BGA封装形式对再流焊效果的影响

BGA封装形式对再流焊效果的影响由于BGA具有很多优势，因此在目前电子工业中已被广泛应用。BGA的封装形式有多种，形成了一个“家族”，它们之间的区别主要在于材料和结构（塑料、陶瓷、引线焊接、载带等）的不同。本文将就这封装形式对再流焊工艺的影响进行计论。所有的BGA，无论何种类型，所利用的都是位于其封装体底部的焊接端子-焊球。再流焊时，在巨大热能的作用下，接球熔化与基板上的焊盘形成连接。因此，BGA封装材料及在封装中的位置势必会影响焊球的受热，在有些情况下，即使是很少量的甚至是单独的焊球，其作用也是不容忽视的。为验证这一推论，我们采用了一结构简单、单加热方向的热源对不同材料的典型的BGA进行加热试验。此外，还对不同的BGA封装进行了多种加热曲线试验。作为标准参照，每一种封装都分别在一有标准的PLCC和SMC的基板上，采用相同的工艺参数进行试验。这些试验所得出的温度曲线可对不同封装形式BGA的加热特点进行直接的比较。以这些结果为依据，对于每一种BGA，其工艺参数可进行分别的优化，以得出使用每一形式时所期望的最佳热响应。引言众所周知，BGA正在迅速成为集成电路（IC）与印制板互联的最普遍的方式之一。BGA最为引人注意的基本特点是对于IO数量超过200的IO仍可以利用现有的SMT工艺。SMT最基本组成是再流焊，而现有的再流焊炉也已被证明可用于高可靠BGA封装的焊接。虽然BGA焊接的时间温度曲线与标准的曲线相同，但在使用时还必须了解这些封装的特殊性能。这一点特别重要，因为与大多传统的SMT器件不同，BGA的焊点位于器件的下方介于器件体与PCB之间。因此，结构中的内部材料对接点的影响要比大多数传统封装形式大得多。因为，传统封装形式的引线沿器件体四周排列，至少可以部分暴露于加热环境中。BGA的类型BGA的封装形式有多种，形成了一个（家族），它们不仅在尺寸、与IO数量上不同，而且其物理结构和封装材料也不同。基于本文宗旨，“形式”一词在此主要特指BGA的物理结构，包括材料、构造和制造技术。一种特定形式的BGA可以有一定的尺寸范围，但应采用同样的物理构造和相同的材料。以下将重点分析三种特定的BGA封装，每一种的结构形式都不同。塑料BGA塑料球栅阵列封装（PBGA）是目前生产中最普遍的BGA封装形式。其吸引人的优点是：·玻璃纤维与BT树脂基片，约0.4mm厚·芯片直接焊在基片上·芯片与基片间靠导线连接·塑料模压可封装芯片、导线连接与基片表面的大部分。·焊球（通常共晶材料）在基片的底部焊盘焊接。但是，有一个参数不能通用，即塑封相对于基板总面积的面积覆盖率。对于某些塑封件，模压塑料几乎完全覆盖了整个基板，相反，有些则被严格地限制压在中央的一个小范围。这也将对焊点的受热产生影响。陶瓷BGA（CBGA）对于任一陶瓷IC封装，在陶瓷BGA中最基本的材料是贵金属互联电路的多层基片。这种封装类型的密封对于透过封装的热传导影响最大。封装“盖”的材料可以有多种，并且“盖”的下方通常会有一没有填充物的空间。这一空隙会阻碍封装体下部焊点的受热。“增强型”BGA“增强型”BGA是一相对新的名词至今为止尚未有准确的定义。通常“增强”一词的含义是在结构中增加某种材料以增强其性能。大多数情况下，所加入的材料为金属材料，功用是改善其正常工作时IC的散热。这一点很重要，因为BGA的优势之一是其能为IC提供大数量的IO。由于这种类型的芯片通常会在一个很小的面积上产生在量的热，因此，封装时需有散热设计。特殊的增强型封装本文称作“超级BGA”（SBGA），结构形式是在封装的顶部是一倒扣的铜质腔体，以增强向周围环境的散热。一薄而软的基片在焊在铜片的底面，作为沿周边几行焊球附着之焊盘（即中央无焊球分布，参照JEDEC）。内导线将基板与芯片相连接，芯片从底部塑封。表1列出了BGA封装的物理参数。表中PLCC84用来作为特点与性能的参照而列入。有趣的是除IO指标外，PLCC的其它指标均为中间值。表1PLCCPBGACBGASBGAIO84225361312尺寸30mm27mm25mm37.5mm基材塑料塑料陶瓷铝塑料铜质量6.3g2g7.4g7.5g热传递试验本节将就上述三种BGA的内部几何特点及材料的特性对实际的热传递的影响进行比较。再流焊就本质上讲是一个热的传递过程，即将所有SMA上的焊点升温至焊熔点以上使熔化的焊料流动形成焊点。对于BGA而言，大量的焊点必须相对均匀地受热，以达到再流焊所要求的温度曲线（峰值温度、液相时间等）。根据BGA封装的物理特性，所有的焊点均位于封装体与PCB之间，焊点的加热熔化主要通过封装体与PCB的热传导。关于这一点目前概念有些混乱，有人认为在以热风为主的再流焊炉中，BGA下方焊点的加热是靠热气流在装体下部的流动而实现的。这一理论是不正确的，因为，首先在这种类型的炉中热气流的流态主要是垂直于组件的方向，并沿此方均匀分布，因此炉内并不存在热气流从器件一端穿过器件中心流向另一端的压力差。其次，封装体与PCB之间的空间非常小，且又存在许多焊球，势必会阻碍气流的运动。以热风为主的炉子之所以能够对BGA进行完美的焊接并不是因为它可将热气流“压入”器件的下方，而是因为它可以在器件的上下二个表面，以相对较低的温度而产生高较的热传递，同时又能使得小型器件避免过热。整个热传递制如下：·热量通过辐射与对流被传递至BGA器件的上表面与PCB的下表面，辐射与对流的多少，不同设计的炉子各有不同。·热量通过传导穿过器件体与PCB直接到达焊点。热传导速率取决于材料的厚度和物理性质。因此，不同形式的BGA，因其材料的不同对焊点的加热速度也不相同。而且，即使整个焊球矩阵分存面上，热传导的速率也不相同。因为不管何种形式的BGA，中心都有IC芯片。对于PBGA，若塑封区面积小于焊球矩阵分布区面积，热传导的不均匀性还将会在器件的边缘处显现。其它封装形式也有其独特的结构特性。图1至图3为本文所讨论的三种不同的封装形式。垂直箭头表示不同的热传递路径。图1对于PBGA和CBGA，由于材料组合的不同，从器件顶部至底部焊球所进行的热传导路径也不相同。一个最简单的比较方法是选同一方向，然后分别计算其“热阻”。对于某种材料，其热阻等于选定热递方向上材料的厚度与该材料热导率之商。总热阻为在选定方向上各层材料热阻之和。表2列出了三种封装6个传热方向的总热阻（假设材料为均匀的）。表2封装形式PBGASBGACBGA路径R-1R-2R-3R-4R-5R-6材料模压塑料模压塑料基板热延铜箔铝帽铝帽芯片基板基板气隙基板基板芯片基板热阻(hrft²℃C/BTUx10־³)4.95.83.83.81760.2这一结果表明PBGA和CBGA上的焊球由于在底面位置的不同，其受热速度也不相同。与之相反，SBGA却表现出了两益于再流焊的特点：第一，对于所有的焊球它具有单一的热递路径，这将会消除受热的不均匀性；另外，总热阻很小（因为铜的高的热导率），这将会加快热的传递而简化再流焊温度曲线的调整。在这里需要说明的是，总热阻值并不能完全代表再流焊时的实际受热情况。更准确的热传递计算还应将材料本身的能量吸收考虑在内。对焊点实际受热速率的计算还应将来自PCB底部的热计算在内。而本文之所以进行这样的分析，主要目的是以热阻为主要指标，对焊接时不同封装上的特定点受热情况进行讨论。温度曲线对比试验试验在三种BGA封装上分别进行，以测试在典型再流焊过程中的实际热响应。试验选用相对较短（略长于3秒）的加热周期，使温升速度快、焊接时间短，以使器件受热的不均匀性得到充分表现。试验参数如下：.PCB（相同的3块）：1.6mm厚的FR-4，仅有SMT焊盘，无通孔或内部夹层.元器件（每块PCB上各1）：PLCC-842125BGA（每块PCB上一种）.热偶位置：PLCCJ形引线处2125端子处BGA2个位置---角上焊球和中央焊球（SBGA置于内行）.炉温设定；3块板均相同总加热时间3.2分PLCC处的峰值温度调至2000°C试验的主要目是比较不同BGA封装形式下焊点温度的不同。为此，所有可能会影响结果的其它因素或被忽略或保持恒定。采用无通孔与内部夹层的PCB是因为这样的板本身材料相对比较均匀，且可减少来自板底部的热传递。PLCC可对标准的SMT再流焊过程提供参照。为研究封装体本身内部的温度差，应在封装体的多个位置安装多个热电偶，典型位置为中心与边缘二处。积累了一定的经验后，应对于各种形式的BGA，能确定出一个关键点。对于任一SMA，热偶的固定方式对于温度曲线的准确性非常重要。这就要求热电偶的接点应与被测焊点密切接触。对于BGA中心处的焊点则需要在PCB的底部钻一孔以使热偶能插入与焊球接触。需要一个专用试验板（因为试验完后便可能废弃），并在其上精确地钻--1mm的小孔，然后用环氧胶沿导线密封。就工艺试验而言，这一过程对于实现精确而可靠BGA再流焊工艺过程很是关键。图4是--装有CBGA试验的实际的时间温度曲线。四条曲线中，粗线分别表示型CHIP元件和PLCC器件的温度变化，基本可反映出无BGA器件产品板的工艺过程，CHIP以最快速升温且焊点温度达到最高；而PLCC则升温最慢，焊点温度最低；其它元器件的曲线位于二者之间。细线表示CBGA的二个不同位置的温度变化。其中有一条几乎与PLCC曲线相重合，它反映的是BGA角上的情况。第四条线反映的是BGA中心的情况，温度低于所有其它位置点。图中可以看出测试结果与上述计算的结果相吻合。三种BGA的实际测试结果见表3。表3温度曲线结果比较元器件位置热阻(hrft²°C/BTUx10־³)峰值温度(°C)与PLCC的偏差液态时间2125片式端子21262PLCC-84引线20052PBGA角R-3=3.8205+559中心R-1=4.9200055CBGA角R-6=0.2201+154中心R-5=176195-539SBGA角R-4=3.8202+256中心R-4=3.8201+153这些结果不仅验证了前面热阻计算时所作的预测，而且证明了同一封装中不同位置焊点的温度不同。可以看到，无论是CBGA还是PBGA，其中心焊球与边缘焊球间有5-6℃的温差。与SBGA所不同的是，SBGA的受热均匀且升温迅速，而CBGA的中心却很难达到再流焊温度。但是上述的热阻值并不能完全描述真实的加热过程，而且不能以任何绝对的方式使用。因为，从上述可以看出CBGA角上的热阻最低，但这并不意味着在相同的试验条件下，与其它封装器件相比，它所达到的温度最高。总之，热阻值的大小仅能说明一个区域中温度的不均匀性，对于具体焊点的热响应，还必须进行实际的温度曲线试验。试验的优化温度曲线测试的最后一步是优化温度设定，以使所有的焊点均能满足再流焊技术要求，而三种封装中需要进行温度设定调整的只有CBGA。从上可知，试验温度的确定是以参照元器件2125及PLCC-84可进行适当焊接为标准。参照表3，可以看出PBGA与SBGA的液相时间与最主高温度均在CHIP元件和PLCC所要求的范围之内。假如其它的关键数如升温速率和预热时间也在相应范围之内，那么就可以就，采用这一设定能够满足这两种BGA封装元器件的焊接需要。CBGA封装不能满足上述条件。因为，尽管其边角上的焊点温度符合要求，但其中心焊球的最高值液相时间却低于PLCC。在调整炉温设定时，使所有焊球的焊接温度达到规定值的通常法是增加加热时间。因此，可将传送带的速度降低，使加热时间从3.2分钟增加至4分钟。这样一来，预热时间也相应得以延长，从而使CBGA在进入再流焊区之前，达到与其它元器件更加接近的温度。最终得到的曲线（见表4）可使CBGA上的所有焊点达到相对一致的焊接时间，只是2125元件的最高温度略有上升。表4优化曲线的结果元件位置最高温度(C)与前条曲线的偏差(C)液相时间(sec)与前条曲线的偏差(C)2125元件端子213+164+2PLCC-84引线202+258+6CBGA角205+462+8中心200+557+18结论.BGA焊接时所需的接量主要是靠封装体与基板的热传导。热风只能直接加热周边焊球。.BGA是