BGA封裝的安裝策略

楊建生(天水華天微電子有限公司)

摘 要：本丈主要敘述了兩種BGA封裝(BGA—P 225個(gè)管腳和BGA—T 426個(gè)管腳)的安裝技術(shù)及可靠性方面的評(píng)定。

關(guān)鍵詞：BGA—P封裝 BGA—T封裝 安裝方法

1 引言

為了獲得BGA與PCB之間良好的連接，找到一個(gè)不產(chǎn)生翹曲的解決辦法是必要的。為了適應(yīng)當(dāng)代更小、密度更高的IC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，作為新的IC封裝技術(shù)形式的球柵陣列封裝BGA是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，BGA封裝技術(shù)的很多方面，諸如安裝條件，還沒有弄清楚。近年來，工程師們測(cè)試了兩種規(guī)格的BGA封裝(BGA—P225個(gè)管腳和BGA—T426個(gè)管腳)，并確定哪一種安裝策略提高了封裝效率和封裝可靠性。

在實(shí)際使用中，BGA—P封裝易于發(fā)生翹曲、存在產(chǎn)生開路引線的可能性。為了獲得BGA和板之間良好的連接，找出一個(gè)不引起翹曲的安裝解決方法是必要的。為了確定安裝BGA封裝時(shí)發(fā)生翹曲程度的狀況，工：程師們?cè)诓煌臏囟葼顩r下作了系列試驗(yàn)。把BGA封裝置于加過熱的盤上，并使用激光儀測(cè)定其翹曲量。在溫度范圍為25℃～165℃狀況下，翹曲量一貫是最小值，在200℃時(shí)，翹曲量極大地減小。

2 存在的差異

由于模塑樹脂和BT樹脂之間的熱膨脹系數(shù)，造成了差異的存在。一般在180℃完成傳遞模塑，大約在200℃時(shí)，模塑樹脂的殘余應(yīng)力將被解除，這表明BGA—P的翹曲狀況在回流焊溫度時(shí)是小的，并且開路誤差的可能性是頗低的。在BGA—T中，把一銅環(huán)嵌入封裝中為的是減少翹曲狀況。也就是說，銅環(huán)的目的是使回流焊期間封裝翹曲狀況降低。

3 安裝方法

由于在標(biāo)準(zhǔn)制造工藝狀況下，別的電子元件將與BGA一起安裝，因此應(yīng)考慮絲網(wǎng)印刷的效果問題。使用絲網(wǎng)印刷方法時(shí)，如果使用的焊料量不適當(dāng)，也許就會(huì)發(fā)生橋接現(xiàn)象。缺陷是由于焊膏印刷量的各種變化造成的。為了減少發(fā)生橋接現(xiàn)象的危險(xiǎn)，要考慮真正的批量生產(chǎn)的前景，通常采取用焊劑代替焊膏的方法。因此，對(duì)這些測(cè)試，使用MSP510-3焊劑。

由于BGA具有相對(duì)大的間距，對(duì)其貼片精度沒有必要像QFP(方形扁平封裝)那樣嚴(yán)格要求。預(yù)計(jì)細(xì)間距BGA不久將登場(chǎng)亮相，因此，對(duì)高貼片精度的要求會(huì)逐步增長(zhǎng)。試驗(yàn)階段，試驗(yàn)的方法依賴于有CCB(容性耦合誤差)照相機(jī)的可視灰度鑒別裝置，為的是識(shí)別BGA凸點(diǎn)狀況。

凸點(diǎn)鑒別階段，僅僅鑒別BGA外部的凸點(diǎn)的方法和鑒別所有的凸點(diǎn)的方法之間的選擇是可行的(凸點(diǎn)鑒別裝置應(yīng)能夠處理間距小于1.0mm的BGA)。如果開路連接可防止的話，那么凸點(diǎn)高度的最小值必須高于BGA和板翹曲量。

早期試驗(yàn)階段，采用焊盤模式來完成壓焊測(cè)試，并在壓焊測(cè)試階段，測(cè)量壓焊高度(回流焊之后封裝和PCB之間的距離)和別的壓焊條件。(如圖1所示）

壓焊后測(cè)試發(fā)現(xiàn)間隔為549μm，略小于凸點(diǎn)高度的最小值552μm。除此之外，壓焊后降低了間隔，增大了焊盤模式的直徑，這在防止開路連接方面是有效的。然而當(dāng)經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)，壓焊間隔縮小，封裝使用壽命將會(huì)縮短。

安裝BGA—P封裝時(shí)，伴隨著上面提到的過程，也測(cè)量了凸點(diǎn)的壓焊缺陷率。具有“過抗蝕劑”特性，焊盤直徑為0．8mm，當(dāng)使用焊劑時(shí)，由于僅在一個(gè)凸點(diǎn)中發(fā)生了弱的浸潤現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了開路誤差。(如圖2所示)在別的條件下未發(fā)現(xiàn)任何缺陷。由這些結(jié)果可看出，當(dāng)通過絲網(wǎng)印刷機(jī)供給焊膏時(shí)，可得到較好的效率。概括地說，使用絲網(wǎng)印刷機(jī)可獲
得滿意的結(jié)果(如表1)。

為了得到最佳的效率，認(rèn)為BGA—T封裝的安裝測(cè)試也是在這些條件下完成的(如表2所示)。

由于BGA—T封裝的凸點(diǎn)間距為1．0mm，橋接現(xiàn)象的可能性與BGA—P封裝 (凸點(diǎn)間距為1．5mm)相比較，相對(duì)高一些。然而，在測(cè)試期間，沒有觀察到橋接現(xiàn)象。確定直徑為0．7mm的焊盤尺寸將比間距為1．0mm的BGA封裝好一些。如果是這樣的話，開路誤差的可能性就會(huì)更低。但是，若考慮此狀況，則PCB的布線設(shè)計(jì)技術(shù)會(huì)在比較小的直徑狀況下變得更難。

4 可靠性評(píng)定

為了研究當(dāng)經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)BGA封裝的可靠性狀況，應(yīng)說明循環(huán)失效的數(shù)目，這些試驗(yàn)的結(jié)果為凸點(diǎn)形狀的標(biāo)準(zhǔn)。焊點(diǎn)的壽命與循環(huán)失效的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)目是成比例的，三種不同的測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)果，如圖3所示。

然而，就陶瓷BGA而論，預(yù)計(jì)循環(huán)失效的數(shù)目是極低的，這表明在其應(yīng)用中給予了足夠的重視。對(duì)BGA封裝安裝完后焊點(diǎn)方面的各種變化也進(jìn)行了探討，在板上，BGA封裝經(jīng)受了溫度循環(huán)，首次測(cè)試的溫度范圍為-65℃—+150℃。多達(dá)600次循環(huán)，但未發(fā)現(xiàn)缺陷，這是令人感到滿意的。不過在測(cè)試板的一些通孔中出現(xiàn)了裂紋，這表明在安裝板時(shí)，必須對(duì)此進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]。接著，在溫度范圍為-40℃-+80℃時(shí)，2500次循環(huán)的狀況下完成熱試驗(yàn)。觀察到連接電阻沒有變化。當(dāng)BGA封裝選擇的溫度范圍為-40℃-+125℃時(shí)，在1500次循環(huán)狀況下，沒有變化情況。

5 結(jié)語

評(píng)定了這些試驗(yàn)結(jié)果之后，制造者對(duì)在BGA封裝安裝工藝階段遇到的部分問題的解決辦法感到滿意，諸如效率、可靠性和PCB焊盤設(shè)計(jì)等。BGA在PCB上的安裝與目前的SMT工藝設(shè)備和工藝基本兼容。先將低熔點(diǎn)焊膏絲網(wǎng)印刷到PCB板上的焊盤陣列上，用拾放設(shè)備將BGA對(duì)準(zhǔn)放在印有焊膏的焊盤上，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的SMT再流焊。