BGA封装锡球制备技术研究

第10期电子元件与材料Vol.24No.102005年10月ELECTRONICCOMPONENTS&MATERIALSOct.2005BGA封装锡球制备技术研究高德云，夏志东，雷永平，史耀武（北京工业大学材料科学与工程学院，北京100022）摘要:综合介绍了BGA封装使用锡球常用制造方法，分析了研究较多的均匀颗粒成型技术的原理。用均匀液滴法制备的BGA锡球颗粒具有真圆度高，表面质量好，颗粒粒度均匀等特点，能直接得到满足使用要求的锡球，生产效率远胜于传统生产技术。重点介绍均匀颗粒成型的几种实现方法及特点，其中AC-DC雾化法具有实现方式简单，成型优异的特点。关键词:电子技术；锡球；综述；BGA；制备技术；均匀颗粒中图分类号:TG42文献标识码:A文章编号:1001-2028（2005）10-0056-05ResearchonTechnologyofFabricatingSolderBallforBGAPackagingGAODe-yun,XIAZhi-dong,LEIYong-ping,SHIYao-wu(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)Abstract:FabricatingmethodsoftenusedforsolderballintheBGApackagewerereviewed.UDS(uniformdropletspray),whichiswidelyinvestigatedwasanalyzed.UDSfabricatedparticlesarewithcharacteristicsofgoodroundness,betterexteriorqualityandmonodispersity,andthequalityisbetterthanonesproducedbytraditionaltechnologies,particularlyinproductivity.AfewofUDSmethodsandtheirfeatureareparticularlypointedout.AmongthemtheAC-DCsprayingmethodiswithfabricatingsimplificationandhighshapingquality.Keywords:electronictechnology;solderball;review;BGA;fabricatingmethod;uniformparticleBGA封装是采用锡球来代替IC元件封装结构中的引脚，从而满足电器互连以及机械互连要求的一种连接方式。BGA封装不仅可以安排更多的I/O，更重要的是它可以按功能要求设计从两层到多层的集成电路，可以完成电阻优化，即设计制造多芯片模块(MCM)[1]。为了防止在更细间距的BGA或FlipChip封装方式的电子连接过程中的桥联等问题的出现，并利用焊球在熔化过程中的“自对准效应”，BGA封装采用的锡球，具有相当高的尺寸及外形精度要求。为了生产出锡球表面质量和尺寸外形精度都满足要求的锡球，多种技术被尝试且有的技术方案已经用于生产，但是为了获得更佳的生产技术，目前国内外仍有相当多的研究投入到锡球生产技术上。传统锡球颗粒生产方法有气雾化法、离心雾化法和切丝重熔法等，这些方法借鉴传统粉末生产技术，再通过专业的检测手段，得到可用的焊料球，这些方法的生产成本高，产品质量不容易得到保证，为了得到尺寸均匀、表面质量及内部组织优越的锡球并有较高的生产效率，国内外都对均匀液滴法的研究报以极大的关注[2~4]，本文综合介绍了这些颗粒生产技术，并对均匀液滴法的原理及主要实现方式作简要的介绍，比较分析各种方法的特点，提出均匀液滴法具有相当的研究价值，寄希望对我国在本领域的研究有一定的借鉴作用。1国内外的研究和生产方法评述1.1气雾化法气雾化法是利用气体的压力将流经喷嘴的液体冲收稿日期：2005-05-24通讯作者：雷永平基金项目：国家863计划资助项目（No.2002AA322040）；北京市教育委员会资助项目（No.2002KJ020）；北京市自然科学基金资助项目（012003）作者简介：雷永平（1957—），男，陕西西安人，教授，博士生导师，现从事电子连接材料研究；高德云（1977—），男，四川南充人，研究生，从事BGA封装技术研究。Tel:[phone];E-mail:[e-mail]。综述REVIEW第10期57高德云等：BGA封装锡球制备技术研究击破碎的方法。在气雾化法生产金属颗粒的生产中，由于一些工艺参数如雾化气体的压力高低对雾化颗粒的分散度和大小的影响，以及雾化气体介质性质对雾化颗粒的分布及形状的影响，因而在采用气雾化法生产锡粒的过程中，锡粒的分散度较宽，必须通过多次筛分及检测才能得到能够满足使用要求的颗粒。1.2离心雾化法离心雾化是将要雾化的熔融金属液体流到旋转的圆盘上，在离心力的作用下，脱离转盘的边缘，落入冷却介质中固化的一种加工金属粉末的方法。离心雾化的程度主要取决于圆周线速度、液体金属的进料速度、液态金属的性能以及转盘的构造形式，尽管离心雾化的生产效率较高，但是生产的颗粒分布比较分散且真圆度不高，必须经过多次筛分及检验才能得到满足使用要求的颗粒。1.3切丝重熔法切丝重熔法制造BGA锡球的过程是先将钎料制成一定规格的细丝，然后用剪切机械将之裁切成均匀的分段，将分段浸入适当温度的热油使之熔化、凝固成为球形颗粒，经过筛分、清洗、检验从而得到满足要求的BGA锡球。切丝重熔法制造金属颗粒的原理简单，但是对制造机械的精度要求很高；由于拉丝过程容易造成钎料丝的粗细不均匀，进一步会影响生产的颗粒的尺寸大小，同时，金属在重熔的过程中，液体介质的温度、种类，重熔时间的控制以及工艺的控制都将影响到生产的钎料小球真圆度、表面质量以及结晶组织，从而对产品在BGA封装中的质量产生影响。根据生产实践来看，切丝重熔法还必须经过筛选才能得到满足要求的锡球，这又大大影响了该法的生产效率及效益。1.4均匀液滴成型法1.4.1均匀液滴成型法的基本原理当某种液体从射流管口以一定速度（平滑流）流出时，如果在射流管内部给液体施加一定频率的纵向扰动，液体的内部压力将按波形分布，当这样的液体从管口射出时，压力变化导致射流的直径将发生相应的变化。直径较大处的液体表面张力小，直径较小处的液体表面张力大，此时，压力高处液体向压力低处靠拢，使射流直径进一步减小，形成腊肠型射流断裂模式，从而导致均匀液滴的产生。关于对腊肠型射流断裂模式中，一定频率的扰动能导致均匀液滴产生的机理有很多种认识，其中表面波理论是其中较为成功的一种。表面波理论认为，射流系统有一个昀不稳定频率，昀不稳定频率由射流流速、喷嘴几何结构、射流液体的物理性质如黏度、表面张力以及周围气体介质的物理性质等确定。外加扰动频率如果在昀不稳定频率附近，射流液体在扰动作用下生成的表面波将以昀快速度增长，在表面波的作用下，射流将破碎成均匀液滴。液滴直径D和振动频率f、射流速度V及喷嘴孔径d有公式（1）所示关系：312)23(dfVD⋅⋅=（1）公式（1）不仅揭示单位时间颗粒产生频率与扰动频率成正比，而且也说明了在稳定破碎过程中液体流速与外扰频率的相互联系，以及通过调整扰动频率可以适当地调整所产生均匀液滴的尺寸。（从微分角度分析公式（1），可以看出，要使液滴尺寸发生1%的改变，射流液体流速与外扰频率的比值需要发生3%左右的相应变化，这说明了均匀液滴法具有相当的稳定性）[5~8]。1.4.2利用均匀液滴法生产单分散颗粒的研究现状因为均匀液滴在农业（如均匀颗粒的喷雾有利于改善喷雾的质量）、工业（如烧碱工业中制造均匀颗粒烧碱，再如快速原型制造及表面喷涂中均匀液滴法都有显著的优点）等方面都有重要的应用价值，故而对均匀液滴法的研究在国外有很多，近几年国内也有一些相关的研究。就目前的研究现状来看，如何施加操作简便、调节容易的外加纵向微扰从而实现单分散效果优异的腊肠型射流断裂是均匀液滴法技术的关键，为此有很多尝试来实现这一目的，但这些方法从本质来讲，可以分成两大类型：机械振动法及电驱动振动法，其中电驱动的方法又可以分为压电振动法和电场雾化法。1.4.2.1机械振动法图1是机械振动法的原理示意图，喷头3在射流方向上可以自由振动，射流液体流速由向喷头输液的输液泵1调节。反馈调节系统6产生的振动信号通过1.射流泵；2.高压容器；3.微型喷头；4.均匀颗粒；5.激励源；6.计数器；7.旁路系统；8.冷却液图1机械振动法原理示意图[5]Fig.1Schematicrepresentationofforcedrivingjetbreak-up58电子元件与材料2005年喷头传递给喷嘴继而作用在射流液体上，从而导致射流断裂的发生[5]。在一些研究中，利用超声波的震动效应来对喷嘴内的射流液体产生一定频率的扰动，从而使得射流液体发生射流断裂[9]，这些方法本质上都属于机械振动类型。由于喷头在外绕的作用下是受迫振动，它的振动频率昀终必须和外扰同步，但是由于喷头的惯性作用，同步的过程相对较长，从而对射流断裂的调节性能带来不利的影响。1.4.2.2压电振动法机械振动方法的调节性能不佳，主要是由于喷头的惯性太大，压电振动法在此基础上作了一定的改进，它是让伸入液体中的振动杆靠近喷嘴，振动杆所受扰动由利用函数发生器产生的电信号驱动的压电芯片提供，由于函数发生器提供的电信号便于调制，因而压电芯片提供的外加扰动方便可调，振动杆的惯性较小，有效地缩短与压电振动信号的同步时间，但是振动杆的扰动昀终需要传递到喷嘴的射流液体上，因而振动杆的末端到喷嘴的距离也是一个重要的影响因素，振动杆到喷嘴的距离越近，外扰的调节性能越好。在压电振动法制造均匀颗粒的研究中，稳定射流的实现方式主要通过坩埚内外所充N2气压力差实现，通过调整加热坩埚的气体压力[6~8,10]，可以改变射流液体的流动速度。典型原理配置图如图2所示。压电振动发生器加热圈温度传感器氮气保温层颗粒充电坩埚图2压电振动原理图[6]Fig.2Schematicrepresentationofpiezoelectricitydrivingjetbreak-up压电振动法产生均匀颗粒的方法是对机械振动法的昀直接的改进，因而这两种方法面临着一个共同的问题就是液滴在下落的过程中不可避免地会有一些颗粒合并的现象，颗粒为什么在下落的过程中会发生复合，在文献[5]中H.Branddenberger对此作了初步分析并为此提出了一个实际效果非常优越的解决方案：射流过程中，不可避免有一些扰动，比如射流液体的黏度变化，当射流液体为黏性液体时，一些小的扰动都会引起颗粒在表面张力的作用下收缩成小球的过程，从而影响单个小球的相对运动速度，导致小球之间的合并现象发生。为了减少颗粒之间在下落过程中合并，可以在系统中加入一个充电装置，下落的颗粒由于充电而相互排斥，避免复合。图3所给是机械振动法在充电900V前后颗粒成型效果。(a)充电前的颗粒(b)充电后的颗粒图3振动法在充电900V前后颗粒成型效果比较[5]Fig.3Particledistributionwith(orwithout)electrodepotentialapplied目前，使用压电振动装置产生均匀颗粒方法生产BGA锡球的研究在国内外都较多，如果在系统中设有适时监控系统，它可以检测到射流断裂的过程，通过一定的计算机分析软件，可以对射流过程产生适当的调控，这种均匀颗粒生产方法在实践上是可行的，且制造的锡球表面质量及内部组织都很优越，有的国家已经利用它生产出一定尺寸的可供表面封装用的锡球[10,11]。1.4.2.3电场雾化法与压电振动方法相应的是另外的一个电驱动方案——电场雾化法，它是利用导电液体在电场作用下的不稳定性特点，直接对流经喷嘴的射流液体施加一定形式的电场从而对射流产生扰动，导致射流液体破碎