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光通信PCBA双面组装BGA类器件工艺研究
来源: fbe-china.com作者: Kenny Fu时间:2019-11-25 10:04:59点击:8605

随着通信产品的通信频率越来越高,通信PCBA的组装密度也日益增加,通信PCBA 设计提出了3D 组装和双面组装BGA 类器件的需求,对电装工艺的发展也提出了新的要求.

双面电装BGA类器件的提出

由于通信PCBA STM64光接口盘子板需要,在PCBA两面采用了BGA器件和BGA插座设计,因而提出了双面电装超重BGA类器件的新工艺课题.

双面电装BGA基本指导思想

1、在双面组装时TOP面(top side)元器件第一次回流后,需要将电路板翻转进行另一面的回流焊接.在第二次回流时,原己焊接TOP面元器件可能被表面张力所固定,为了防止元器件在重力作用下的掉落,需要从元器件重量和焊盘总面积的角度来判断元器件在BOT面(bottomside)回流时是否会掉落;

2、此PCBA由二次BGA插座转接,在TOP面有2个BGA器件和2个BGA插座,在BOT面有1个BGA插座,对于双面BGA封装器件和插座在SMT电装上有难度,对于超重的XS1-BGA插座(25g)(Tyco1-1761616-5)器件在SMT电装是第一次.如何在二次回流焊接中使下面的BGA器件,在重力的作用下不掉件,并保持良好的焊点外形,是电装工艺的课题;

3、经分析和理论计算后,决定采用同类型Sn63 /Pb37的有铅焊膏进行二次回流焊接,先焊接TOP面,然后对于TOP面的BGA器件进行热隔离保护,在翻转PCBA后焊接BOT面上的超重BGA插座.

工艺流程设计

1、先在SMT5线电装PCBA的TOP面,贴装2个BGA器件(IC1、IC2)和2个BGA插座(TRX3、TRX4);2、使用X-Ray设备检查TOP面BGA的焊点质量;3、然后贴装大BGA插座(XS1),器件质量25g,焊球数666;4、在TOP面安装BGA隔热罩,使在焊接BOT面时降低TOP已焊接BGA器件的焊点温度,增加焊料附着力,使BGA器件不掉落;5、调节、选择合适的回流焊接曲线,对于BOT面进行焊接;6、用X-Ray设备检查BOT和TOP面的BGA焊点质量.

二次回流焊接中BGA器件掉落理论简析牭谝淮魏附邮保琁C1 ( PM5326 )器件的轨道支撑力F1BGA 重力F , 熔化的焊球在表面张力托起IC1(PM5326),器件不能掉落(见图2).

第二次焊接时,IC1(PM5326)器件的重力作用与第一次焊接时正相反(见图3).

第二次焊接时器件的重力与轨道支撑力F1方向相反,轨道支撑力对于BGA器件没有支撑作用.要使BGA器件不掉落,必须使BGA重力小于焊料附着力F2.

设定:σ是熔融的焊球抗拉强度C

g是元器件重量Σp是总焊盘面积

Σp=ΣA、B……

计算公式:Cg≤ΣF2、ΣF2=σ.Σp,即Cg≤σΣp,σ=Cg/Σp.

σ与熔融焊料的内聚力或表面张力成正比,它取决于熔融焊料在某一温度条件下的材料特性,σ=Cg/Σp是评估是否掉件的关键指标.

保证有铅焊料的BGA二次回流不掉落的经典判断标准为:σ=Cg/Σp≤30(g/in2).

二次回流焊接BGA器件工艺因素鱼骨分析

双面回流焊接BGA的工艺计算(按鱼骨图因素计算)

焊膏供应商推荐的回流焊接曲线.

焊盘面积和比率(Cg/Σp)计算:

1、IC1器件(BGA器件)

焊盘总面积:(0.45÷2)2×3.1415926×1292=205mm2×0.00155=0.3185in2

器件重量:14g、 比率:14g÷0.3185in2=43 g/in2

?strong2、IC2器件(BGA器件)

焊盘总面积:(0.45÷2)2×3.1415926×456=73mm2×0.00155=0.1124in2

器件重量:2.25g、 比率:2.25g÷0.1124in2=20 g/in2 ?br / ?strong3、TRX4器件(BGA插座)

牶概套苊婊?0.58÷2)2×3.1415926×300=79.26mm2×0.00155=0.1229in2

器件重量:3.5g、比率:3.5g÷0.1229in2=28.48 g/in2 ?br / ?strong4、XS1器件(BGA插座)

焊盘总面积:(0.57÷2)2×3.1415926×666=170mm2×0.00155=0.2635in2

器件重量:25g、 比率:25g÷0.2635in2=94.88g/in2经对PCB焊盘、模板开口、器件重量等实际测量统计,形成表4.

掉件原因分析

1 、有铅焊料二次回流有一个经典的判断标准:Cg/Σp≤30(g/in2);其中Cg是元器件重量,ΣA是总焊盘面积;

2 、根据经典的判断标准: C g / Σp≤ 3 0 , I C 1(T面)和XS1(B面)在二次回流焊接中,将有一种器件在重力的作用下掉件,同时TRX4(T面)的BGA插座也比较接近经典的判断标准,存在电装工艺风险;

3、XS1器件(BGA插座)焊膏计算,按器件设计公司要求在焊盘上的焊膏量是0.044mm3,设计模板δ=0.15mm,开孔直径0.67mm,焊膏释放比率要≥83%

4、模板的厚度是0.15mm,开孔直径均比PCB焊盘直径大0.10mm,有利于焊膏量增加,使熔融焊料在断裂前能承受的最大张力强度增加.

PCBA双面BGA电装 燬TM64光接口盘子板,尺寸250×190mm、16层FR4板.

1、PCBA的正面TOP(2个BGA芯片、2个BGA插座FCI公司)电装;

• 丝印工艺参数见表5;

• 回流焊接工艺参数

设备:H 燛LLER1800EXL

温度设定:160—175—165—165—180—230—265—265℃(上下一致)、冷却:65%焊

接速度:70 cm/mi ,有铅BGA器件、183℃、 燭AL为83s

最高BGA焊接温度:IC1为221℃、IC2为232℃.由于非实板测试实际的温度预计低5℃,同时兼顾PCBA上无铅的元器件,因此焊接曲线比较合适(见图6).

• PCBA(TOP面)焊点检查A

、IC1(PM5326)器件用X-Ray检查,没有发生桥接缺陷(见图7).

在放大40倍、倾斜55度、焊球变形较好,红色中心线上部的焊球变形并相连,焊球内部没有空洞(见图8).

B、IC2(XC3S1000)器件用X-Ray检查,焊球没有桥连发生,焊球有少量空洞、变形没有大BGA(PM5326)的大(见图9).

2、反面BOT(BGA插座××公司-1-1761616-5)等其他贴装元器件电装;

• 丝印工艺丝印参数和焊膏体积见表6.

按××公司建议,BGA插座各个焊盘上的焊膏量为:0.044mm3、焊膏释放比率要≥83%.实际BGA插座各个焊盘上的焊膏量为:0.041mm3、焊膏释放比率要≥78%,比要求少5%.

• 贴片工艺

A、BGA插座基本参数.1-1761616-5为一种新型BGA插座,长55mm,宽25.4mm,高16.5mm,元件重量25克,焊球数666个,底部本体颜色为白色,其外形如图10所示.

B、贴装面临的主要问题:超重,元件重量为25克,这几乎达到了现有贴片机所能处理元件重量的极限;超高,元件高度为16.5mm,超过了现有贴片机处理高度.

C、贴装试验过程.试贴四块PCBA,选择 GSM1 贴片机,主要考虑到该型机处理异型元件能力非常突出.具体参数设置:将元件高度设定为12.7mm,贴装BGA插座压力为150g;使用最大吸嘴360F进行吸取,并将吸取速度设置为慢速;由于器件数量少包装不合适,单独将元件放置在托盘供料器上;由于颜色接近,只能识别出其中80%-90%的焊球,将球检测功能关闭.做上述调整后,GSM1成功进行了贴装.

• 回流焊接工艺

A、制作隔热罩.焊接前将TOP面的2个BGA器件,采用环氧板做的隔热罩(见图11)进行热隔离,并用热胶带固定,其中第2号PCBA没有用隔热罩.

热隔离效果试验表明,不加隔热罩,BGA器件上温度是239℃;加上隔热罩后,BGA器件上温度是203.8℃,相差高达35.2℃,隔热罩的效果明显(见图12).

B、调整回流焊接曲线. ?br / 牪捎肂TU回流炉,第7次的温度曲线认可(见图13).温度:上部 150-175-160-160-200-245-245℃

下部 150-175-160-160-200-260-260℃

出风:1.0-1.0-0.8-0.8速度:55mm/min,冷却:43℃

C、××公司XS1(B面)BGA插座(1-1761616-5)推荐焊接工艺参数符合度:

1、有铅BGA插座1-1761616-5到145℃的润湿时间是190s,基本符合要求;

2、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度183℃以上时间是67.4s,符合要求;

3 、有铅B G A 插座1 -1761616-5的焊接温度是192.4℃,相差17.6℃,不符合要求;

说明:对于B G A插座1 -1761616-5的焊接温度是192.4℃,183℃,ALT是67.4s,由于BGA插座内有大量的金属,热容量很大,但考虑到PCBA上的Chip元件的温度已高达235.7℃,对于有铅焊接温度已很高了,温度不能进一步提高,所以对于BGA插座底部焊球上只有192.4℃是偏低的,不过BGA插座在183℃ALT是比较长的,所以当时认可了这样的焊接曲线,经焊后的焊球的X光检查,焊点变形达到要求,经研发人员的PCBA功能测试,10块PCBA电装质量符合要求,全部一次通过.

4、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接温度总时间(限下降到183℃) 为320s,符合要求;

5、有铅B G A插座1-1761616-5的焊接没有采用N2气;

6、有铅BGA插座1-1761616-5的焊接上升温度是1.0℃/s,下降温度是0.7℃/s,符合要求,使BGA插座不发生形变或开裂.

D、进一步完善:对

于BGA插座1-1761616-5的焊接,若速度再降低5—10mm/min的话,可能对于大容量的BGA插座的焊球效果更好.

BGA器件的焊球的焊接温度是BGA底部的PCB板的固体传导热,因此将焊接区的下部温度高于上部温度15℃,有利于大容量BGA插座1-1761616-5的焊球焊接,同时使TOP面的BGA的焊球上的温度相对低于202.6℃.

• PCBA双面BGA焊点检查 ?br / 燗、BOT面有铅BGA插座1-1761616-5焊点X-Ray检查并没有发生桥接,见图14.

B、经过二次回流焊接后IC1(PM5326)器件的检查

IC1(PM5326)器件第一次焊接焊球变形,见图16.IC1(PM5326)器件第二次加罩焊接焊球变形,见图17.

IC1(PM5326)器件第二次不加罩焊接焊球变形,见图18.

从上面3张IC1(PM5326)BGA器件变形图看,在X-Ray设备检查,参数放大40倍、倾斜55度的相同条件下观察,焊球的变形基本相似,没有大的区别,焊球的变形较好.在IC1(PM5326)器件第二次不加罩焊接后,发现IC1器件BGA的小PCB四角变形(上翘)较大,但X-Ray检查未发现焊球不良.

二次焊接对于IC1焊球温度的影响:

IC1(PM5326)第二次加罩焊接焊球最高温度:202.6℃,ALT:69.3s;

IC1(PM5326)第二次不加罩焊接焊球最高温度:225.9℃,ALT:111.2s.

这说明,加罩和不加罩,在IC1所受的最高温度有23.3℃差别,但并没有影响焊点变形和空洞,也就是说在二次焊接中温度在相差20℃左右,对于焊接质量的影响不大.

C、IC1(PM5326)BGA器件不加罩焊接的分析

在焊接PCBA BOT面有铅BGA插座1-1761616-5时,IC1(PM5326)BGA器件在PCB的底面,为了防止IC1的掉落,在焊接时加上采用环氧板做的隔热罩进行热隔离,理由是按经典的Cg/Σp比率是≤30才能使器件不掉落,而IC1的Cg/Σp比率是43,按要求应加隔热罩.目的有二,首先,使加在IC1的焊球上的温度降低,使熔融焊料的内聚力或表面张力增加,也使σ(焊料的抗拉强度)增加,造成IC1不掉落;其次,假如σ强度不够,IC1仍要掉落,可以掉落在隔热罩内,不会造成IC1掉在炉膛内而损坏.有3块PCBA是采用此方法焊接,没有问题.

考虑到做隔热罩并不适合大量的生产,而且在上罩时对于BOT面元器件的贴装位置的影响,所以大胆采用不加罩直接双面BGA器件的焊接的工艺试验,采用5块PCBA(2号) 进行工艺试验.

此2号PCBA工艺条件除对于IC1、IC2不加隔热罩外,其他条件与前5块PCBA完全相同.焊球最高温度:225.9℃,ALT:111.2s,元器件有足够的时间掉落.令我们满意的是,经焊接在底面的IC1、IC2的BGA器件并没有掉落,其中IC1的Cg/Σp比率是43,IC2的Cg/Σp比率是20.

D、对经典Cg/Σp比率的挑战I

C 1 的C g / Σp比率4 3 , 比经典的C g / Σp比率是≤30高出43.33%,事实说明经典的Cg/Σp比率比较保守,由于σ(焊料的抗拉强度)与焊料的所受的温度和焊接的工艺条件相关,因此对于合理的Cg/ΣA比率到底是多少将进一步进行工艺研究,不过从目前工艺试验看Cg/Σp比率≤40是可行的.假使Cg/Σp扩大到43,这将对双面BGA焊接的范围扩大了43.33%,使BGA器件的尺寸和I/O端子数可以增加到更大.

总结 CBA双面回流焊接的BGA类器件电路全部打通,电装是成功的.

在工艺试验中,我们列出双面回流焊接BGA类器件的相关鱼骨图,根据鱼骨图分析了元器件、PCB、焊膏、丝印工艺、焊接工艺等方面因素对电装的影响,设计了工艺参数.

由于BGA插座尺寸比较大并且超重,因此在贴装上进行了多次的试验,并对已焊接BGA器件采用隔热罩焊接和无隔热罩的焊接,同时在回流焊接设备上对于BGA插座进行了6次试验,找出一条比较合理的焊接曲线.电装后对于BGA焊球进行了仔细的检查,焊球没有桥连发生,变形良好,空洞较少.

对于双面BGA焊接的典型参数σ=Cg/Σp进行了理论分析,同时针对要电装的BGA器件重量和焊盘的润湿总面积作了焊料抗拉强度的范围计算,冲破了经典的C g/Σp比率是≤30数据.

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