黃穎卓，練濱浩，林鵬榮，田玲娟

（北京時(shí)代民芯科技有限公司，北京 100076）

1 引言

陶瓷球柵陣列封裝（Ceramic Ball Grid Array，CBGA）是一種高密度、面陣排布的表面貼裝封裝形式，通過(guò)陶瓷外殼上的焊球作為電路I/O端與印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）的連接。由于其具有高互連密度、優(yōu)異的熱性能和電性能，同時(shí)氣密性好、抗?jié)駳庑阅芨?，因而封裝后的電路長(zhǎng)期可靠性高，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

技術(shù)成熟度（Technoogy Readiness Levels，TRL）是在20世紀(jì)70年代由美國(guó)NASA提出的。2003年美國(guó)國(guó)防部頒布了技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)手冊(cè)，主要針對(duì)應(yīng)用新技術(shù)研制的新產(chǎn)品，強(qiáng)調(diào)從技術(shù)開發(fā)到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過(guò)程中的新技術(shù)應(yīng)用的完備性及其驗(yàn)證的充分性兩個(gè)方面，并以技術(shù)成熟度等級(jí)加以度量[1～2]。我國(guó)航天領(lǐng)域產(chǎn)品成熟度的研究始于2003年，主要為適應(yīng)航天科研生產(chǎn)由單件研制向小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)型這一新的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)航天產(chǎn)品研制品種多、狀態(tài)多、研制隊(duì)伍相對(duì)分散、老產(chǎn)品質(zhì)量問題多、產(chǎn)品創(chuàng)新能力相對(duì)不足等問題而開展的。從產(chǎn)品的全生命周期分析，決定產(chǎn)品成熟度的內(nèi)部特性主要包括三個(gè)方面：即設(shè)計(jì)、制造工藝及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過(guò)程質(zhì)量控制（簡(jiǎn)稱“過(guò)程控制”）。從系統(tǒng)工程理論和方法分析，產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中這三方面是密切相關(guān)的[3]。

在對(duì)CBGA256電路進(jìn)行批生產(chǎn)的植球工藝過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)在焊膏印刷后和電路回流焊后，助焊劑在陶瓷外殼上的鋪展具有局部特殊性，如圖1所示。

圖1 同一只電路焊膏印刷后和回流焊后外貌圖

從圖1中，我們可以看出在陶瓷外殼表面一個(gè)有規(guī)律性的圓形路徑上，助焊劑是不浸潤(rùn)的，形成一個(gè)“助焊劑不浸潤(rùn)帶”。電路回流焊后，該“助焊劑不浸潤(rùn)帶”依然存在。通過(guò)對(duì)回流焊后的產(chǎn)品仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，該“助焊劑不浸潤(rùn)帶”會(huì)使其附近區(qū)域的助焊劑發(fā)生偏聚的現(xiàn)象，導(dǎo)致局部焊球位置發(fā)生明顯的偏移，影響產(chǎn)品焊球的位置度。如圖2所示。

本文主要通過(guò)對(duì)陶瓷外殼質(zhì)量、焊膏印刷工藝和回流焊工藝三個(gè)方面研究其對(duì)回流焊后焊球位置度的影響，結(jié)合焊球共面性檢測(cè)和焊點(diǎn)處空洞的檢測(cè)研究其對(duì)CBGA產(chǎn)品質(zhì)量一致性和可靠性的影響。通過(guò)改進(jìn)CBGA植球工藝，減小由于助焊劑局部偏聚而引起的焊球位置偏移，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性，提升CBGA植球工藝技術(shù)的成熟度。

圖2 回流焊后局部焊球位置偏歪

2 陶瓷外殼質(zhì)量對(duì)焊球位置度的影響

在同一批次陶瓷外殼中隨機(jī)抽取5只CBGA256外殼，使用影像測(cè)量設(shè)備利用光學(xué)聚焦的方式對(duì)植球前陶瓷外殼上各焊盤的圓心位置進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)設(shè)定的圓心基準(zhǔn)值計(jì)算其焊盤的位置度。植球完成后再對(duì)各焊球的位置度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 CBGA256產(chǎn)品植球前后最大位置度偏差對(duì)比圖

由圖3可以看出，植球后焊球的位置度與植球前焊盤的位置度有一定的相關(guān)性，且植球后焊球位置度的最大偏離值相比植球前有一定的減小。這主要是因?yàn)樵诨亓骱高^(guò)程中，焊球底部焊膏完全熔化，將焊球和焊盤焊接在一起，在焊膏融化后的回復(fù)力作用下，偏離的焊球也會(huì)在一定程度上回復(fù)到焊盤的位置，最終焊球在焊膏回復(fù)力、助焊劑的吸附力以及其他因素影響下處于一個(gè)平衡的位置上，回流焊后焊點(diǎn)處的外貌圖如圖4所示。

圖4 CBGA256產(chǎn)品回流焊后焊點(diǎn)外貌圖

從以上研究結(jié)果可以看出，陶瓷外殼焊盤的位置度對(duì)回流焊后焊球的位置度有較大的影響。要提高CBGA產(chǎn)品焊球位置度的一致性首先是要確保陶瓷外殼焊盤位置度的一致性。因此，必須將陶瓷外殼的位置度檢測(cè)納入原材料入庫(kù)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過(guò)位置度檢測(cè)對(duì)陶瓷外殼進(jìn)行嚴(yán)格篩選，從而保證陶瓷外殼本體的位置度滿足CBGA植球質(zhì)量要求。

3 焊膏印刷工藝對(duì)焊球位置度的影響

根據(jù)CBGA植球工藝的實(shí)際情況，分別通過(guò)改變印刷網(wǎng)孔的形狀和優(yōu)化工藝來(lái)研究焊膏印刷工藝對(duì)焊球位置度的影響。實(shí)驗(yàn)分組如表1所示。

表1 改變焊膏印刷工藝對(duì)焊球位置度影響的實(shí)驗(yàn)分組情況表

每組實(shí)驗(yàn)的樣品選用同一批次的陶瓷外殼各3只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，回流焊溫度曲線均相同。清洗完成后對(duì)其進(jìn)行焊球位置度的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，使用圓形網(wǎng)孔進(jìn)行焊膏印刷，回流焊后焊球位置度的最大偏差為278.38 μm，位置度較好。但其標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，為106.76。因此采用此種焊膏印刷工藝后焊球位置度的一致性較差，如圖2所示，局部焊球受助焊劑偏聚的影響，位置度偏差較大。采用菱形和方形網(wǎng)孔印刷焊膏后，焊球位置度的最大偏差增大一些，但其一致性較為改善。如圖6所示為使用菱形和方形網(wǎng)孔進(jìn)行焊膏印刷后焊球位置度的情況，焊球由于助焊劑的聚集而引起位置偏差的現(xiàn)象較少。而在優(yōu)化工藝后，使用圓形網(wǎng)孔進(jìn)行焊膏的印刷，回流焊后焊球的位置度最好，位置度最大偏差的平均值為200 μm，且一致性較好，標(biāo)準(zhǔn)偏差為65.16。圖7為優(yōu)化工藝后焊球回流焊的形貌，從圖中可以看出助焊劑分布較為均勻，在“助焊劑不浸潤(rùn)帶”附近未出現(xiàn)助焊劑偏聚的現(xiàn)象。

由此可以看出，在焊膏印刷工藝中，優(yōu)化后的工藝可以顯著提高焊球回流焊后的位置度，進(jìn)而提高CBGA產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。其主要原因是在優(yōu)化的工藝過(guò)程中，焊膏中的部分助焊劑被加熱揮發(fā)到空氣中，致使焊膏內(nèi)殘留的助焊劑變少。從而在回流焊的過(guò)程中，減少了由于助焊劑偏聚而引起焊球位置發(fā)生偏移的情況，提高了焊球位置度的一致性。

圖5 不同印刷工藝條件下焊球的位置度和共面性

通過(guò)對(duì)不同印刷工藝的樣品進(jìn)行焊球共面性檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從中可以看出，雖然使用了不同的焊膏印刷工藝，但焊球的共面性變化不大，且遠(yuǎn)低于焊球共面性＜150 μm的標(biāo)準(zhǔn)。回流焊后焊球的高度主要由焊球本身的直徑和焊膏量決定。雖然選用了不同形狀的網(wǎng)孔進(jìn)行焊膏印刷工藝，但其印刷的焊膏量是大致相同的，大致為0.14 mm3，因此焊膏回流焊后對(duì)焊球高度的影響是大致相同的，所以回流焊后不同的印刷工藝其焊球回流焊后的共面性變化不大。

圖6 使用不同網(wǎng)孔進(jìn)行焊膏印刷后焊球回流焊后的形貌

圖7 優(yōu)化工藝后焊球回流焊后的形貌

為了檢查其焊點(diǎn)的可靠性，對(duì)不同印刷工藝的樣品進(jìn)行X射線檢測(cè)，如圖8所示。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不同印刷工藝植球樣品焊點(diǎn)處的空洞率變化不大，符合對(duì)CBGA產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的要求。由此可以看出，在保證印刷焊膏量一定的條件下，改變焊膏印刷的形狀和優(yōu)化工藝，不會(huì)對(duì)焊點(diǎn)處的空洞造成較大的影響，從而可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

圖8 不同焊膏印刷工藝條件下樣品中部焊點(diǎn)的X射線照片

從以上研究結(jié)果可以看出，通過(guò)優(yōu)化的工藝可以有效提高CBGA產(chǎn)品焊球位置度的一致性，同時(shí)也保證了焊球的共面性和焊點(diǎn)處的空洞率符合對(duì)產(chǎn)品高質(zhì)量和高可靠性的要求。因此，在CBGA產(chǎn)品植球過(guò)程中，可以通過(guò)優(yōu)化后的工藝改善CBGA產(chǎn)品的位置度，從而提高CBGA植球工藝的成熟度。

4 回流焊工藝對(duì)焊球位置度的影響

因?yàn)榫植亢盖蛭恢枚容^差的問題主要是由助焊劑偏聚引起的，所以在研究回流焊工藝對(duì)焊球位置度的影響時(shí)主要通過(guò)改變回流焊的溫度曲線，延長(zhǎng)助焊劑活化階段的時(shí)間，使偏聚的助焊劑在較長(zhǎng)的活化時(shí)間里盡可能揮發(fā)掉，從而改善局部焊球位置偏歪的現(xiàn)象。分別使用如圖9所示的3個(gè)回流焊溫度曲線來(lái)進(jìn)行研究。

圖9 不同回流焊工藝所使用的回流焊溫度曲線

如圖10中所示，經(jīng)過(guò)對(duì)不同回流焊工藝的CBGA樣品進(jìn)行位置度檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)隨著回流焊溫度曲線中助焊劑活化時(shí)間的增加，焊球位置度的最大偏差值逐漸變小。位置度的一致性有略微的提高。其主要是因?yàn)樵黾恿嘶亓骱高^(guò)程中助焊劑的活化時(shí)間，在一定程度上增加了助焊劑的揮發(fā)，致使由于助焊劑偏聚造成的焊球位置偏歪的問題減輕。但其活化時(shí)間增加有限，所以與優(yōu)化工藝對(duì)助焊劑揮發(fā)的效果來(lái)看，此種方法效果不明顯。

通過(guò)對(duì)不同回流焊工藝條件下CBGA樣品進(jìn)行焊球共面性檢測(cè)，我們發(fā)現(xiàn)隨著回流焊溫度曲線中活化區(qū)時(shí)間的增加，其回流焊后焊球的共面性略微增大，產(chǎn)品的共面性略微變差（如圖10所示）。

如圖11所示，通過(guò)X射線對(duì)不同回流焊工藝條件下電路中部焊點(diǎn)進(jìn)行檢查，我們發(fā)現(xiàn)隨著回流焊溫度曲線中活化區(qū)時(shí)間的增加，其焊點(diǎn)處的空洞顯著增多，空洞率在逐漸變大。其主要是因?yàn)殡S著助焊劑活化時(shí)間的增加，其助焊劑的活化作用越明顯，在其去除焊料和焊球表面氧化物以及本身?yè)]發(fā)的過(guò)程中產(chǎn)生的氣體也越多，從而導(dǎo)致殘留在焊點(diǎn)處的氣孔較多。因此增加回流焊工藝過(guò)程中的活化時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性會(huì)有不良的影響。

圖10 不同回流焊工藝條件下焊球的位置度和共面性

從以上研究結(jié)果可以看出，通過(guò)增加回流焊工藝中助焊劑的活化時(shí)間可在一定程度上提高CBGA產(chǎn)品焊球位置度的一致性，但是其會(huì)增加焊點(diǎn)處的空洞率，降低產(chǎn)品的高可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，陶瓷外殼的質(zhì)量、焊膏印刷工藝和回流焊工藝都會(huì)對(duì)CBGA產(chǎn)品焊球的位置度產(chǎn)生影響，綜合考慮對(duì)CBGA產(chǎn)品一致性和可靠性的要求，提升CBGA植球工藝的成熟度，主要有以下三個(gè)途徑：

（1）在陶瓷外殼的設(shè)計(jì)上，嚴(yán)格要求其焊盤位置度的標(biāo)準(zhǔn)公差。

（2）在陶瓷外殼入庫(kù)的檢驗(yàn)上，嚴(yán)格控制檢驗(yàn)流程，依照檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每批次陶瓷外殼進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除不合格品。

圖11 不同回流焊工藝條件下樣品中部焊點(diǎn)的X射線照片

（3）在CBGA植球工藝流程中，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，嚴(yán)格控制該工序的工藝參數(shù)（例如溫度和時(shí)間）和操作的具體要求（例如氮?dú)獗Ｗo(hù)）。

通過(guò)以上3個(gè)途徑的實(shí)施，可以顯著提高CBGA產(chǎn)品批量生產(chǎn)過(guò)程中CBGA產(chǎn)品的一致性、穩(wěn)定性和可靠性，提升CBGA植球工藝的成熟度。

[1] Offic of the chief engineer. NASA Program and Project Management Processes and Requirements[R]. 2007.

[2] Department of Defense. Technology Readiness Assessment Deskbook[R]. 2005.

[3] 袁家軍. 航天產(chǎn)品成熟度研究[J]. 航天器工程，2011，20: 1-7.