带散热凸台BGA的焊接问题研究

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带散热凸台的BGA是一种新近出现的BGA封装形 式，其特点是在BGA封装的底部中间位置（芯 部）加有一个散热的铜块，主要用于高功耗器 件的封装，如图1所示。由于它目前还没有统一的名称，在本文中我们将其称为Slug-BGA。由于底部散热凸台的支撑作用，在焊接过程中，Slug- BGA封装体相对于一般的PBGA不能自由的伸缩，冷却时会产 生较大的应力，位于边缘处的焊点很容易拉裂，如图2所示。一般BGA的焊接过程BGA的焊接与一般器件的焊接有所不同，存在两个特殊的热过程：两次塌落与热变形。: 两次塌落BGA焊接时，先是焊膏熔化并塌落，然后焊球熔化并 二次塌落。许多的试验证明，只有发生二次塌落，BGA才 能实现自动校准和焊膏焊球成分的融合，这就需要合适的温度与焊接时间。: 热变形对BGA来说，焊接加热时总是BGA表面先被加热，接 下来是封装体被加热，最后才是焊点被加热并最终熔化， 冷却时则相反。这样的加热过程必然导致升温时BGA的顶 部比底部温度高，因而向上弓曲，冷却时，则是顶部比底 部的温度低，因而四角上翘，如图3所示。也就是BGA进行 回流焊接时存在一个热胀冷缩的变形过程。由于BGA器件 的I/O端是以焊球形式存在并布局在封装体的底部，在焊接 过程中，封装体的形变必然影响到焊点的形成过程，特别 是BGA的周边焊点。这两次的变形都发生在温度变化比较快的阶段，不管 上弓还是四角上翘，他们都发生在焊接过程中。对一般的 PBGA而言，焊接完成后BGA会基本恢复到焊接前的状态， 也就是封装体仍然会基本平整。但对Slug-BGA而言，由于 其芯部存在散热凸台，冷却时芯部不能自由收缩，焊接完 成后热变形不能完全恢复；焊点，特别是靠近BGA四边的 焊点就会存在一些应力。如果焊接时，BGA封装体还没有 完全达到热平衡状态就转入冷却阶段，这时的应力就会很大，在冷却时有可能使焊点发生断裂。Slug-BGA的焊接问题Slug-BGA焊接时容易发生两个问题：一是焊接温度不够，达不到二次塌落的温度。这样， 焊点在凝固时焊球仍处于半固半液的“糊状”形态，焊点 很容易发生断裂。二是焊接时间不够，准确地说是Slug-BGA达到峰值温 度后的停留时间不够，Slug-BGA封装的变形还没有恢复， 仍处于芯部上弓的状态。如果这时进入冷却阶段，在四角 上翘拉力和芯部散热凸台向下的双重作用下，焊点很容易拉断。即使没有拉断，焊点由于受到很大的应力，对长期 可靠性是不利的！图4为一个Slug-BGA焊接后所做的一个 切片图，我们可以看到越靠边缘处的焊点高度越小，越靠 散热凸台的焊点高度越大，在系列试验中的最大高度差达 到焊点平均高度的三分之一。对策为了消除Slug-BGA存在的焊点断裂现象，必须注意两点：一是焊接温度必须足够，达到二次塌落的最低温度要 求；二是焊接的时间必须足够，准确地说，就是比峰值温 度小5℃以上的回流焊接时间必须足够，如图5所示。厂家推荐TP为10-20s。一般工艺条件下，只要按照厂家推荐的工艺条件即能 实现良好的焊接。但这里要提醒的是，必须严格实施完全 的锡铅焊接或无铅焊接工艺。如采用的是无铅BGA，焊接 又采用的是锡铅焊膏，要特别地注意！决不能以锡铅焊膏 的工艺条件进行焊接，必须适当提高焊接的温度、延长焊 接的时间，以满足二次塌落和变形恢复的条件。这是正确 进行Slug-BGA焊接的要领，也是所有BGA焊接温度曲线设 计的依据