刘英，侯星珍，符云峰
（中国电子科技集团公司 第二十九研究所）
摘要：
一种SBGA封装的高速多引脚互联器件被应用在多个重要产品上，但在检验过程中发现其故障率明显高于同类封装器件，严重影响生产计划和产品质量。经过产品装配全过程分析后，确认主要原因为回流焊接参数不合理，氮气环境的不良影响，焊膏量不满足要求和焊端物理损伤。介绍了针对解决相应原因开展的工艺改进工作，并通过检验手段和数据统计确认了工艺优化的有效性。
随着电子设备向小型化和多功能化集成发展，高密度印制板组件和板板互联结构应运而生润湿角，多引脚板间连接器可实现高速信号传递，广泛应用于板卡对接的设备中，大量应用在机载领域、地面领域和舰载领域。
本文中的高速多引脚互联器件虽被厂家定义为超级球栅阵列（SBGA）封装，但其结构与传统的球栅阵列（BGA）封装存在一定区别。传统的BGA封装为了强调I/O仍然是“ball”，而本文中的SBGA的I/O的形态为非“ball”的锡铅焊片，两者结构对比如图1所示。
基于厂家的定义，初期对该器件选用了与传统BGA封装器件相同的组装工艺参数，在检验环节中发现其故障率明显偏高，严重影响了产品质量。因此，针对在SBGA装配过程中出现的焊点缺陷进行原因分析，提出改进措施整改后，装配情况良好。
1 问题描述
SBGA板间连接器在大量使用时表现出装配一次合格率差的特征，抽查2015年2月到2018年4月含SBGA器件的印制板组件数量及故障件数后，发现数千件的生产产品的合格率只有86%，低于传统BGA组装合格率95.6%的平均水平。
SBGA器件焊接缺陷主要有焊点开路、短路、爬锡不足、多余物、三防漆污染和调试损伤等，其典型缺陷如图2所示。进一步分析发现焊点开路和焊点短路占到了缺陷总数的77％，属于常见缺陷。通过评估并结合生产现场的调查，必须着力杜绝这两种缺陷的产生，提高SBGA器件装配的一次合格率。
2 原因分析
除了器件的焊片在焊前因受损会导致焊点开路或者焊锡偏少外，多数焊点开路和短路是因为焊料出现了芯吸现象而导致的，此现象的出现主要和焊料的润湿有关。归纳汇总影响各因素的末端元素，关联图如图3所示。
通过设备测试、文献查阅、现场调查和参数确认等手段，参照业界水平、国家标准和相关规范要求，对上述11个末端元素进行了依次排查，结合分析数据确认了导致焊点缺陷的主要原因为：
1）回流焊接参数不合理和氮气环境的不良影响；
2）网板设计不满足要求；
3）前期焊端存在物理损伤。
2.1 回流焊接参数不合理和氮气环境的不良影响
根据工艺细则要求，焊接SBGA器件时采用的RSS（Ramp-Soak-Spike，升温-保温-回流）焊接曲线，如图4所示。经比对，实际回流过程的升温速率、保温时间、回流时间和降温速率等关键参数均能满足要求，但其中表面张力（气液界面）和润湿力（固液界面）等因素对焊料是否会出现芯吸缺陷产生直接影响呢？
在不发生氧化的前提下，温度越高润湿越好，这与表面张力和界面反应有关。对于纯金属，表面张力基本与温度呈现线性关系的减小：
式中：γ m为表面张力，A 、B 为材料常数，T 为温度。对于合金材料温度越高表面张力越小，润湿性越好。
图5示意为SBGA焊接的传热模型，在焊接SBGA引脚与印制板焊盘之间有0.08 mm的距离，如果回流焊接的过程中印制板引脚的温度T 1与PCB焊盘的温度T 2有较大差异，将使得焊料在器材引脚端表面张力γ m1小于焊料在印制板焊盘端表面张力γ m2，导致焊料熔化后优先向引脚方向润湿，引起焊料向上爬升，造成焊料与焊盘脱开，形成芯吸断路。而回流曲线的设置没有对引脚和焊盘的温度差进行特殊调整。
同时，回流焊接过程中的保护气体N2也会影响焊盘金属和器件焊端的表面能和表面张力，进而影响焊料润湿。有研究表明在氮气环境下焊接润湿角的变化达到40%时，润湿可增长约3%~5%，润湿时间可降低15%，即氮气能够放大因焊盘/焊端温度差带来的芯吸现象。因此，需调整的温度曲线来焊接SBGA器件，消除芯吸现象带来的开路或短路等不良情况。
2.2 网板设计不满足要求
焊料量的多少对焊料的润湿爬升、焊点形态及机械性能有较大的影响，因此合理的网板开口设计有利于减少桥连、虚焊等缺陷。
SBGA自带焊料的尺寸布局如图6所示，自带焊料是附着在SBGA焊端一侧的相向位置。在装配对位时，发现自带焊料的中心与厂家推荐的印制板封装的中心并不重合，这样会对焊接质量和可靠性带来影响，需要依靠添加焊膏进行对位补偿，因此，应重新设计网板。
同时，因焊膏中助焊剂量不同，焊端氧化膜的去除能力会有差异，进而影响了熔融状态下焊料的表面张力，可能导致芯吸现象发生。
2.3 前期焊端物理损伤
焊点的最终焊锡量由自带焊料和预置焊膏两部分构成，任何一部分的缺失都可能导致开路问题。经检查发现在来料器件中，偶有存在如图7所示的个别引脚自带焊料缺失情况，此缺陷若在装配前未被有效识别出，则会导致装配故障的出现，进而带来返修工作，产生质量隐患。
3 工艺改进
通过上述分析得出的SBGA装焊过程中产生质量问题的三大原因及其影响原理，在后序生产的工艺上，制定了如更改焊接曲线，调整氮气控制量，优化网板开孔和宣贯规范及增加焊前检查工序等相应的优化措施。
3.1 优化工艺参数和调整氮气量
3.1.1 优化回流焊接工艺参数
基于之前的缺陷原因主要是由于引脚温度大于焊盘温度，需要优化上/下各温区温度，最终调整焊盘和引脚温度相当，优化焊料在焊盘上的润湿。
考虑到印制板上焊盘电路功能属性（电源、地、信号）所对应的电路铜的质量存在差异，铜的质量越大，升温越慢，因此选取电源或地属性的焊盘确定为测温点，另外设置一个典型测温点放置在引脚端，如图8所示。
经过多次反复优化测试润湿角，发现如果将回流焊接的3个下温区相对上温区升高5~10 ℃，就能够弥补之前存在的3~5 s的温度差，从而保证焊料熔化时能够在焊盘与引脚上同步润湿铺展。经过优化前后的温度曲线对比情况如图9所示，优化前后的焊点质量情况对比如图10所示。
3.1.2 调整回流焊时氮气环境
SBGA的引脚可焊端在引脚的中下段，即引脚上端由于材料特性及表面粗糙度等原因属于不可焊接状态。N2的加入加快了焊料的润湿行为，即焊料在引脚温度相对更高时，会优先“更快”地向上润湿，但是受制于引脚上段不润湿，因此焊料形态发生如图11所示的“长到胖”的变化，从而形成芯吸开路。
所以考虑极端情况，即关闭氮气，保持上下温区温度一致时，结果SBGA器件的焊点质量依然满足要求，如图12所示。
3.2 优化焊膏量设计
3.2.1 增大焊膏量设计
基于SBGA的引脚结构为不润湿端+可润湿端，结合板上结构导致焊料的“活动空间”被限制在焊盘与引脚可焊区的区域内，因此不断增加印制板印刷焊膏量，即使焊料熔化后会优先向上润湿，但会随着焊膏量增加而导致焊点尺寸不断增大，并最终与焊盘润湿形成有效连接，过程如图13所示。
通过手工烙铁在焊盘上预搪锡和增大网板厚度（开孔面积比为0.993）两个途径来模拟增大焊膏量的方式，同时考虑印刷焊膏存在约50%的体积收缩比，得出计算处理的焊点最终焊料体积散点图分布，如图14所示。
选择优化后的曲线装配的器件状态，其外观检验和X-ray检测均判定合格，如图15所示。
3.2.2 减小焊膏量设计
SBGA装配过程中焊料在熔融状态下的行为受其润湿力（指向焊端）和自身重力（指向焊盘）联合影响，当润湿力大于重力作用，焊料向上移动，此时若焊膏量不足就会出现芯吸开路。反而言之，若润湿力小于重力作用，则焊料向下移动，但受空间结构限制（下方印制板焊盘面积有限）不会出现焊料脱离引脚焊端形成开路。
减少焊膏量虽然一定程度上降低了焊料的重力，但因为助焊剂含量的减小导致润湿力也显著下降，研究表明焊膏量更小时重力作用更为明显。因此为减小焊膏量，网板开孔采用圆形，厚度减薄（面积比为1.35），得出计算处理的焊点最终焊料体积散点图分布，如图16所示。装配后的焊点检测良好，如图17所示。
3.3 焊端损伤防范工作
经对SBGA器件的来料状态进行抽查，首先确认了焊端损伤主要来源于物料周转。同时经多次试验，其自带焊料的缺失在肉眼确认下能有效识别，这得益于自带焊盘与焊端属于“嵌入式结构”，如图18所示，焊端损伤与否基本对应了自带焊料的有无。
基于上述分析，对于焊端损伤的防范工作主要集中在规范周转包装和焊前人工确认。首先对SBGA器件的来料包装要求根据周转防护的相关规范进行培训宣贯；然后优化工艺流程，增加该类型器件的来料检查工序，严禁不满足要求的器件流入生产环节，如图19所示。
3.4 优化结果统计
在上述措施落实后的连续4个月的生产跟踪中，统计得出装配含SBGA器件的共216件，其中存在芯吸开路、短路等缺陷的不合格品有8件，一次装配合格率达到96.3%，达到同类封装器件平均水平，即工艺优化措施有效。
4 结论
本文对SBGA器件装配一次合格率低的原因进行了分析和优化，得出如下结论：
1）SBGA器件的故障主要体现在焊点开路和短路缺陷，两者受焊料芯吸作用影响。
2）SBGA芯吸作用的主要原因为回流焊接参数不合理与氮气环境的不良影响、焊膏量不满足要求和焊端物理损伤。
3）针对上述原因，优化工艺措施相应为调整温度曲线，降低焊接过程氮气含量，优化网板开孔设计以酌情增大或减小焊膏量，增加装前检查工序。
4）经过检验确认和统计计算，优化后的SBGA器件的装配一次合格率由之前的86%提升到96.3%，措施有效。
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