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1、2012-07-13#2012-07-13#2#012-07-13#0.5 m m 间距 CSP/ BGA 器件无铅焊接工艺技术研究孙国清，李承虎(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031)摘 要： 芯片级封装器件因其小尺寸 、低 阻 抗 、低噪声等优点广泛应用于电子信息系统中 。 从 器件 封 装 、印制板焊盘设计 、焊 膏 印 刷 、贴装以及回流焊接等方面探讨了 0.5 mm 间 距 CSP/BGA 器 件无铅焊接工艺技术 。关键词： 芯片级封装；无铅；印刷；贴装；回流焊接中图分类号： TG44文献标识码： B文章编号：1004-4507(2011)05-0025-04R
2、esearch of Lead-free Soldering about 0.5 mm PitchCSP/BGA ComponentsSUN Guoqing，LI Chenghu(The 38th Research Institute of CETC，Hefei 230031，China)Abstract: CSP components are widely applied to the electron information systems for their little size、low impedence and low yawp and so on。 The paper discu
3、sses the technology of lead-free soldering about 0.5mm pitch CSP/BGA components from components incapsulation、designing of bonding pads、solder paste printing、picking And placing and reflow soldering。Keywords: CSP（chip scale packaging）；Lead-free；Printing；Pick And Place；Reflow Soldering印制板组件的高密度化、高可靠性
4、以及无铅化发展趋势，其对元器件封装尺寸、性能以及组装 工艺要求愈加苛刻。CSP/BGA 器件因其小尺寸、低阻抗、低噪声 等优点越来越广泛应用于电子信 息 系 统 产 品 中 。 但 同 时 ，CSP/BGA 器件在无铅组装工艺中 比较迫切。1 封装1.1 定义CSP：是 chip size package 的英文缩写，即芯片 级尺寸封装。它是指芯片的面积与封装体面积之有着较大的难度系数，开展其焊接工艺研究显得比大于 80%，通俗的说，芯片的边长比封装体的边2012-0收7稿-日1期3：2#01#1-0#4-1#3 #2012-07-13#2#012-07-13#Equipment for El
5、ectronic Products Manufacturing长小仅仅 1 mm 左右。CSP/BGA 就是具有芯片级尺寸封装的器件。（1）熔点。焊膏合金共晶温度不能太高，根据元器件耐受温度以及回流峰值温度，一般选择在210220 较为合适；（2）无毒。无铅焊膏材料符合 ROHS 规范，不 含有毒物质；（3）可靠性。焊接后，焊点要有足够的机械强度和良好的导电率；（4）成本。焊膏成本要低，应用广泛。我们优选熔点在 217 左右的锡银铜系 焊膏。1.2 结构CSP/BGA 器件应用较多的主要有两种结构 形式，即引线键合和倒装键合（见图 1）。引线键合式倒装键合式3.2 设计网板3.2.1 网 板
6、加 工 制 作CSP/BGA 器件网板开孔尺寸很小，要保证焊 膏有效地从网板孔内释放，网板制作方法选择至关重要。现阶段网板加工制作方法主要有：化学腐蚀 法、激光切割法以及电铸法。结合使用丝网印刷机 特点以及加工成本考虑，我们优选激光切割外加 孔壁抛光制作工艺方法。3.2.2 网板厚度及开孔形状 、尺 寸 设 计网板厚度、开孔设计直接影响焊膏释放率。相 比有铅焊膏，对于无铅焊膏释放率下降幅度可达10%15%。IPC7525 标准要求，焊膏印刷时，网板开口尺 寸满足如下要求：孔径比即 W/T 1.5；开口面积 / 开口四周孔壁面积比0.66，对于 圆形孔，面积比公式为 D/4T；对于矩形孔，面积比
7、公式为 LW/2(L + W )T 式中：L 为开口长度；W 为开口宽度；T 为网 板厚度；D 为圆形开口直径。根据以上要求，初步设计几种网板开口尺寸（见表 1）。最终选择 0.1 mm 厚度的 A4、A5、A6 三种代 号网板展开印刷试验。图 1引线键合和倒装键合 焊盘设计20.5 mm 间距 CSP/BGA 器件，其焊球直径为0.3 mm。（1）应为每个焊球采用单独焊盘，焊盘尺寸直 径设计为 0.3 mm；间距与焊球一致，为 0.5 mm； 焊盘上不可设置过孔。（2）布线时，焊盘可直接走线或通过过孔走线， 过孔应位于周边 4 个焊盘的中间位置。CSP/BGA 封 装体之下的所有过孔均用阻焊
8、膜覆盖。（3）应用 NSMD（阻焊层围绕铜箔焊盘幷留有 间隙）的阻焊方式。3 焊膏印刷工艺要保证焊膏至少 75%的释放率，焊膏的选择、网板设计、印刷工艺参数设置等异常关键。3.1 选择焊膏应选择适合细间距器件印刷的无铅焊膏，颗 粒直径在 2045 m 之间。对无铅焊膏的选择应从以下几个方面进行参考：3.3 印刷工艺参数设置影响焊膏印刷质量的参数主要有：刮刀角度、刮刀类型、印刷速度、印刷压力、脱模速度、脱模距2260（1总2第-19067期-）1Ma3y#2#01#1 #2012-07-13#2#0#1#2#-#0#7-13#Equipment for Electronic Products M
9、anufacturing展开印刷试验见表 2。表 1网 板 开 口 形 状 、 尺 寸表 2 印 刷 试 验足要求/mm状、尺寸足要求焊膏；但脱模效果差焊膏，脱模效果好0.66，满足要求3.5 印刷工艺选择0.5 mm 间距 CSP/BGA 器件使用丝网印刷机 进行无铅焊膏印刷时，应采取如下措施：(1) 选择熔点在 217 左右的锡银铜系焊膏。焊膏颗粒直径在 2045 m 之间。（2） 网板设计。网板钢片采用 0.1 mm 厚度， 开孔应设计成边长 0.28 mm 方形口，为保证焊膏平滑漏印，开口四周拐角应进行 0.06 mm 的倒圆角且开口孔壁进行抛光工艺处理。（3） 丝网印刷机设置。 刮刀
10、角度选择在 60（），印刷速度为 1020 mm/s；脱模速度设定在0.51 mm/s；脱模距离为 23 mm。离等。刮刀角度：刮刀角度一般在 45 75 ( ) 间。 据有关试验验证，为了保证印刷过程中焊膏有较 好的滚动性和填充性，刮刀角度选择在 60。刮刀类型：选择不锈钢刮刀，刮刀与网板接触 面应无变形、扭曲，刮刀长度应选择比印刷图形长度长 20 mm 左右。印刷速度：印刷速度设定必须保证焊膏在移 动过程中处于滚动状态，一般印刷速度低，焊膏填充性好。对于 0.5 mm 间距器件，一般印刷速度为1020 mm/s。印刷压力：印刷压力不可过大，否则印刷过程 中刮刀与网板之间压力变大，刮刀印刷部
11、位产生变形，导致刮刀印刷部位与网板之间产生间隙，印 刷后网板上会残留焊膏。脱模速度、脱模距离：采用全自动丝网印刷机时，脱模速度、脱模距离是影响印制板印刷完焊膏 下降过程中的两个关键因素。印制板下降过程中， 由于焊膏与网板之间的附着力，网板会产生一定 的变形，如果脱模速度过快、脱模距离短，网板会 快速恢复变形，致使印制板上焊膏被拉起。一般对 于 0.5 mm 间距的器件，脱模速度设定在 0.51 mm/s， 脱模距离为 23 mm。贴装工艺44.1 预处理工艺由于采用的 CSP/BGA 芯片为塑封封装，极易 吸潮。为防止芯片在回流焊接过程中产生鼓泡、裂纹等不良现象，贴片前，应在真空干燥箱内 12
12、5下至少烘烤 6 h。4.2 贴片工艺设置贴片的目的就是将 CSP/BGA 芯片准确地放 置在印好焊膏的印制板指定位置上。这里涉及到定义器件的封装、贴片机吸嘴的选择、照相机的选择、供料器装置设置以及印制板上基准点定义、安（下 转 第 51 页 ）3.4 网板最终选择对 0.1 mm 厚度的 A4、A5、A6 三种代号网板2012-07-13#2012-07-13#2#0#1#2#Ma-#y0#2701-1（1总3第#1#9#6 期#）#27#网板 代号网板 厚度/mm开口形/mm焊盘上焊膏状况是否满A40.1圆 形 、直 径 0.3无焊膏溢出焊盘，焊盘 上 有 90% 面 积 覆 盖 有不满足
13、要求A50.1方 形 、边长 0.3有少量焊膏溢出焊盘不满足要求A60.1方 形 、边 长 0.28无焊膏溢出焊盘，焊盘 上有 90% 面 积 覆 盖 有满足要求网板 代号网板 厚度/mm开口形 状、尺寸孔径 比面积 比是否满A10.12圆 形 、直 径 0.30.625面积比0.66，不满足 要求A20.12方 形 、边长 0.32.50.625面积比0.66，不满足要求A30.12方 形 、边长 0.282.330.58面 积 比 0.66，满足要 求A50.1方 形 、边 长 0.330.75孔径比 1.5；面积比0.66，满足要求A60.1方 形 、边 长 0.282.80.7孔径比
14、1.5；面积比Equipment for Electronic Products Manufacturing要的频率数值来设计压电换能器和聚能器；同时，由于声负载阻抗的变化，将会带来换能器谐振频 率的变化，故又要使换能器工作在一定的频率范 围，该问题已通过前面介绍的频率自动跟踪解决；（2）振幅根据工艺要求，合理设计聚能器，使 振幅放大到工艺要求；（3）振动模式适当选择压电晶片和聚能器的外 形尺寸，使其远离径向振动模式的谐振频率，从而 消除或抑制寄生的径向振动；（4）换能器的安装所有的聚能器都存在着一个波截面，在波节面处可用其他装置运用适当的力矩对整个换能器进行固定，从而减小振动能量的损 耗。所
15、用的力矩不可过大，否则会导致聚能器截面 的变形，从而降低整个超声系统的性能。参考文献：林书玉. 超声换能器的原理及设计M.北京：科学出版社，2004.陈桂生. 超声换能器设计M.北京：海洋出版社，1984.12!（上 接 第 27 页 ）装 CSP/BGA 位置中心坐标定义等等。CSP/BGA 器件安装在印制板上时，必须保证 焊球在 Z 轴方向能与焊膏充分接触，x、y 方向中 心偏离焊盘不大于焊球直径的 25。微结构，提升焊点机械性能，增强焊点的可靠性。CSP/BGA 器件经回流焊接后需经 X-RAY 检 测，应无桥接、焊料球丢失、开路、冷焊、锡珠、空 洞（空洞不大于焊点体积的 15 %）以及
16、错位等不 良缺陷。回流焊接工艺56 结束语根据焊膏特性，我们选择保温型温度曲线，整个回流时间控制在 4 min 左右。回流前，应先确定回流速度（回流速度加热 区长度 / 回流时间），再调整预热区、保温区、回流区以及冷却区的参数设置。预热区：目的是将印刷线路板的温度从室温 提升到锡膏内助焊剂发挥作用所需的活性温度， 温度升得不可太快。升温速率控制在 13 /s。保温区：目的是使印刷线路板上各个区域的 元器件温度相同，减少他们的相对温差，并使锡膏内部的助焊剂充分地发挥作用，去除元器件焊端和焊盘表面的氧化物，从而提高焊接质量。温度控制在 160190 之间，升温速率控制 在 12 /s，时间控制在
17、45S90 s 间。回流区：目的是使焊点温度提升到锡膏的熔点温度以上并维持一定的焊接时间，使其形成合 金，完成元器件焊端与焊盘的焊接。峰值温度控制 在 235 250 之 间 ， 液相线以上时间控制在 4080 s 间。冷却区：目的是使焊点迅速降温，焊料凝固。冷 却速度控制在 4 /s 左右，有助于形成精细的焊点0.5 m m 间距 CSP/BGA 器件装焊难度较大，装焊过程中器件预处理、焊膏印刷、贴片、回流焊 接等环节必须建立有效的控制手段，才能保证最 后的焊接质量。参考文献：GJB 4907-2003.球栅数组封装器件组装通用要求S.宋好强，戎孔亮.0.5 mm 间距 CSP 焊接工艺研究
18、J. 电子工艺技术，2003，24（3）：103-108. 史建卫，何鹏，钱乙余，袁和平。焊膏印刷技术及无铅 化对其的影响J.电子工业专用设备，2006，（143）：29-38. 吴兆华，周德俭.表面组装技术M.北京：国防工业 出版社，2002.1234!作 者 简 介:孙国清（1979-）：男，工程师，中国电子科技团公司第 三十八研究所部件装调分厂主任，长期从事电子装联技术 及管理方面的工作。李承虎（1979-）：男，工程师，主要从事电子装联工艺 研究。2012-07-13#2012-07-13#2#0#1M2a-y#02701-1（1总3第#1#96#期#）#51#Your request could not be processed because of a configuration error: Could not connect to LDAP server.For assistance, contact your network support team.