光通信PCBA双面组装BGA类器件工艺研究

汤大伦— 烽火通信系统设备制造部工艺技术经理

[2010.3.1]

随着通信产品的通信频率越来越高，通信PCBA的组装密度也日益增加，通信PCBA 设计提出了3D 组装和双面组装BGA 类器件的需求，对电装工艺的发展也提出了新的要求。

双面电装BGA类器件的提出

由于通信PCBA STM64光接口盘子板需要，在PCBA两面采用了BGA器件和BGA插座（见图1）设计，因而提出了双面电装超重BGA类器件的新工艺课题。

双面电装BGA基本指导思想

1、在双面组装时TOP面（top side）元器件第一次回流后，需要将电路板翻转进行另一面的回流焊接。在第二次回流时，原己焊接TOP面元器件可能被表面张力所固定，为了防止元器件在重力作用下的掉落，需要从元器件重量和焊盘总面积的角度来判断元器件在BOT面（bottomside）回流时是否会掉落；

2、此PCBA由二次BGA插座转接，在TOP面有2个BGA器件和2个BGA插座，在BOT面有1个BGA插座，对于双面BGA封装器件和插座在SMT电装上有难度，对于超重的XS1-BGA插座（25g）（Tyco1-1761616-5）器件在SMT电装是第一次。如何在二次回流焊接中使下面的BGA器件，在重力的作用下不掉件，并保持良好的焊点外形，是电装工艺的课题；

3、经分析和理论计算后，决定采用同类型Sn63 /Pb37的有铅焊膏进行二次回流焊接，先焊接TOP面，然后对于TOP面的BGA器件进行热隔离保护，在翻转PCBA后焊接BOT面上的超重BGA插座。

工艺流程设计

1、先在SMT5线电装PCBA的TOP面，贴装2个BGA器件（IC1、IC2）和2个BGA插座（TRX3、TRX4）；2、使用X-Ray设备检查TOP面BGA的焊点质量；3、然后贴装大BGA插座（XS1），器件质量25g，焊球数666；4、在TOP面安装BGA隔热罩，使在焊接BOT面时降低TOP已焊接BGA器件的焊点温度，增加焊料附着力，使BGA器件不掉落；5、调节、选择合适的回流焊接曲线，对于BOT面进行焊接；6、用X-Ray设备检查BOT和TOP面的BGA焊点质量。 二次回流焊接中BGA器件掉落理论简析

第一次焊接时，IC1 ( PM5326 )器件的轨道支撑力F1 ＞ ＞ BGA 重力F ， 熔化的焊球在表面张力托起IC1(PM5326)，器件不能掉落(见图2)。

第二次焊接时，IC1（PM5326）器件的重力作用与第一次焊接时正相反（见图3）。

第二次焊接时器件的重力与轨道支撑力F1方向相反，轨道支撑力对于BGA器件没有支撑作用。

要使BGA器件不掉落，必须使BGA重力小于焊料附着力F2。 设定：σ是熔融的焊球抗拉强度C g是元器件重量Σp是总焊盘面积 Σp=ΣA、B……

计算公式：Cg≤ΣF2、ΣF2=σ.Σp，即Cg≤σΣp，σ=Cg/Σp。

σ与熔融焊料的内聚力或表面张力成正比，它取决于熔融焊料在某一温度条件下的材料特性，σ=Cg/Σp是评估是否掉件的关键指标。

保证有铅焊料的BGA二次回流不掉落的经典判断标准为：σ=Cg／Σp≤30（g/in2）。 二次回流焊接BGA器件工艺因素鱼骨分析（见图4） 双面回流焊接BGA的工艺计算（按鱼骨图因素计算）

焊膏供应商推荐的回流焊接曲线（见图5）。

焊盘面积和比率（Cg／Σp）计算： 1、IC1器件（BGA器件）

焊盘总面积：(0.45÷2)2×3.1415926×1292=205mm2×0.00155=0.3185in2 器件重量：14g、 比率：14g÷0.3185in2=43 g/in2 2、IC2器件（BGA器件）

焊盘总面积：(0.45÷2)2×3.1415926×456=73mm2×0.00155=0.1124in2 器件重量：2.25g、 比率：2.25g÷0.1124in2=20 g/in2 3、TRX4器件（BGA插座）

焊盘总面积：(0.58÷2)2×3.1415926×300=79.26mm2×0.00155=0.1229in2 器件重量：3.5g、比率：3.5g÷0.1229in2=28.48 g/in2 4、XS1器件（BGA插座）

焊盘总面积：(0.57÷2)2×3.1415926×666=170mm2×0.00155=0.2635in2

器件重量：25g、 比率：25g÷0.2635in2=94.88g/in2经对PCB焊盘、模板开口、器件重量等实际测量统计，形成表4。 掉件原因分析

1 、有铅焊料二次回流有一个经典的判断标准：Cg／Σp≤30（g/in2）；其中Cg是元器件重量，ΣA是总焊盘面积；

2 、根据经典的判断标准： C g ／ Σp≤ 3 0 ， I C 1（T面）和XS1（B面）在二次回流焊接中，将有一种器件在重力的作用下掉件，同时TRX4（T面）的BGA插座也比较接近经典的判断标准，存在电装工艺风险；

3、XS1器件（BGA插座）焊膏计算，按器件设计公司要求在焊盘上的焊膏量是0.044mm3，设计模板δ=0.15mm，开孔直径0.67mm，焊膏释放比率要≥83%

4、模板的厚度是0.15mm,开孔直径均比PCB焊盘直径大0.10mm，有利于焊膏量增加，使熔融焊料在断裂前能承受的最大张力强度增加。

PCBA双面BGA电装

STM64光接口盘子板，尺寸250×190mm、16层FR4板。

1、PCBA的正面TOP（2个BGA芯片、2个BGA插座FCI公司）电装； • 丝印工艺参数见表5；

• 回流焊接工艺参数

设备：H ELLER1800EXL

温度设定：160—175—165—165—180—230—265—265℃（上下一致）、冷却：65%焊 接速度：70 cm/mi ，有铅BGA器件、183℃、 TAL为83s

最高BGA焊接温度：IC1为221℃、IC2为232℃。由于非实板测试实际的温度预计低5℃，同时兼顾PCBA上无铅的元器件，因此焊接曲线比较合适（见图6）。 • PCBA（TOP面）焊点检查A

、IC1（PM5326）器件用X-Ray检查，没有发生桥接缺陷（见图7）。

在放大40倍、倾斜55度、焊球变形较好，红色中心线上部的焊球变形并相连，焊球内部没有空洞（见图8）。

B、IC2（XC3S1000）器件用X-Ray检查，焊球没有桥连发生，焊球有少量空洞、变形没有大BGA（PM5326）的大（见图9）。

2、反面BOT（BGA插座××公司-1-1761616-5）等其他贴装元器件电装； • 丝印工艺丝印参数和焊膏体积见表6。

按××公司建议，BGA插座各个焊盘上的焊膏量为：0.044mm3、焊膏释放比率要≥83%。实际BGA插座各个焊盘上的焊膏量为：0.041mm3、焊膏释放比率要≥78%，比要求少5%。

• 贴片工艺

A、BGA插座基本参数：1-1761616-5为一种新型BGA插座，长55mm,宽25.4mm，高16.5mm，元件重量25克，焊球数666个，底部本体颜色为白色，其外形如图10所示。

B、贴装面临的主要问题：超重，元件重量为25克，这几乎达到了现有贴片机所能处理元件重量的极限；超高，元件高度为16.5mm，超过了现有贴片机处理高度。

C、贴装试验过程：试贴四块PCBA，选择 GSM1 贴片机，主要考虑到该型机处理异型元件能力非常突出。具体参数设置：将元件高度设定为12.7mm，贴装BGA插座压力为150g；使用最大吸嘴360F进行吸取，并将吸取速度设置为慢速；由于器件数量少包装不合适，单独将元件放置在托盘供料器上；由于颜色接近，只能识别出其中80%-90%的焊球，将球检测功能关闭。做上述调整后，GSM1成功进行了贴装。

• 回流焊接工艺

A、制作隔热罩：焊接前将TOP面的2个BGA器件，采用环氧板做的隔热罩（见图11）进行热隔离，并用热胶带固定，其中第2号PCBA没有用隔热罩。

热隔离效果试验表明，不加隔热罩，BGA器件上温度是239℃；加上隔热罩后，BGA器件上温度是203.8℃,相差高达35.2℃，隔热罩的效果明显（见图12）。

B、调整回流焊接曲线： 采用BTU回流炉，第7次的温度曲线认可（见图13）。温度：上部 150-175-160-160-200-245-245℃

下部 150-175-160-160-200-260-260℃

出风：1.0-1.0-0.8-0.8速度：55mm/min，冷却：43℃

C、××公司XS1（B面）BGA插座（1-1761616-5）推荐焊接工艺参数符合度： 1、有铅BGA插座1-1761616-5到145℃的润湿时间是190s，基本符合要求； 2、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度183℃以上时间是67.4s，符合要求； 3 、有铅B G A 插座1 -1761616-5的焊接温度是192.4℃,相差17.6℃，不符合要求；

说明：对于B G A插座1 -1761616-5的焊接温度是192.4℃,183℃，ALT是67.4s，由于BGA插座内有大量的金属，热容量很大，但考虑到PCBA上的Chip元件的温度已高达235.7℃,对于有铅

焊接温度已很高了，温度不能进一步提高，所以对于BGA插座底部焊球上只有192.4℃是偏低的，不过BGA插座在183℃ALT是比较长的，所以当时认可了这样的焊接曲线，经焊后的焊球的X光检查，焊点变形达到要求，经研发人员的PCBA功能测试，10块PCBA电装质量符合要求，全部一次通过。

4、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度总时间(限下降到183℃) 为320s，符合要求； 5、有铅B G A插座1-1761616-5的焊接没有采用N2气；

6、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接上升温度是1.0℃/s，下降温度是0.7℃/s，符合要求，使BGA插座不发生形变或开裂。

D、进一步完善：对于BGA插座1-1761616-5的焊接，若速度再降低5—10mm/min的话，可能对于大容量的BGA插座的焊球效果更好。

BGA器件的焊球的焊接温度是BGA底部的PCB板的固体传导热，因此将焊接区的下部温度高于上部温度15℃，有利于大容量BGA插座1-1761616-5的焊球焊接，同时使TOP面的BGA的焊球上的温度相对低于202.6℃。

• PCBA双面BGA焊点检查

A、BOT面有铅BGA插座1-1761616-5焊点X-Ray检查并没有发生桥接，见图14。

B、经过二次回流焊接后IC1（PM5326）器件的检查

IC1（PM5326）器件第一次焊接焊球变形，见图16。IC1（PM5326）器件第二次加罩焊接焊球变形，见图17。

IC1（PM5326）器件第二次不加罩焊接焊球变形，见图18。

从上面3张IC1（PM5326）BGA器件变形图看，在X-Ray设备检查，参数放大40倍、倾斜55度的相同条件下观察，焊球的变形基本相似，没有大的区别，焊球的变形较好。在IC1（PM5326）器件第二次不加罩焊接后，发现IC1器件BGA的小PCB四角变形（上翘）较大，但X-Ray检查未发现焊球不良。

二次焊接对于IC1焊球温度的影响：

IC1（PM5326）第二次加罩焊接焊球最高温度：202.6℃，ALT：69.3s； IC1（PM5326）第二次不加罩焊接焊球最高温度：225.9℃，ALT：111.2s。

这说明，加罩和不加罩，在IC1所受的最高温度有23.3℃差别，但并没有影响焊点变形和空洞，也就是说在二次焊接中温度在相差20℃左右，对于焊接质量的影响不大。

C、IC1（PM5326）BGA器件不加罩焊接的分析

在焊接PCBA BOT面有铅BGA插座1-1761616-5时，IC1（PM5326）BGA器件在PCB的底面，为了防止IC1的掉落，在焊接时加上采用环氧板做的隔热罩进行热隔离，理由是按经典的Cg/Σp比率是≤30才能使器件不掉落，而IC1的Cg/Σp比率是43，按要求应加隔热罩。目的有二，首先，使加在IC1的焊球上的温度降低，使熔融焊料的内聚力或表面张力增加，也使σ（焊料的抗拉强度）增加，造成IC1不掉落；其次，假如σ强度不够，IC1仍要掉落，可以掉落在隔热罩内，不会造成IC1掉在炉膛内而损坏。有3块PCBA是采用此方法焊接，没有问题。

考虑到做隔热罩并不适合大量的生产，而且在上罩时对于BOT面元器件的贴装位置的影响，所以大胆采用不加罩直接双面BGA器件的焊接的工艺试验，采用5块PCBA(2号) 进行工艺试验。 此2号PCBA工艺条件除对于IC1、IC2不加隔热罩外，其他条件与前5块PCBA完全相同。焊球最高温度：225.9℃，ALT：111.2s，元器件有足够的时间掉落。令我们满意的是，经焊接在底面的IC1、IC2的BGA器件并没有掉落，其中IC1的Cg/Σp比率是43，IC2的Cg/Σp比率是20。 D、对经典Cg／Σp比率的挑战

C 1 的C g / Σp比率4 3 ， 比经典的C g / Σp比率是≤30高出43.33%，事实说明经典的Cg/Σp比率比较保守，由于σ（焊料的抗拉强度）与焊料的所受的温度和焊接的工艺条件相关，因此对于合理的Cg/ΣA比率到底是多少将进一步进行工艺研究，不过从目前工艺试验看Cg/Σp比率≤40是可行的。假使Cg/Σp扩大到43，这将对双面BGA焊接的范围扩大了43.33%，使BGA器件的尺寸和I/O端子数可以增加到更大。

总结

经功能测试，PCBA双面回流焊接的BGA类器件电路全部打通，电装是成功的。

在工艺试验中，我们列出双面回流焊接BGA类器件的相关鱼骨图，根据鱼骨图分析了元器件、PCB、焊膏、丝印工艺、焊接工艺等方面因素对电装的影响，设计了工艺参数。

由于BGA插座尺寸比较大并且超重，因此在贴装上进行了多次的试验，并对已焊接BGA器件采用隔热罩焊接和无隔热罩的焊接，同时在回流焊接设备上对于BGA插座进行了6次试验，找出一条比较合理的焊接曲线。电装后对于BGA焊球进行了仔细的检查，焊球没有桥连发生，变形良好，空洞较少。

对于双面BGA焊接的典型参数σ=Cg/Σp进行了理论分析，同时针对要电装的BGA器件重量和焊盘的润湿总面积作了焊料抗拉强度的范围计算，冲破了经典的C g/Σp比率是≤30数据。