无铅组装中PBGA 封装体翘曲及其对传统MSL 分级的影响

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作者：B.T. Vaccaro，R.L. Shook，E. Thomas, J.J.Gilbert，C. Horvath，A. Dairo，G.J. Libricz Agere Systems
“Originally published in the proceedings of the SMTAInternationalConference, Chicago, Illinois, September 2004.”


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摘要
本文介绍了一系列球间距为1.0mm的PBGA在线路板上的焊接试验，经X光和超声显微镜（CSAM）检测，有短路、分层等焊接缺陷产生。试验中通过对热屏蔽模量的测量，评估PBGA封装体的翘曲以及潮敏等级（MSL）与PCB组装结果之间的关系。试验结果表明：PBGA器件封装体的翘曲和无铅回流温度的升高是导致焊接缺陷增多的根本原因。
- j* Z" R! G1 A# U随着PBGA器件尺寸不断增大，硅芯片（die）尺寸的减小，封装体本身的翘曲也在逐渐增大。大的PBGA封装体（35mm以上）在IPC/JEDEC 标准中被明确标出，湿度/温度在MSL-3/260℃情况下，回流过程会引起PBGA器件封装体更加严重的翘曲，从而导致回流后PBGA的周边焊球更容易产生短路。
传统的锡/铅焊接工艺中，PBGA封装体的翘曲以及MSL与焊接结果是相匹配的；而在无铅焊接过程中，回流峰值温度要升高，原来的标准中与之匹配的翘曲度及MSL与无铅组装结果不再相符。
# S8 i8 @( E9 l本试验的目的，就是通过对不同封装尺寸、湿度等级的PBGA组装焊接试验，找出适合无铅焊接温度下的PBGA封装体翘曲度与MSL，加入到IPC标准中，通过热屏蔽模量的测量结果分析，指导球间距为1.0mm，不同封装尺寸，不同硅芯片尺寸的PBGA的无铅组装。
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4 p5 t, @9 V4 O$ f* J# X$ o试验内容介绍：
IPC/JEDEC J-STD-020C 对器件封装体MSL分类制定了标准，并明确指出：器件生产厂商必须注明器件的封装类型以及满足生产的湿度等级/温度（回流焊接过程中峰值温度）。在该标准中，器件湿度等级是建立在电气测试结果以及在指定的湿度等级和回流峰值温度范围内C-SAM破裂/分层检测基础上的。
, k& Q4 H& g1 d1 |! A: g9 yJ-STD-020C中有一个潜在问题，那就是遗漏了一个要求，即评估器件本身高温封装时，器件基板的翘曲及MSL与PBGA组装过程中高温回流间的匹配关系。
了解高温封装器件本身的翘曲，可以更好地进行含有PBGA的线路板组装。现在J-STD-020C中的测试数据没有描述高温封装器件在无铅组装中翘曲度与MSL的匹配关系，现有标准中只是说明室温下标准封装的元器件翘曲与MSL的匹配关系。
8 V1 V) U* ]' W9 b  L1 p9 A3 n  N本试验使用的是装有大量焊球的PBGA，因为该器件在高温封装过程中已发生过器件基板本身的翘曲，而在无铅回流过程中又要承受一次高温冲击，器件基体的变形易引起焊接短路、断路、分层等焊接缺陷。热屏蔽模量测试方法可以测量PBGA超出翘曲度时，MSL对SMT组装的影响，测量是从室温到无铅回流峰值温度260℃情况下进行的，图1是典型的PBGA热屏蔽模量与翘曲度的关系图：
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由于器件材料与PCB热膨胀系数不同，线路板在回流焊接过程中经受高回流峰值温度时，PBGA器件基体因焊料表面张力的作用翘曲变得更严重；在同一测试过程中，器件的湿度越大，回流后器件翘曲度亦越大；以上两种情况都可直接导致焊接缺陷的增多。图2为PBGA器件经回流焊接试验后的翘曲情况和结果。
从室温下开始加热后（图2.a），器件先是凹形翘曲的， 随着焊接温度的逐渐升高， PBGA 封装体变软，伴随着焊料和BGA焊球的熔融，焊料表面张力增大，拉动器件封装体周边下榻，焊球间焊料相连形成短路（图2.b）。
5 |7 R9 c3 @: P% x- t+ d在这一过程中，回流焊峰值温度越高，器件封装体变形越厉害，形成短路的可能性越大；待PBGA进入降温阶段，封装体逐渐变硬开始反弹，而由于表面张力的作用，相连在一起的焊料球不能完全分离，焊料固化后形成短路焊点（图2.c）。
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多次试验证明，PBGA焊球发生短路的几率与焊接峰值温度有关，高于熔点的温度越高，产生短路的可能性越大，而同样的翘曲度，器件湿度越大，产生短路的可能性也越大。
" P& o5 s' A; M) r上述试验证明：当PBGA用于无铅焊接工艺时，因回流焊接温度升高，导致短路几率会加大，所以PBGA器件生产厂商一定要保证PBGA封装基体的平整度，减少翘曲，把湿度降到最小，同时采用良好的包装材料，确保PBGA与空气隔绝，使用时严格按照标准操作，减少器件暴露于空气中的时间。
9 I% Q1 b; e4 A8 s% \试验目的：
1、确定封装尺寸与芯片尺寸如何匹配，器件高温封装及回流时基体翘曲最小。
2、判定无铅焊接工艺中，器件封装体湿度等级与翘曲对SMT组装的影响程度，重新确定IPC J-STD 020C中与焊接温度相匹配的MSL，消除SMT组装中湿度、峰值温度与焊接缺陷的不匹配性。
& w% M( ~' _, C. y  Z" d本研究选用了九种不同封装尺寸/MSL的PBGA（见表1），封装尺寸23×23mm～37.5×37.5 mm，球间距1.0mm，芯片尺寸5×5～11×11 mm，器件封装基体为四层金属层，BT厚度为0.56～0.61 mm。PBGA封装图如图3所示。
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试验工艺流程（如图4所示）：
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- @7 B' H: K8 A$ Q; w$ p( F1、对器件进行预处理。首先在 125℃温度下烘烤72小时（除湿），然后在 30℃/60%环境下放置 192小时(执行IPC/JEDEC J-STD-020C MSL-3)。
2、将器件贴装到2.26mm厚、高Tg、FR4材料，焊盘直径0.5mm的裸焊盘的八层线路板上。
4 J4 L. x+ X7 w$ `# XPCB类型为浸金和浸银两种，焊膏使用的是TYPE 3分别为锡铅和无铅两种免洗焊膏；模板开口为0.432mm，正方形和φ0.076mm圆形。回流炉为强制热风炉，用热电偶测温仪监控器件表面温度，回流峰值温度设定在240～260℃。
使用X 光检查焊球是否短路， 用C-SAM 观察内部是否分层。断裂测试中通过对热屏蔽模量的分析，统计PBGA器件在回流过程中的翘曲变化。屏蔽模量的测试属于非接触式测试，可测出焊点表面因温度变化而改变的具体情况，3-D模量测试结果如图5所示。
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0 [/ Q6 T4 X4 q0 h3 q2 {& j最大，最小的翘曲变化在图中明显不同，（+）号表示凸起（封装体四周下榻），（—）号表示凹陷（封装体四周上扬）。热屏蔽模量测试是专项测试，即：只将PBGA组装到PCB上，而不是整板组装的测试。
试验分两部分： 1 、组装烘干后的P BGA 器件；2 、组装烘干后并按MSL级别处理过的器件。测试中使用的PBGA器件焊球与封装体相连处的焊点并未做过测试，可能有焊接缺陷存在。
测试结果与结论：
试验1：评估传统的MS L标准：样件A和B样件A按照J-STD-020C 中MS L标准，进行MS L – 3处理，然后采用无铅焊料及无铅焊接工艺贴装到PCB的指定位置，回流峰值温度设定为260℃。
0 V1 {  [7 E  @; N7 A" q" `  w样件B中所用芯片是硅基的，尺寸与样件A的不同。按照J-STD-020C 中MSL标准，对PBGA进行MSL-3湿度处理，然后所有材料均采用无铅焊料及无铅焊接工艺贴装到PCB板上不同于样件A的位置，回流峰值温度设定为240℃和250℃。
测试结果见表3：C-SAM及X-RAY分析样件A的结果，如图6所示，按照JSTD-020C标准，在MSL-3/260℃条件下，通过C-SAM测试，但在X-RAY测试中焊点短路现象非常严重。

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样件B中所用PBGA，按照J-STD-020C 中MSL标准，进行MSL-3湿度处理，然后采用无铅焊料及无铅焊接工艺贴装到PCB的指定位置，回流峰值温度设定为250℃，能通过C-SAM测试，但在X光测试中，焊点短路现象仍然存在；如果对PBGA器件进行烘干处理后马上进行组装，在回流峰值温度设定在240℃时，即可通过C-SAM超声测试，也能通过X-RAY短路测试。
该试验结果与图2的说明比较，得知器件温度翘曲模量的变化与MSL及回流峰值温度相关，通常湿度越大，回流峰值温度越高，器件温度翘曲模量越大。
结论：元器件湿度越大→器件温度翘曲变化严重→板极焊接缺陷增加，因此，J-STD-020 MSL分类标准中，应加入回流峰值与之匹配的MSL对板极组装产生的影响，让SMT厂家成功实现PBGA的无铅焊接。
, i& N0 S& f/ ]" Y5 O7 A0 m7 c试验2 ：芯片尺寸的影响：
表1中的样件C—F是用于研究硅芯片尺寸在无铅焊接过程中的性能表现，在样件C-F的试验中，封装体尺寸均为37.5×37.5mm，芯片尺寸为5×5～11×11mm，其中C无芯片，温度翘曲模量测试是在MSL-3及干燥条件下进行的，回流温度在25～260℃进行，温度翘曲模量测试结果如表4所示，组装结果如表5所示。

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9 ~$ ~  Z# x9 X5 {: e图7是四种不同芯片的PBGA在不同温度下翘曲模量，图8是不同芯片的PBGA在相同温度下的翘曲模量。图9中，元器件尺寸为37.5×37.5mm，芯片尺寸为8×8mm（E），增大湿度，升高回流峰值温度，其结果是湿度翘曲模量增大，焊接缺陷增多，焊接回流温度是在Sn-Pb 220℃，无铅 260℃条件下进行，焊接结果用3X放大镜目检。
样件C-F PBGA试验结果证明：
- X, c3 e6 n' Z& V& h同样封装尺寸的PBGA，随着芯片尺寸的变化，在无铅焊接过程中， 产生截然不同的结果，X光分析，芯片为1 1×1 1mm的PBGA在峰值温度为260℃的无铅工艺条件下，焊接结果最为理想。样件C-F试验中，其它芯片尺寸均以PBGA焊球短路而告焊接失败（包括无芯片PBGA），而C-SAM测试则显示按J-STD-020CMSL标准，在干燥/ 260℃条件下，样件C-F均能通过CSAM测试。
4 b3 @2 K/ [  P3 u2 |; S0 q上述试验结论为以后修正湿度/温度， 翘曲度与成功无铅焊接， 以及MSL分类标准提供了强大的实际应用支持。
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: j1 s  y; X/ s4 Y  t9 I2 }1 ]试验3 ：封装体尺寸的影响：
6 X, {1 C& o3 E9 M& \表1中，H . I则是对不同封装尺寸的PBGA执行无铅焊接时的试验。试验中，芯片尺寸均为5×5mm，封装体尺寸为23×23～37.5×37.5mm，翘曲模量是按MSL-3和干燥两种条件下，从25～260℃温度范围内进行的，温度翘曲模量测试结果如表6所示，组装结果如表7所示。
2 {% i7 m: [* e图10翘曲模量显示，随着PBGA封装尺寸的增大， 器件翘曲度的变化量也随之增大，封装尺寸为35mm的P B G A 其翘曲度的变化量是尺寸为27mmPBGA翘曲度变化量的2倍。

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. H7 R+ E! n0 n湿度与回流峰值温度对翘曲度的影响可参考试验2的结论，封装尺寸与翘曲量的试验结果见图11，分别是Sn-Pb220℃，无铅260℃条件下进行SMT组装。
5 G% w% T, ]. h# E0 I& `& |组装结果表明： 35mm ，37.5mm两种封装尺寸的PBGA（样件I、D）无铅工艺(见表7)，当封装尺寸小于等于27mm时SMT组装过程中，未出现短路现象，C-SAM分析小于等于27mm的PBGA封装，（MSL-3，干燥）/260℃环境下，均符合J-STD-020C标准，样件G、H，满足J-STD-020C，C-SAM标准，小封装PBGA适合无铅焊接工艺。
! \* |2 p0 A5 W& r0 N$ k样件I、D，则要修正J-STD-020CC-SAM标准，才能满足大封装PBGA的无铅焊接的工艺要求（上述试验中，BGA球间距为1.0mm。毫无疑问，球间距的大小会对焊接结果有直接影响，翘曲对小焊球间距影响更大，从而对焊接结果影响也更大）。
# h  L" w5 i; k& R1 q翘曲模量与板组装之间的关系：
5 P$ v2 Y' K* ^* Z3 {通过对球间距1.0mm，封装体尺寸37.5×37.5mm的不同材料的PBGA，在不同的MSL/回流峰值温度情况下的试验，总结出翘曲模量的极限数据是8mils，翘曲度大于8mils，PBGA器件四周焊球短路，当翘曲度小于8mils，不会出现短路现象。
! s8 m8 d. Q& L1 F试验结果表明，封装体的翘曲度直接影响PBGA在PCB上组装时，PBGA四周焊球短路的发生率，尤其对于1.0mm间距的PBGA，因此组装前通过热屏蔽模量的测试数据评估PBGA在无铅SMT组装中的匹配性是非常重要的。

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+ h5 A, t" ?& z4 n% M( z结论:
6 I8 i0 K! I& w' C在高湿度和高无铅焊接回流温度情况下，使PBGA封装体翘曲度增大，导致BGA焊球短路，产生焊接缺陷。此外，PBGA封装体的翘曲与封装体和硅芯片的尺寸相关，减小封装体尺寸，增大硅芯片尺寸，可以减小PBGA封装体的翘曲度。
大的PBGA封装体（大于35mm，1.0mm球间距）可以通过传统的湿度/回流峰值级别分类测试。当封装体翘曲度较大，会引起PBGA四周焊球短路，从而导致组装失败，而封装体尺寸小于27mm的1.0mm间距的PBGA，因封装翘曲较小，可以顺利通过组装而不会出现焊球短路现象。
我们的试验显示， 传统的I PC /JEDEC湿度/回流峰值温度分类标准，包括PBGA封装体翘曲参数，应该得到修正，以保证PBGA无铅SMT的可组装性。

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