无铅组装中 PBGA 封装体翘曲及其对

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。

　　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。

　　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。


　　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。
J-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。



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：

　　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 ）。



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 ）。

　　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。

　　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。


　　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。

　　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

真的是很不错的文章，这样的研究结果很实用。谢谢！

封装中的翘曲是个很有意思也很有用的课题.

很多时候模拟可以做得很复杂和漂亮（比如学校的研究），可是如果和实验相比较，就发现很多时候模拟很受限制。翘曲的模拟比较容易，可是如果做到比较精确的模拟很难，其中材料性质是关键，尤其是Epoxy Molding Compound的性质。

有一点比较疑惑，翘曲除了和温度有关，和温升的过程，也就是温度变化的速率有关系吗？好像很少有这方面的资料。