn)行特殊調(diào)整。
同時，回流焊接過程中的保護(hù)氣體N2也會影響焊盤金屬和器件焊端的表面能和表面張力，進(jìn)而影響焊料潤濕。有研究表明在氮氣環(huán)境下焊接潤濕角的變化達(dá)到40%時，潤濕可增長約3%~5%，潤濕時間可降低15%，即氮氣能夠放大因焊盤/焊端溫度差帶來的芯吸現(xiàn)象。因此，需調(diào)整的溫度曲線來焊接SBGA器件，消除芯吸現(xiàn)象帶來的開路或短路等不良情況。
2.2 網(wǎng)板設(shè)計不滿足要求
焊料量的多少對焊料的潤濕爬升、焊點形態(tài)及機械性能有較大的影響，因此合理的網(wǎng)板開口設(shè)計有利于減少橋連、虛焊等缺陷。SBGA自帶焊料的尺寸布局如圖6所示，自帶焊料是附著在SBGA焊端一側(cè)的相向位置。在裝配對位時，發(fā)現(xiàn)自帶焊料的中心與廠家推薦的印制板封裝的中心并不重合，這樣會對焊接質(zhì)量和可靠性帶來影響，需要依靠添加焊膏進(jìn)行對位補償，因此，應(yīng)重新設(shè)計網(wǎng)板。
同時，因焊膏中助焊劑量不同，焊端氧化膜的去除能力會有差異，進(jìn)而影響了熔融狀態(tài)下焊料的表面張力，可能導(dǎo)致芯吸現(xiàn)象發(fā)生。
2.3 前期焊端物理損傷
焊點的最終焊錫量由自帶焊料和預(yù)置焊膏兩部分構(gòu)成，任何一部分的缺失都可能導(dǎo)致開路問題。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在來料器件中，偶有存在如圖7所示的個別引腳自帶焊料缺失情況，此缺陷若在裝配前未被有效識別出，則會導(dǎo)致裝配故障的出現(xiàn)，進(jìn)而帶來返修工作，產(chǎn)生質(zhì)量隱患。
3、工藝改進(jìn)
通過上述分析得出的SBGA裝焊過程中產(chǎn)生質(zhì)量問題的三大原因及其影響原理，在后序生產(chǎn)的工藝上，制定了如更改焊接曲線，調(diào)整氮氣控制量，優(yōu)化網(wǎng)板開孔和宣貫規(guī)范及增加焊前檢查工序等相應(yīng)的優(yōu)化措施。
3.1 優(yōu)化工藝參數(shù)和調(diào)整氮氣量
① 優(yōu)化回流焊接工藝參數(shù)
基于之前的缺陷原因主要是由于引腳溫度大于焊盤溫度，需要優(yōu)化上/下各溫區(qū)溫度，最終調(diào)整焊盤和引腳溫度相當(dāng)，優(yōu)化焊料在焊盤上的潤濕?？紤]到印制板上焊盤電路功能屬性（電源、地、信號）所對應(yīng)的電路銅的質(zhì)量存在差異，銅的質(zhì)量越大，升溫越慢，因此選取電源或地屬性的焊盤確定為測溫點，另外設(shè)置一個典型測溫點放置在引腳端，如圖8所示。
經(jīng)過多次反復(fù)優(yōu)化測試，發(fā)現(xiàn)如果將回流焊接的3個下溫區(qū)相對上溫區(qū)升高5~10℃，就能夠彌補之前存在的3~5 s的溫度差，從而保證焊料熔化時能夠在焊盤與引腳上同步潤濕鋪展。經(jīng)過優(yōu)化前后的溫度曲線對比情況如圖9所示，優(yōu)化前后的焊點質(zhì)量情況對比如圖10所示。
② 調(diào)整回流焊時氮氣環(huán)境
SBGA的引腳可焊端在引腳的中下段，即引腳上端由于材料特性及表面粗糙度等原因?qū)儆诓豢珊附訝顟B(tài)。N2的加入加快了焊料的潤濕行為，即焊料在引腳溫度相對更高時，會優(yōu)先“更快”地向上潤濕，但是受制于引腳上段不潤濕，因此焊料形態(tài)發(fā)生如圖11所示的“長到胖”的變化，從而形成芯吸開路。
所以考慮極端情況，即關(guān)閉氮氣，保持上下溫區(qū)溫度一致時，結(jié)果SBGA器件的焊點質(zhì)量依然滿足要求，如圖12所示。
3.2 優(yōu)化焊膏量設(shè)計
① 增大焊膏量設(shè)計
基于SBGA的引腳結(jié)構(gòu)為不潤濕端+可潤濕端，結(jié)合板上結(jié)構(gòu)導(dǎo)致焊料的“活動空間”被限制在焊盤與引腳可焊區(qū)的區(qū)域內(nèi)，因此不斷增加印制板印刷焊膏量，即使焊料熔化后會優(yōu)先向上潤濕，但會隨著焊膏量增加而導(dǎo)致焊點尺寸不斷增大，并最終與焊盤潤濕形成有效連接，過程如圖13所示。
通過手工烙鐵在焊盤上預(yù)搪錫和增大網(wǎng)板厚度（開孔面積比為0.993）兩個途徑來模擬增大焊膏量的方式，同時考慮印刷焊膏存在約50%的體積收縮比，得出計算處理的焊點最終焊料體積散點圖分布，如圖14所示。
選擇優(yōu)化后的曲線裝配的器件狀態(tài)，其外觀檢驗和X-ray檢測均判定合格，如圖15所示。
② 減小焊膏量設(shè)計
SBGA裝配過程中焊料在熔融狀態(tài)下的行為受其潤濕力（指向焊端）和自身重力（指向焊盤）聯(lián)合影響，當(dāng)潤濕力大于重力作用，焊料向上移動，此時若焊膏量不足就會出現(xiàn)芯吸開路。
反而言之，若潤濕力小于重力作用，則焊料向下移動，但受空間結(jié)構(gòu)限制（下方印制板焊盤面積有限）不會出現(xiàn)焊料脫離引腳焊端形成開路。
減少焊膏量雖然一定程度上降低了焊料的重力，但因為助焊劑含量的減小導(dǎo)致潤濕力也顯著下降，研究表明焊膏量更小時重力作用更為明顯。因此為減小焊膏量，網(wǎng)板開孔采用圓形，厚度減?。娣e比為1.35），得出計算處理的焊點最終焊料體積散點圖分布，如圖16所示。裝配后的焊點檢測良好，如圖17所示。
3.3 焊端損傷防范工作
經(jīng)對SBGA器件的來料狀態(tài)進(jìn)行抽查，首先確認(rèn)了焊端損傷主要來源于物料周轉(zhuǎn)。同時經(jīng)多次試驗，其自帶焊料的缺失在肉眼確認(rèn)下能有效識別，這得益于自帶焊盤與焊端屬于“嵌入式結(jié)構(gòu)”，如圖18所示，焊端損傷與否基本對應(yīng)了自帶焊料的有無。
基于上述分析，對于焊端損傷的防范工作主要集中在規(guī)范周轉(zhuǎn)包裝和焊前人工確認(rèn)。首先對SBGA器件的來料包裝要求根據(jù)周轉(zhuǎn)防護(hù)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行培訓(xùn)宣貫；然后優(yōu)化工藝流程，增加該類型器件的來料檢查工序，嚴(yán)禁不滿足要求的器件流入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如圖19所示。
3.4 優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計
在上述措施落實后的連續(xù)4個月的生產(chǎn)跟蹤中，統(tǒng)計得出裝配含SBGA器件的共216件，其中存在芯吸開路、短路等缺陷的不合格品有8件，一次裝配合格率達(dá)到96.3%，達(dá)到同類封裝器件平均水平，即工藝優(yōu)化措施有效。
4、結(jié)論
本文對SBGA器件裝配一次合格率低的原因進(jìn)行了分析和優(yōu)化，得出如下結(jié)論：
1）SBGA器件的故障主要體現(xiàn)在焊點開路和短路缺陷，兩者受焊料芯吸作用影響。
2）SBGA芯吸作用的主要原因為回流焊接參數(shù)不合理與氮氣環(huán)境的不良影響、焊膏量不滿足要求和焊端物理損傷。
3）針對上述原因，優(yōu)化工藝措施相應(yīng)為調(diào)整溫度曲線，降低焊接過程氮氣含量，優(yōu)化網(wǎng)板開孔設(shè)計以酌情增大或減小焊膏量，增加裝前檢查工序。
4）經(jīng)過檢驗確認(rèn)和統(tǒng)計計算，優(yōu)化后的SBGA器件的裝配一次合格率由之前的86%提升到96.3%，措施有效。
來源：高可靠電子裝聯(lián)技術(shù)
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