高混装度PCBA的BGA组装合格率提升工艺研究

  某航空电子科技类产品的PCBA混装度高，其上共存有多种封装的无铅的、有铅的BGA器件，工艺复杂，BGA组装合格率不足80%，造成非常大的浪费。

  本文基于鱼骨图分析了BGA组装流程，确定了造成BGA组装合格率低的原因，并采取了针对性的工艺改进措施使BGA组装合格率提升到99%以上。

  研究也表明，在无铅BGA获得良好焊点的情况下，同一PCBA上的有铅BGA焊点存在潜在的可靠性风险。

  航空电子科技类产品作为高可靠性产品，器件组装一直沿用锡铅焊膏焊接的混装工艺，对有铅、无铅共存的的组装，焊接工艺窗口较小、组装难度大。

  另一方面，受制于国内芯片制造和工艺能力，航空电子科技类产品中早期定型的很多所用器件均为进口器件，但因进口器件存在货源不可追溯、停产断档、超期使用等风险，器件本身优劣成为影响组装合格率的主要的因素之一。

  某航空电子科技类产品中的组件是高密度、有多种不同封装的高混装度的，在长期生产中存在一次组装合格率不足的问题，而检测结果表现，造成组件性能不合格的根本原因是器件焊接质量不良。

  为了提高的组装质量，从人、机、料、法、环等各方面组装工艺进行了深入研究，并针对性采取改进措施。

  所述低合格率PCBA上的BGA器件共7种，各BGA器件的封装形式、尺寸、焊球材料等性能差异较大，具体见表1。PCB焊盘采用HASL锡铅焊料，BGA器件采用Sn63Pb37共晶焊料混装工艺组装完成后进行性能测试，发现合格率不足80%。对不合格PCBA检验测试发现，BGA焊接缺陷大多数表现在小球径BGA的焊球和焊料不相融、无铅BGA焊点分层等，典型焊点缺陷如图1所示。

  针对PCBA上BGA组装合格率低的问题，基于图1所示BGA焊点缺陷的事实，结合该组件生产的实际条件，采用如图2所示鱼骨图对BGA组装的人、机、料、法、环各生产要素做全面分析，初步判定导致BGA组装质量上的问题的可能原因有：

  为了验证BGA焊接质量不良原因判定的准确性，拟进行BGA可焊性、焊膏印刷质量控制、回流焊和做多元化的分析等工艺试验，并采取针对性的工艺改进措施。

  对来料BGA进行质量检验，发现各BGA焊球的外观光学检测形貌不相同，且个别器件有明显的污染、变形、氧化等现象，典型外观缺陷如图3所示。

  为进一步确认焊球的可焊性，在光学检验测试条件下剔除外观品质明显不合格的后，选出外观合格的进行可焊性试验，试验按中方法执行，采用润湿称量法获得焊球的力时间润湿曲线，并按照曲线上的零交时间、从测试开始到时的润湿力数据，依据给出的组标准、组标准来评判焊球的可焊性。焊球的可焊性测试结果如表所示，其中编号的器件典型的无可焊性的力时间润湿曲线如图所示。

  从表的结果可见，编号、、的器件的＞、＜，因此确定、、编号的无可焊性，不可用于组装，否则会形成图所示的焊球和焊料不相融的焊点缺陷；编号的器件可焊性良好，符合可焊性组标准，焊接工艺窗口较大；编号、、的器件可焊性较好，符合可焊性组标准，但焊接工艺窗口相对小。

  D4、D5、D6编号的BGA器件均为小球径的进口器件，存在货源不可追溯、停产断档问题，且库存时间久，这一些因素均会造成BGA焊球可焊性下降，导致BGA直接组装后出现图1.a所示的焊点缺陷。为了恢复D4、D5、D6的可焊性，采取去除BGA原有焊球并重新植球的措施，使BGA可焊性达到组装要求。

  试验PCBA为高混装度组件，其上7种BGA封装尺寸差异较大，各BGA对焊膏需求有差异，基于宽厚比大于1.5和面积比大于0.66参考原则，获得各BGA的最佳钢网厚度，如表3所示。考虑钢网对焊膏印刷脱模效果、预制焊膏体积、焊点质量等的影响，确定以0.13 mm厚的钢网进行后续试验。

  鉴于D4~D7 编号的BGA为小球径器件，其钢网开孔较小，焊膏印刷质量不易保证，为了更好的提高焊膏印刷质量的稳定性，增加对PCBA焊膏印刷后的SPI检测功能，避免焊膏印刷缺陷。

  针对试验制作测温板，测试回流焊曲线。初始回流焊曲线测试根据结果得出，回流焊接时温度在以上时间仅左右，不足以使无铅获得良好焊点，因而须对初始回流焊曲线进行修正、优化，经迭代试验，获得图所示回流焊曲线，从图可见，有铅的回流焊峰值达到，无铅焊接峰值温度、峰值以上时间约左右，理论上应能获得良好的混装焊点质量。

  采用图5所示回流曲线组装BGA，并对BGA焊点进行仔细的检测，结果如图6所示，从焊点形貌看，无铅BGA焊点坍塌明显、焊点没有分层缺陷、焊点内空洞在合理范围内，焊点X-Ray形貌也均匀一致，因此，初步判定优化后的BGA回流焊曲线能够完全满足试验PCBA的BGA焊接质量要求。

  为从机理上分析BGA焊点可靠性，选取试验PCBA上有代表性的无铅BGA（D1）和有铅BGA（D2）进行金相切片分析。切片获得的金相焊点形貌如图7和图8所示。

  由图可见，无铅焊点焊球坍塌明显，焊膏、焊球充分地融为一体，但焊盘尺寸偏大导致焊点宽高比偏大。从图中无铅焊点的成份可见，焊膏中元素已扩散至焊点中间部位，器件侧的界面也有微量元素存在，说明无铅的混装焊点熔融充分。

  同时，从图中无铅焊点在侧的界面成份可见，焊点在侧的界面形成了和的化合物，和两元素的成份比接近化合物；同时，从界面形貌可见，化合物呈扇贝状，且化合物的厚度最小值，最大值，处于～的合理厚度范围内。

  由图可见，有铅焊盘设计过大，加之回流焊温度高，使焊球过度坍塌、宽高比过大；从图中有铅焊点的界面成份可见，焊点在侧的界面形成了化合物，但从界面形貌可见，化合物层厚度最大值达到了；而侧的器件阻焊膜已嵌入焊点处形成应力集中点，形成了可靠性隐患。

  综合金相切片及界面EDS分析结果可见，无铅BGA焊点可靠性良好，而有铅BGA焊点存在可靠性隐患。

  采取对无可焊性的BGA重新植球处理、焊膏印刷质量SPI检测控制、回流焊曲线优化等改善措施后，组装10个PCBA进行单板性能测试和随整机的高低温、振动等试验，产品各项性能指标均合格，试验组件的一次组装合格率达到100%，说明试验PCBA原来一次组装合格率低的问题原因定位准确，采取的改善措施有效。

  本文对航空电子科技类产品上某合格率低的复杂PCBA上多种BGA混装的焊接工艺进行了改进试验，通过一系列分析原因、工艺试验和验证，获得以下结论：

  进口BGA可焊性不良是导致其焊接缺陷的最终的原因。组装前对BGA的可焊性进行仔细的检测，尤其是可焊性更易出问题的小球径BGA，并对可焊性不良的BGA采取重新植球、或更换合格BGA的措施是保证BGA焊接质量的前提条件。

  无铅BGA、有铅BGA共存于同一PCBA上的混装工艺，在确保无铅BGA获得良好焊点的情况下，有铅BGA的焊球会过度坍塌、阻焊膜嵌入焊点内，焊点的长期可靠性存在风险。

  通过采取对无可焊性BGA重新植球、增加SPI焊膏印刷质量检验、优化混装BGA回流焊工艺曲线的工艺改进措施后，组件的合格率从80%提升到99%以上，改进措施可行、有效。