BGA、CSP再流焊接接合部工艺可靠性设计

一、确定必要的钎料量
1.确定必要钎料量(体积)的理论依据
滨田正和认为:BGA、CSP再流焊接接合部的结构具有下述3个特征。
① 凸形再流焊接接合部,不像QFP那样可以通过外部引线来吸收外部的负荷和应力,BGA、CSP完全靠钎料自身来确保可靠性。
② 在BGA、CSP封装内部也有接合部(见图1)。因此,受搭载元器件的PCB基板的挠曲变形的影响大,如图2所示。


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图1 BGA、CSP封装及其接合部


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图2基板挠曲变形的影响
③ 钎料球的接合部均是一次成形的。因此,确保接合部良好的润湿性非常重要。并利用焊接中自身的矫正作用(由熔融钎料的表面张力对元器件贴装位置的自动修正效应),来自动修正位置偏差。
为确保BGA、CSP组装的可靠性,根据什么来配置必要的钎料量呢?BGA、CSP焊前定位所需的钎料量是极少的。因此,必需的钎料量主要是根据PCB的挠曲状况来确定。应利用基板挠曲的大小和焊接时沉降量的平衡状态来确定必要的钎料量。
沉降现象的发生取决于焊接时接合部熔融钎料的表面张力、钎料球的内压力及封装体的自重综合作用的结果,如图3所示。沉降现象发生时,对基板挠曲的吸收示意如图4所示。


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图3 沉降现象的发生机理


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图4 沉降现象对基板挠曲的吸收
2.必要的钎料量(体积)的确定
在BGA、CSP等凸点型接合部所有的外来负荷都必须由钎料本身来吸收,如图5所示。


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图5 BGA、CSP等凸点型接合部结构特征
通过对基板挠曲和沉降现象的分析,在确定BGA、CSP焊接过程中发生挠曲的吸收所必需的钎料量时,应从下述两方面来分析。
1)最小钎料量(体积)Qmin
当不发生挠曲变形时,为吸收基板挠曲而设置的钎料量就没有必要了。此时,必要的钎料量只需满足芯片焊前定位和焊接时的润湿性即可。为定位和润湿焊盘表面,我们设定只要有0.01mm的钎料厚度层即可满足要求。当PCB焊盘半径为r时,可求得最小钎料量为
Qmin=πD^2×0.01/4(mm3) (1)
2)最大钎料量(体积)Qmax
当沉降量不能吸收基板的挠曲时,如陶瓷封装的CBGA、CSP,因为封装不会挠曲,所以基板的挠曲量-BGA、CSP封装的挠曲量的差值变大(基板挠曲量-BGA、CSP封装挠曲量>沉降量)。在此场合下BGA、CSP中央部分将存在间隙G,为填充该间隙G所必需的钎料量(如图6所示),其体积V可按下式求得。
为填补这个间隙G所必需的钎料量,即最大钎料量Qmax,可按下式求得
Qmax=πD^2G/4(mm3) (2)


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图6 必需钎料量的确定
二、焊盘设计
图7所示为BGA、CSP封装结构参数,表1所示为供应商提供的相关具体标称尺寸,在此基础上进行PCB焊盘设计。


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图7 焊接接合部焊盘尺寸的确定
表1 BGA、CSP封装钎料球尺寸


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由于BGA、CSP的焊盘形状大部分均采用圆形,故接合部焊盘设计的主要内容是:
1)确定圆形焊盘的最大直径(Dmax)
前面已讨论了从可靠性看焊盘接合部的最薄弱的部分,也就是断面最小的地方。因此,PCB基板上的安装焊盘最大直径(Dmax)的取值通常就与BGA、CSP封装焊盘直径相同,即
Dmax=BGA、CSP封装的焊盘直径 (3)
2)确定圆形焊盘的最小直径(Dmin)
圆形焊盘的最小直径(Dmin)通常可通过BGA、CSP的贴装精度和BGA、CSP本身的尺寸精度,再综合由熔融钎料的表面张力所形成的自调整作用的影响来求得,即


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式中 δ5——贴片精度;
ΔBP——钎料球间距精度;
ΔPP——PCB焊盘间距加工精度。
三、印刷钢网开口尺寸的确定
1.钢网开口直径设计
就钢网开口部设计与焊盘相比,当印刷机位置精度较高时,其设计方法基本上与片式元器件相同。此时,为不使钎料量过多,将位置精度估计为0.05mm,故
钢网开口直径=焊盘直径-0.05 (3)
2)印刷厚度的管理值
一般在焊膏的总体积中,钎料合金含量与助焊剂等的体积大约各占总体积的一半。由此,可得出具体焊膏印刷体积控制范围为
Vmax=2Qmax (4)
Vmin=2Qmin (5)
由式(3)~式(5)可求得对应的最大印刷厚度Tmax和最小印刷厚度Tmin。
Tmax=Vmax/(钢网开口面积) (6)
Tmin=Vmin/(钢网开口面积) (7)
3)工艺可靠性设计注意事项
由于BGA、CSP组装后的焊点检测是困难的,因此,必须按照工艺设计的基本思路,把获得完好的质量放在第一位,这时一个非常重要的因素是保证钎料的润湿性。如前所述,BGA、CSP再流焊接时钎料的表面张力产生的沉降现象和自调整效果,有利于焊点质量的改善。



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