先进封装形式μBGA、CSP的回流焊接技术

发布时间：2011年07月14日点击量：

一 μBGA、CSP 的主要特征

1.1 μBGA、CSP 的定义
　　CSP(Chip Scale Package)的概念是在1994年11月由EIAJ主办的“94SMT论坛”上首先发表的，而美国在1992年就开始用MicroBGA（亦称μBGA）来替代超小型封装形式。也有的文献将CSP认作是Chip Size Package.
　　不论是称作Chip Scale Package还是Chip Size Package，都是强调了与裸芯片不同但是几乎达到了芯片尺寸同等级限的超小型封装。通常我们认为，在芯片引脚间隙（Pitch）大于1.27mm时，称为BGA（Ball Grid Array）;当芯片引脚间隙小于1.0mm时，称为CSP或μBGA。
　　当前0.8mm间隙的CSP在国外已经开始批量化生产，美国在许多种类的IC封装上使用0.75mm间隙的CSP，0.5mm 间隙的CSP也已开始正式使用。

1.2 μBGA、CSP的封装形式
　　μBGA、CSP的封装常称作芯片尺寸封装或芯片等级封装。与常规封装类器件相同，具备基本的封装功能和特性。封装功能大致可分为对艺片的保护功能、缓和应力功能、尺寸匹配功能、通用化功能四种。CSP采用的载带或载体所形成的结构形式是比较自由的，分为扇入型、扇出型，也就是可将球形端设置在芯片内侧，也可设置在芯片外侧。如果用1.0mm或1.5mm间距的扇入型，就称作CSP，这是把CSP称为Fine Pitch BGA的原因。图1是NEC的Fine Pitch BGA外形。

二 μBGA、CSP回流焊接工艺实验

2.1回流焊接工艺实验设计
2.1.1实验设备介绍：ERSA HOTFLOW11回流炉
　　(1)ERSA HOTFLOW11回流炉的基本构造
　　我们所使用的ERSA HOTFLOW11 回流炉结构如图示。由包含冷却温区在内的个温区组成，第1温区和第4温区配置了面状远红外加热器，从第1温区到第4温区各配置了热风加热器，第1温区的温度上升范围由室温到150℃，第4温区为焊接温度，第2第3温区的加热主要是为均匀、缓慢加热，在充分预热的良好状态下而进入焊接温区。
2.1.2实验内容及方法：
　　实验分两部分进行。第一步先按焊膏供应商的要求设定良好的回流焊接温度曲线；第二步在固定的温度曲线下，实验传送带速度及强制热风流量对CSP焊接效果的影响。
　　(1)温度设定方法：回流炉的温度设定方法，这里以ERSA HOTFLOW11 的设定次序作一介绍。
　　(a)传送速度的设定：传送速度体现的是生产效率，要同前后设备的生产节拍相符合，同时要考虑到焊膏特性等因素。
　　˙由生产节拍决定速度的方法，见下式:
　　V=L*2/T
　　V--传送速度(m/s)
　　l--(m)
　　t--(s/块)
　　投入基板间隔如果按一块基板长度不设空档，因温度曲线的影响可将常数定为2。例长度假330毫米的基板，在生产节拍为40秒的场合，速度则为：
　　V=0.33m×2/40s=0.0165m/s(0.99m/min)
　　˙由均热时间的决定方法
　　一般在回流炉的第2、第3温区作为均热部，如将均热部的长度设定为x,均热时间Te的传送速度可见下式：
　　V=x/Te
　　例：均热部长度为1.2米，均热时间希望在100秒场合；
　　V=1.2m/100s=0.012m/s(0.72m/min)
　　(b)温度流程（曲线）的决定
　　一般Tn=Ti=150℃,Tj=210℃左右
　　˙热风加热温度的设定标准
　　第一温区热风热器温度设定的目标Te（基板温度）＋40~60℃.第二、第三温区为均热部分，热风的温度设定为Ti＋（10~20℃为热损耗部分）。第四温区热风加热器温度设定的目标温度为Tj＋10~30℃（也就是热容量最大的接合部温度）。
　　第一次温度的设定见表1。（Tn=150℃,Ti-150℃,Tj=210℃场合）

表1 红外线加热器温度设定标准单位（℃）

基板厚\传送速度	0.6m/min	0.8	1.0	1.2
0.6mm	199/257	224/269	249/282	274/294
0.8mm	217/267	242/281	267/295	292/310
1.0mm	235/276	260/293	285/309	310/326
1.2mm	253/286	278/304	303/323	328/342
1.6mm	289/305	314/327	339/350	364/373

　　注：第一温区上下面加热器/第四温底区上加热器温度
　　˙温度加热曲线的测定：按前面所述的次序决定生产条件，测定实际的温度曲线。
　　测定点不可少于以下表示的三个测定点：
　　（1）基板温度（热容量最小的元件的接合部温度）。
　　（2）热容量最大的接合部
　　（3）对热应力最弱的，且温度容易上升的元件封装部
　　˙温度修正：作为测定数据和目标值误差的修正，其修正量标准为（目标温度一测定温度）*2到3倍，并给予第一、第四温区上下面加热器设定温度的相加，然后进行第2次的温度曲线测定。第二次温度设定，如果测得温度与目标值有很大差异时，可按线性修正来求得设定温度。
　　（4）传送带速度及强制热风流量的变化对CSP焊接效果的影响：
通过长时间的生产过程中总结出的经验，我们认为当所使用的焊膏瑾决定之后，热风加热器（回流炉）的温度设不定期值也就基本确定下来了。这些参数并不建议轻易修改，因为它们还影响着所有封装类型的元器件的焊接质量。所以，若想改进CSP的焊接效果，能够进行调整的参数就主要集中在传送带速度和强制热风流量上。实验证明，通过适当调整这些参数，是能够达到CSP的焊接要求，同时又不至于影响到其他封装类型的元器件的焊接质量的。

2.2实验过程
　　（1）实验用焊膏：
　　Multicore MB0046,主要参数为Sn63Cr32AgS89.5
　　(2)回流炉温度：
　　实验中使用的ERSA HOTFLOW11 回流炉各温区的温度设定如下：
第一升温区160℃，预热区175℃，第二升温区175℃，焊接区230℃，冷却区开启，实验中这些参数不再进行调整。
　　（3）实验对象：
　　为了保证实验条件的一致性，全部采用12层的多层板，板厚1.7mm。板上搭载255脚0.8mm间隙的CSP两块，356脚1.2mm间隙的BGA两块；为了验证参数的调整对其他类型的元器件的影响，每件实验样品上还搭载了240脚0.65mm间隙的QFP两片及部分型号的CHIP元件
　　（4）实验结果检测：
　　实验结果对裸露焊点采用10倍显微镜及目视检查；对隐藏焊点使用Nicolet公开的NXR-1400型X光检测仪进行检测。

实验结果的统计见下表

单位：速度mm/min，风量%

速度	风量	CSP	BGA	QFP	CHIP
85	80	焊膏未熔融	中心部位虚焊	焊膏未熔融	焊膏未熔融
90	80	焊膏未溶融	中心部位虚焊	焊膏未熔融	焊膏未熔融
95	80	焊膏未熔融	中心部位虚焊	焊膏未熔融	焊膏未熔融
85	95	桥联，位置漂移	桥联	无件引脚吸料	位置漂移
90	95	桥联，位置漂移	桥联	无件引脚吸料	无件引脚吸料
95	95	桥联，位置漂移	桥联	无件引脚吸料	无件引脚吸料

　　通过以上实验，我们发现原来认定的传送带速度及强制热风流量的改变会对焊接效果产生很大影响的观点是错误的。实际上传送带速度在一定范围内的变化并不会对焊接质量产生明显的影响，而强制热风流量的变化才是影响焊接效果的主要因互。因此，在以下的实验中将传送带速度固定在90mm/min，将重点集中在热风流量的调整个。

风量	CSP	BGA	QFP	CHIP
85	良好	中心部位虚焊	良好	良好
90	有焊料球产生	良好	良好	位置漂移
87	良好	良好	良好	良好

　　2.3回流焊接实验结果分析
　　2.3.1回流焊接技术：
　　这里介绍的SMT中的回流焊接，主要是指表面贴装最后的一道工序上的微焊技术（MicroSoldering）,也就是通过事前设定的回流焊工艺、回流焊炉工作条件等，完成SMT PCB的组装接合。由于受到前面几道组装工序质量的影响，真正要说明回流焊中的技术质量问题，是难以区分的，本节主要是针对回流焊接的加热机理和回流焊炉的实际应用，对回流焊接机理和不同的加热方式作大致的介绍。
　　在所有加热方式中，VPS（气相焊）方式以均匀的加热温度分布，且根据基板热容量的大小不必改变设定条件，可以说是一种最最加热方式。但是在现实中对应地坏、球的环境问题，使用氟系溶剂并不是回流焊选择的方向。因此，尽管热风及红处线加热方式，对于其实用条件来说热传递系数小，无论如何也没有饱和状的加热能力，但还是可以将热风和红外线组合加热焊接方式看作为最佳化的加热方式。
　　在红外线热风组合加热场合，可看作为用一个温区形式来执行，如果仅仅针对热风也可用同样方式来理解，但在炉温结构设计上，按组装等级和焊接精度有必要啬温区数量。这种形式对于组合加热方式的焊接是比较理想的。

对于热风加热和红外线加热间存在的区别,下面用数值方式作简要说明。

　　（1）热风加热的导热率
　　作为热风加热的导热率，可以先估计作为热媒的流体温度、粘性、风速成与流道的代表性尺寸。若流动形式为湍流场合，其导热率可能要比红外线加热要大。如果将表示湍流条件的雷诺数看作为Re,
　　则Re=ud/Y 　　　　　　(1)
　　这里u——流速成，d——流道代表长度，Y——动粘度系数
　　Re＞5×105 　　　　　(2)
　　如果按第（1）式将基板尺寸0.3mm,200Y空气的动粘度系数3.6×10(m/S)代入的话，则风速为60m/s.
　　如将平板上强制对流热传递基本方程式，其平均导热率看作为αm[W/mk]
　　则αm=Num×K/1　　　　（3）
　　Num=0.66PrRe　　　　　　（4）
　　Re=U　　　　　　　　　　（5）
　　这里：Num--平均努塞尔数（将流体的热传递特性看作无因次化数）
　　k——流体导热率[W/m˙d](200℃空气时为3.83)
　　l——基板长度(m)
　　Pr——流体普兰特准数（因物性值同层流境界层厚度有关，200℃空气时为0.71）
　　从上面的各式中知道，可将200℃空气时的物性值，基板长度0.3m,风速3m/s分别代入，计算出的αm大致为9.3w/mk。
　　（2）红外线加热的导热率
　　由红外线放射的导热率，将依存加热器的温度发生急剧变化。如对对流场合来加以比较，可分别用200℃、400℃档来进行计算。红外线热传递的基本形式可用单位面积来考虑。

（3）热风加热和红外线加热的不同
利用上面（3）式和（9）式，将数据代入后计算的结果由表2表示。这时基板（被加热体）温度在近室温的300k,形态系数假定为0.8.

表2 导热率的比较单位（w/mk）

导热形态	热源温度200℃	热源温度400℃
对流	9.3	11.7
放射	14.2	32.9

　　从表面化上可知，热风加热并不怎么依存热源温度的导热率，而红外线加热会依照热源温度发生较大变化，热风加热的导热率依存于风速，但风速成过高时，会产生元件的飞散等障害，一般都控制在3m/s以下，假定表中的数值是按风速3m/s设定的，作为回流焊炉的制造商，在开发设计中已经为取得高效率的导热送风作了大量的研究，在各个制造商社可能还存在比表中所反映的更好的技术数据。另外，在进入实际焊接阶段，被加热的基板并不是平滑的板状物，而是装载了许多不规则的突起物，因此在理论计算中使用的数值应该比现实中的数值要偏高。这时来比较热风加热和红外线加热的话，以现实条件为基础，红外线加热具有明显的优势，是具高导热率的加热方式。加热形式设计时，常以主加热器作为红外线加热使用，为缩小红外线加热产生的温差，作为辅助加热手段，啬加热的饱和程度，都利用热风加热的组合加热方式来配置回流焊装置。