光通信PCBA双面组装BGA类器件工艺研究

光通信PCBA双面组装BGA类器件工艺研究汤大伦—烽火通信系统设备制造部工艺技术经理[2010.3.1]随着通信产品的通信频率越来越高，通信PCBA的组装密度也日益增加，通信PCBA设计提出了3D组装和双面组装BGA类器件的需求，对电装工艺的发展也提出了新的要求。双面电装BGA类器件的提出由于通信PCBASTM64光接口盘子板需要，在PCBA两面采用了BGA器件和BGA插座（见图1）设计，因而提出了双面电装超重BGA类器件的新工艺课题。双面电装BGA基本指导思想1、在双面组装时TOP面（topside）元器件第一次回流后，需要将电路板翻转进行另一面的回流焊接。在第二次回流时，原己焊接TOP面元器件可能被表面张力所固定，为了防止元器件在重力作用下的掉落，需要从元器件重量和焊盘总面积的角度来判断元器件在BOT面（bottomside）回流时是否会掉落；2、此PCBA由二次BGA插座转接，在TOP面有2个BGA器件和2个BGA插座，在BOT面有1个BGA插座，对于双面BGA封装器件和插座在SMT电装上有难度，对于超重的XS1-BGA插座（25g）（Tyco1-1761616-5）器件在SMT电装是第一次。如何在二次回流焊接中使下面的BGA器件，在重力的作用下不掉件，并保持良好的焊点外形，是电装工艺的课题；3、经分析和理论计算后，决定采用同类型Sn63/Pb37的有铅焊膏进行二次回流焊接，先焊接TOP面，然后对于TOP面的BGA器件进行热隔离保护，在翻转PCBA后焊接BOT面上的超重BGA插座。工艺流程设计1、先在SMT5线电装PCBA的TOP面，贴装2个BGA器件（IC1、IC2）和2个BGA插座（TRX3、TRX4）；2、使用X-Ray设备检查TOP面BGA的焊点质量；3、然后贴装大BGA插座（XS1），器件质量25g，焊球数666；4、在TOP面安装BGA隔热罩，使在焊接BOT面时降低TOP已焊接BGA器件的焊点温度，增加焊料附着力，使BGA器件不掉落；5、调节、选择合适的回流焊接曲线，对于BOT面进行焊接；6、用X-Ray设备检查BOT和TOP面的BGA焊点质量。二次回流焊接中BGA器件掉落理论简析第一次焊接时，IC1(PM5326)器件的轨道支撑力F1＞＞BGA重力F，熔化的焊球在表面张力托起IC1(PM5326)，器件不能掉落(见图2)。第二次焊接时，IC1（PM5326）器件的重力作用与第一次焊接时正相反（见图3）。第二次焊接时器件的重力与轨道支撑力F1方向相反，轨道支撑力对于BGA器件没有支撑作用。要使BGA器件不掉落，必须使BGA重力小于焊料附着力F2。设定：σ是熔融的焊球抗拉强度Cg是元器件重量Σp是总焊盘面积Σp=ΣA、B……计算公式：Cg≤ΣF2、ΣF2=σ.Σp，即Cg≤σΣp，σ=Cg/Σp。σ与熔融焊料的内聚力或表面张力成正比，它取决于熔融焊料在某一温度条件下的材料特性，σ=Cg/Σp是评估是否掉件的关键指标。保证有铅焊料的BGA二次回流不掉落的经典判断标准为：σ=Cg／Σp≤30（g/in2）。二次回流焊接BGA器件工艺因素鱼骨分析（见图4）双面回流焊接BGA的工艺计算（按鱼骨图因素计算）焊膏供应商推荐的回流焊接曲线（见图5）。焊盘面积和比率（Cg／Σp）计算：1、IC1器件（BGA器件）焊盘总面积：(0.45÷2)2×3.1415926×1292=205mm2×0.00155=0.3185in2器件重量：14g、比率：14g÷0.3185in2=43g/in22、IC2器件（BGA器件）焊盘总面积：(0.45÷2)2×3.1415926×456=73mm2×0.00155=0.1124in2器件重量：2.25g、比率：2.25g÷0.1124in2=20g/in23、TRX4器件（BGA插座）焊盘总面积：(0.58÷2)2×3.1415926×300=79.26mm2×0.00155=0.1229in2器件重量：3.5g、比率：3.5g÷0.1229in2=28.48g/in24、XS1器件（BGA插座）焊盘总面积：(0.57÷2)2×3.1415926×666=170mm2×0.00155=0.2635in2器件重量：25g、比率：25g÷0.2635in2=94.88g/in2经对PCB焊盘、模板开口、器件重量等实际测量统计，形成表4。掉件原因分析1、有铅焊料二次回流有一个经典的判断标准：Cg／Σp≤30（g/in2）；其中Cg是元器件重量，ΣA是总焊盘面积；2、根据经典的判断标准：Cg／Σp≤30，IC1（T面）和XS1（B面）在二次回流焊接中，将有一种器件在重力的作用下掉件，同时TRX4（T面）的BGA插座也比较接近经典的判断标准，存在电装工艺风险；3、XS1器件（BGA插座）焊膏计算，按器件设计公司要求在焊盘上的焊膏量是0.044mm3，设计模板δ=0.15mm，开孔直径0.67mm，焊膏释放比率要≥83%4、模板的厚度是0.15mm,开孔直径均比PCB焊盘直径大0.10mm，有利于焊膏量增加，使熔融焊料在断裂前能承受的最大张力强度增加。PCBA双面BGA电装STM64光接口盘子板，尺寸250×190mm、16层FR4板。1、PCBA的正面TOP（2个BGA芯片、2个BGA插座FCI公司）电装；•丝印工艺参数见表5；•回流焊接工艺参数设备：HELLER1800EXL温度设定：160—175—165—165—180—230—265—265℃（上下一致）、冷却：65%焊接速度：70cm/mi，有铅BGA器件、183℃、TAL为83s最高BGA焊接温度：IC1为221℃、IC2为232℃。由于非实板测试实际的温度预计低5℃，同时兼顾PCBA上无铅的元器件，因此焊接曲线比较合适（见图6）。•PCBA（TOP面）焊点检查A、IC1（PM5326）器件用X-Ray检查，没有发生桥接缺陷（见图7）。在放大40倍、倾斜55度、焊球变形较好，红色中心线上部的焊球变形并相连，焊球内部没有空洞（见图8）。B、IC2（XC3S1000）器件用X-Ray检查，焊球没有桥连发生，焊球有少量空洞、变形没有大BGA（PM5326）的大（见图9）。2、反面BOT（BGA插座××公司-1-1761616-5）等其他贴装元器件电装；•丝印工艺丝印参数和焊膏体积见表6。按××公司建议，BGA插座各个焊盘上的焊膏量为：0.044mm3、焊膏释放比率要≥83%。实际BGA插座各个焊盘上的焊膏量为：0.041mm3、焊膏释放比率要≥78%，比要求少5%。•贴片工艺A、BGA插座基本参数：1-1761616-5为一种新型BGA插座，长55mm,宽25.4mm，高16.5mm，元件重量25克，焊球数666个，底部本体颜色为白色，其外形如图10所示。B、贴装面临的主要问题：超重，元件重量为25克，这几乎达到了现有贴片机所能处理元件重量的极限；超高，元件高度为16.5mm，超过了现有贴片机处理高度。C、贴装试验过程：试贴四块PCBA，选择GSM1贴片机，主要考虑到该型机处理异型元件能力非常突出。具体参数设置：将元件高度设定为12.7mm，贴装BGA插座压力为150g；使用最大吸嘴360F进行吸取，并将吸取速度设置为慢速；由于器件数量少包装不合适，单独将元件放置在托盘供料器上；由于颜色接近，只能识别出其中80%-90%的焊球，将球检测功能关闭。做上述调整后，GSM1成功进行了贴装。•回流焊接工艺A、制作隔热罩：焊接前将TOP面的2个BGA器件，采用环氧板做的隔热罩（见图11）进行热隔离，并用热胶带固定，其中第2号PCBA没有用隔热罩。热隔离效果试验表明，不加隔热罩，BGA器件上温度是239℃；加上隔热罩后，BGA器件上温度是203.8℃,相差高达35.2℃，隔热罩的效果明显（见图12）。B、调整回流焊接曲线：采用BTU回流炉，第7次的温度曲线认可（见图13）。温度：上部150-175-160-160-200-245-245℃下部150-175-160-160-200-260-260℃出风：1.0-1.0-0.8-0.8速度：55mm/min，冷却：43℃C、××公司XS1（B面）BGA插座（1-1761616-5）推荐焊接工艺参数符合度：1、有铅BGA插座1-1761616-5到145℃的润湿时间是190s，基本符合要求；2、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度183℃以上时间是67.4s，符合要求；3、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度是192.4℃,相差17.6℃，不符合要求；说明：对于BGA插座1-1761616-5的焊接温度是192.4℃,183℃，ALT是67.4s，由于BGA插座内有大量的金属，热容量很大，但考虑到PCBA上的Chip元件的温度已高达235.7℃,对于有铅焊接温度已很高了，温度不能进一步提高，所以对于BGA插座底部焊球上只有192.4℃是偏低的，不过BGA插座在183℃ALT是比较长的，所以当时认可了这样的焊接曲线，经焊后的焊球的X光检查，焊点变形达到要求，经研发人员的PCBA功能测试，10块PCBA电装质量符合要求，全部一次通过。4、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度总时间(限下降到183℃)为320s，符合要求；5、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接没有采用N2气；6、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接上升温度是1.0℃/s，下降温度是0.7℃/s，符合要求，使BGA插座不发生形变或开裂。D、进一步完善：对于BGA插座1-1761616-5的焊接，若速度再降低5—10mm/min的话，可能对于大容量的BGA插座的焊球效果更好。BGA器件的焊球的焊接温度是BGA底部的PCB板的固体传导热，因此将焊接区的下部温度高于上部温度15℃，有利于大容量BGA插座1-1761616-5的焊球焊接，同时使TOP面的BGA的焊球上的温度相对低于202.6℃。•PCBA双面BGA焊点检查A、BOT面有铅BGA插座1-1761616-5焊点X-Ray检查并没有发生桥接，见图14。B、经过二次回流焊接后IC1（PM5326）器件的检查IC1（PM5326）器件第一次焊接焊球变形，见图16。IC1（PM5326）器件第二次加罩焊接焊球变形，见图17。IC1（PM5326）器件第二次不加罩焊接焊球变形，见图18。从上面3张IC1（PM5326）BGA器件变形图看，在X-Ray设备检查，参数放大40倍、倾斜55度的相同条件下观察，焊球的变形基本相似，没有大的区别，焊球的变形较好。在IC1（PM5326）器件第二次不加罩焊接后，发现IC1器件BGA的小PCB四角变形（上翘）较大，但X-Ray检查未发现焊球不良。二次焊接对于IC1焊球温度的影响：IC1（PM5326）第二次加罩焊接焊球最高温度：202.6℃，ALT：69.3s；IC1（PM5326）第二次不加罩焊接焊球最高温度：225.9℃，ALT：111.2s。这说明，加罩和不加罩，在IC1所受的最高温度有23.3℃差别，但并没有影响焊点变形和空洞，也就是说在二次焊接中温度在相差20℃左右，对于焊接质量的影响不大。C、IC1（PM5326）BGA器件不加罩焊接的分析在焊接PCBABOT面有铅BGA插座1-1761616-5时，IC1（PM5326）BGA器件在PCB的底面，为了防止IC1的掉落，在焊接时加上采用环氧板做的隔热罩进行热隔离，理由是按经典的Cg/Σp比率是≤30才能使器件不掉落，而IC1的Cg/Σp比率是43，按要求应加隔热罩。目的有二，首先，使加在IC1的焊球上的温度降低，使熔融焊料的内聚力或表面张力增加，也使σ（焊料的抗拉强度）增加，造成IC1不掉落；其次，假如σ强度不够，IC1仍要掉落，可以掉落在隔热罩内，不会造成IC1掉在炉膛内而损坏。有3块PCBA是采用此方法焊接，没有问题。考虑到做隔热罩并不适合大量的生产，而且在上罩时对于BOT面元器件的贴装位置的影响，所以大胆采用不加罩直接双面BGA器件的焊接的工艺试验