李文建，刘 潇，王晓博，郭瑞霞，翟海艳，贾 亮，吴言沛，王 宏

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着遥感领域微小数传产品的发展，数字类单机低成本、小型化及大容量的需求日益迫切，未来航天产品中将大量使用flash(编码型快闪记忆体)、ddr(双倍速率同步动态随机存储器)等存储器类BGA封装器件[1]。由于电子产品的无铅化[2-5]，航天电子产品要被动采用越来越多的无铅BGA封装器件，但是航天电子产品在制作过程中使用的还是Sn-Pb焊料，也就是说，无铅BGA封装器件焊接完成后形成的是有铅无铅的混合焊点。近年来，国内外学者对混装焊点开展了大量的研究工作[6-11]，结果表明SAC焊球与Sn-Pb焊料形成的混合焊点与典型的Sn-Pb焊点在性能上是等效的。桂林电子科技大学的蒋延彪[12]等人研究了不同工艺参数，认为只要工艺参数控制得当，使用共晶Sn-Pb焊料焊接无铅BGA封装器件是可行的。中电38所包诚[13]等人的研究表明，在热循环温度载荷的作用下混装焊点的抗疲劳失效性能优于锡铅共晶焊料焊点。目前，国内外学者关于混装焊点的可靠性研究仅停留在单面焊接的层面上，BGA封装器件双面装焊的焊点形态及可靠性少有研究。为了加速航天电子产品小型化、高密度的转型升级，本文针对航天电子产品中无铅BGA封装器件双面装焊工艺进行研究，采用Surface Evolver软件对SS面焊球直径为0.47 mm 的BGA封装器件焊点形态进行仿真，得出SS面BGA封装器件焊点形态及承重极限值，并通过试验验证SS面BGA封装器件焊点形态及其可靠性。

1 焊点形态仿真及验证

1.1 焊点模型建立

焊点的形态是器件焊球承受重力与表面张力相平衡的一个过程，与器件重量和焊膏量有关。本文模拟结构是倒置BGA焊点，如图1所示，几何模型中PCB焊盘在上方，器件封装体焊盘在下方，并且考虑到封装体焊盘与侧面阻焊材料之间存在台阶，本文建模将该结构也考虑其中，模型中与封装体焊盘连接位置的钎料有一个“颈部”结构，使用Surface Evolver对模型进行求解，Surface Evolver软件基于最小能量原理和有限元数值分析方法，根据焊点引脚几何尺寸、焊盘几何尺寸及形状、材料性质等因素即可得到不同焊点的焊点形态[14]。

1.1.1 分析对象及模型参数

本文的分析对象BGA78器件，器件重量0.21 g，平均到每个焊球上承受的重量约为0.002 692 g，焊球材料为SAC305，直径为0.47 mm，焊球中心间距0.8 mm，PCB板上焊盘尺寸0.4 mm，漏板厚度0.12 mm。无铅BGA封装器焊接时采用的混装工艺，混装焊点的表面张力数据没有相应的文献可以参考，因此仿真时针对SAC和Sn-Pb两种焊球材料分别进行仿真，制定了如表1所列的焊点形态预测方案。

1.1.2 Surface Evolver焊点形态预测结果

焊点形态预测结果示意图如图2所示，焊点高度与单个焊球承重的关系如图3所示。

(a)A1 (b)A2 (c)A3 (d)A4 (e)A5 (f)0.038 9 g

从图3中可以看出，当焊球承重较小时，随着焊球承重的增加，焊点高度呈线性增加；当焊球承重较大时，随着焊球承重的继续增大，焊点高度增加的速率加大。另外，通过逐步逼近的方法找到焊球发生断裂的极限承重值，SAC305材料的单球承重极限为0.038 9 g(图2(f))，Sn63Pb37材料的单球承重极限为0.033 5 g(图2(l))，由于SAC焊料的表面张力比Sn-Pb焊料的表面张力大，承重极限大。焊球(SAC)与焊膏(Sn-Pb)混合形成焊点表面张力介于两者之间。因此，混合焊点的承重极限也在两者之间为0.033 5 g～ 0.038 9 g。

图3 焊点高度与单个焊球承重关系

1.2 焊点形态仿真验证

在验证仿真的实验中选取SAC材料的焊点形态进行验证，PBGA78器件重量为0.21 g，器件自身重量远远小于单球承重的极限值。因此，焊接PCB板CS面时需对SS面的PBGA78器件进行配重，具体的单球承重及配重如表2所列，A4和A5是为了验证单球承重极限值。

表2 仿真验证方案

PCB板CS面焊接完成后的A5组样件的3个器件从PCB板上脱落，将A1～A4四组样件采用环氧树脂镶嵌后研磨抛光，对焊点进行剖切，具体结果如图4所示。

(a)A1 (b)A2 (c)A3 (d)A4 (e)A5

每种承重的焊球剖切54个焊点，测量每个焊点截面的BGA焊球的高度并计算平均值，与焊点形态仿真结果对比，并计算仿真误差，仿真误差=(试验高度-仿真高度)/仿真高度，详见表3所列。

表3 实验数据与仿真数据对比

A4组试验显示焊点高度约为429.9 mm，A5组数据表明单球承重0.040 g时已经超过了单球承重的极限重力。因此，单球承重的极限值在0.038 g～ 0.04 g之间，也就是说极限值的仿真误差小于13.5%。目前，大部分文献提供的回流焊条件下SAC钎料的表面张力范围在480～520 erg/cm2，本次课题仿真时SAC钎料的表面张力取值为480 erg/cm2。表面张力取值与实际回流焊接时钎料表面张力的差异是本次仿真误差产生的主要原因。

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2 SS面混装焊点可靠性试验

2.1 混装焊接曲线

混装工艺关键在于混装回流焊接曲线的设置，本文通过反复调试形成了具有如下特征的回流焊接曲线：1)具有足够高峰值温度以保证Sn63Pb37焊膏和SAC305焊球达到完全混合；2)峰值温度不超过240 ℃，不会损伤PCB板和其他有铅元器件[15-17]。本文采取的混装曲线的测温结果如图5所示，SS面BGA封装器件焊点温度曲线与CS面BGA封装器件焊点温度曲线几乎没有差别，峰值温度均约为238 ℃，183 ℃以上的回流时间均约为108 s，217 ℃以上的时间均约为57 s。

图5 回流焊接温度测试曲线

样件制作完成后的焊点外观及X-ray检测结果如图6所示。PCB两面焊球与焊料融合充分并发生塌陷，形成了形态为腰鼓状的焊点。焊点大小均匀，边界清晰，无桥连、短路等缺陷。焊点中存在少许空洞，但是空洞率小于10%，在标准允许范围内。

(a) CS面焊点外观 (b)CS面X-ray照片 (c)SS面焊点外观 (d)SS面X-ray照片

2.2 可靠性试验

将双面装焊BGA封装器件的PCB组件安装在机壳上进行200个温度循环试验和振动试验，可靠性试验完成后进行外观检查、金相分析及染色渗透试验。

2.2.1 外观检验

器件在经历可靠性考核试验后的外观照片如图7所示，器件外排焊点与可靠性试验前相比无明显变化，焊点未发现裂纹。

(a) 试验前 (b) 试验后

对经过可靠性考核后的器件进行金相分析，如图8所示。

图8 焊点金相照片及IMC层

从图中可以看出，SS面BGA封装器件焊点在经历了两次回流焊接后形成的混合焊点组织均匀，说明焊接过程中锡铅焊料和无铅焊球得到了充分扩散和迁移，形成了有效的混装焊接[18]；焊点润湿良好，无可见裂纹；个别焊点中存在局部空洞，但空洞位于焊球内部，且空洞直径尺寸小于焊球直径的10%，满足标准要求。从焊点的SEM形貌可以看出，在焊接过程中，器件焊球、基板焊盘与焊料同时发生了明显的扩散和迁移，形成了有效的界面金属间化合物(IMC)层[19]。从IMC层的厚度分析可以看出，所有焊点的IMC层厚度均保持在1～4 μm，厚度均匀，无可见裂纹，证明了本次混合焊接的可靠性。

2.2.3 染色渗透试验

染色试验是分析振动试验后所有焊点的完整性，可以统计表面焊接的阵列器件所有焊点的状况。对经过可靠性考核后的器件进行染色试验。如图9所示，器件焊点未出现染色渗透现象，开裂模式为PCB焊盘与基材间开裂，染色结果也是对本次可靠性混合焊接的有力佐证。

图9 染色结果

3 结论

本文给出了SS面BGA封装器件焊点形态仿真结果，并通过试验验证仿真结果，由于焊点的表面张力远大于器件自身的重力，PCB板两面的焊点形态无明显差异。采用优化后的回流曲线参数完成了Sn63Pn37焊膏焊接SAC焊球器件的有效焊接，并通过外观检查、X-ray检测、金相切片分析和染色渗透试验对SS面BGA封装器件混装焊接质量进行了评估。结果表明：该工艺焊接实现的SS面无铅BGA封装器件焊点外观满足要求，焊点局部存在细微空洞且空洞率小于10%；可靠性试验验证后焊点质量满足要求，形成的IMC层结构完整、连续、无裂纹，厚度范围1～4 μm，满足合格焊点要求。该工艺成功实现了BGA封装器件的双面可靠性焊接，能够满足后续型号产品小型化，高密度的发展需求。