LGA封装模块焊接后锡球改善方法

电信科学技术仪表研究所有限公司:王琳涛/吴金娜

北京航星科技有限公司:熊京宁

随着电子封装行业的不断发展,大功率、高集成度、微型化、高可靠性的LGA器件(栅格阵列)在高可靠性产品中得到越来越多的应用。LGA器件与PCB引出路径短,电信号传递快,电性能更好,另外,焊接高度的降低有利于组装的高密度化,同时避免了传统器件由于引脚共面性问题而引起的虚焊等焊接不良的现象,提高了成品率,为器件的运输也提供了方便,以上种种优点使得LGA封装器件应用于各种电子产品中。

采用丝印、贴装和回流工艺焊接，较BGA及其它封装的器件，LGA器件焊接后的焊点支撑高度很低，即低Stand-off。过低的焊点支撑高度导致焊接过程中助焊剂挥发很难从锡膏中排出,助焊剂残留形成空洞的机率增大，并且造成清洗困难，这些降低了焊点导热性能和机械强度等,严重影响电子产品的可靠性。考量器件重量与焊盘设计的关系，甚至会产生锡球缺陷影响电气信号。

某模块焊盘设计为LGA封装，模块有两种，一种为模块本体有外壳封闭且内部未做胶填充(图1)，另一种直接是模块本体，无外壳(图2)，其他设计无区别。两种模块底部焊盘为LGA封装设计(图3)，PCB焊盘设计(图4)。

某产品钢网设计厚度0.15mm，焊盘开孔面积80%缩孔处理，焊接完成X-ray检验，模块底部，焊盘外有较多的锡球存在(图5)。

本文主要针对LGA封装模块焊接后出现锡球的情况做了不同的试验， 总结了消除锡球的方法及PCB板或模块的改进设想。

根据X-ray照片判断，焊点空洞较大，且焊点周围有较多的锡球存在，首先怀疑锡球是由于空洞将锡膏挤出，形成的锡球，但发现模块有轻微的弓形(模块两短边上翘)，10个焊点饱满，根据焊点状态有针对性的钢网开孔，减弱模块变形导致锡球的影响，将10个焊盘分成三个区域(见下图)。根据以上问题缺陷，钢网的开孔尺寸进行调整。

四种方案回流后，模块底部a区域焊锡量有的偏少，但其焊点周围有锡球存在(见下图)，b区域锡量饱满，且有锡球，炉后仔细观察发现模块两端还是有轻微上翘变形。

根据以上试验结果，焊点周围锡球解决的前提，首先是解决模块变形问题，规避变形模块中间受力较大导致的锡球。查阅模块规格书，模块湿敏等级Level3。参照《IPC/JEDECJ-STD-033C标准》见下表，并结合我单位《湿敏器件烘干规程》，焊接前将模块125℃，6小时高温烘烤，并钢网开孔A区域缩边0.3mm，B区域缩边0.7mm，C区域缩边0.5mm，回流焊接后，模块变形消失，但模块底部仍存在锡球，根据以上数据推断，并非锡膏多和模块变形压迫导致锡球产生。

剩下的验证方向就是焊点表面张力不足支撑模块重力，即模块较重将锡膏挤出，形成锡球。

怀疑锡球产生的原因:①发生在焊接预热区，锡膏受热塌陷，再受到模块的挤压，锡膏被压出焊盘，回流焊接时锡膏无法聚集在一起，导致锡球产生;②发生在回流区,熔融锡膏表面张力无法承受模块重量，形成锡球。

试验①:首先调整回流炉风速，将回流风速调整为低风速回流，回流焊接后，模块底部仍存在锡球。

试验②:将锡膏替换成锡丝，将锡丝切成距离相等的小段，并盘成圆环形，放在模块焊盘和 PCB焊盘之间，目的使用焊锡丝将模块撑起，避免回流焊时挤压出锡球，回流焊接后，模块底部的锡球消失了。

试验③:将锡膏印刷到模块焊盘或PCB焊盘，回流熔化锡膏后，再将模块和 PCB通过焊料重熔焊接，锡球消失。再一次验证锡球产生的原因是由于模块较重，塌陷的锡膏重聚受阻。

结论:通过以上试验证明锡球产生的原因是由于锡膏预热区塌陷并受到模块挤压出焊盘，熔融锡膏无法重聚导致锡球。

考虑方案的可操作性和实用性，衡量产品后期可靠性，采用在模块焊盘刮锡膏。模块上有较重电感，模块倒置回流会有掉落的风险，需要有支撑确保电感不掉落。有外壳模块内部未做胶填充且无法直接支撑电感，所以需要调整合适的温度，并且回流时壳体对热风有一定的阻挡和隔热作用，确保锡膏熔化但电感焊点不熔化。模块焊盘较大，对印刷精度不会有严格的要求，可以通过模具,将模块平稳的放在托盘中,对电感支撑并实现钢网批量印刷模块（图8、图9)。通过模具回流焊接，焊点熔化并凝固（图10)，模块与PCB组装焊接时，涂抹膏状助焊剂进行焊接，X-ray检验，锡球消失（图11)，空洞率约15%（右图)。

由于过大的空洞会造成短期的产品失效或长期的可靠性风险。模块刮膏回流后，再次组装焊接时，清洗残留助焊剂，防止助焊剂残留在焊点中形成空洞，焊点空洞变小，约11.3%。

对比前后试验结果:

至此，此模块焊接锡球改善有了初步的成果，深入思考，模块二次回流可能会降低模块的可靠性，又该如何避免模块二次回流呢?

焊盘设计可分为两类:NSMD (Non Solder Mask Defined）和 SMD (Solder MaskDefined)。分别有如下所示相应特点，应根据其应用的用途来设定类型。

NSMD型的特点:

·由于焊接强度高于SMD型，温度循环的寿命也比 SMD 型长。

·容易由于机械应力而发生焊盘的剥离或者与焊盘连接的配线颈部断线。

SMD型的特点:

·由于焊接强度低于 NSMD 型，温度循环的寿命也比NSMD型短。

·不易由于机械应力而发生焊盘的剥离或者与焊盘连接的配线颈部断线。

【注】上述显示的特点适用于当封装的安装焊盘尺寸和印刷电路板侧的安装焊盘尺寸相同的情况。

当器件受外力时高Stand-off可以减轻应力直接传至器件的影响，有较高的可靠性,所以LGA封装焊接需要高Stand-off。同等锡膏量时，SMD型焊后有较高的Stand-off（见右图)，反过来可以认为当高度相同的Stand-off时, SMD焊盘的设计有较小的焊膏量即可。

凌特公司 LTC4600系列产品,提供了三种焊盘设计，分别是SMD(图12)、NSMD（图 13）和 SMD+NSMD的混合式(图14),其实此类物料的焊盘设计是有侧重的，其中SMD式标注RECOMMENDED PCB PAD LAYOAT。凌特公司推荐在无其他因素时优先使用SMD焊盘的设计。

这将导致钢网开口的多样化，如低空洞的锡膏图形或架桥0.2mm(见下图)(当锡膏具有低空洞特点时可不考虑)，这样设计既能保证高Stand-off 又可以用较小的锡膏量防止空洞的产生。

仔细观察 PCB 和模块焊盘设计，PCB焊盘设计采用SMD型(图15)，模块部分焊盘中部分边为NSMD型(图16)。锡膏预热阶段受到模块挤压,SMD型焊盘设计使挤出的锡膏无法在焊盘侧面固定，只能流动到焊盘外。再结合SMD型和 NSMD型焊盘设计，完全采用其中一种，锡球问题不一定能够解决，但指引了我们解决此种问题的方向。

思考1:PCB板的模块封装范围内，焊盘之外部分涂覆一层白油（下图阴影区域),以增加Stand-off.PCB板厂印刷白油通常采用36T网和43T网,白油厚度分别为20-35um和 15-20um，或可以增加白油厚度，并考虑钢网厚度和锡膏中金属含量体积比，锡膏融化后实际焊点高度，目的使模块焊接时被白油支撑，避免锡膏被挤出，但需要重新设计钢网开孔尺寸。

思考2:物料或PCB四角点红胶，红胶在预热区时凝固支撑模块，避免锡膏被挤出,但红胶量需控制得当，避免虚焊发生。

参考文献：

[1]《基于某国产化芯片的焊接方法研究》作者:刘丙金；李旭珍；张明杰；邓继军；李龙

[2]《喷印工艺的LGA焊点缺陷的类型与原因》作者:吕俊杰

[3]《半导体封装安装手册》瑞萨电子。

[4]《IPC/JEDECJ-STD-033C》MSD干燥处理标准

[5]《LGA封装器件焊接工艺技术研究》作者:徐婷婷(导师:季福坤;张红秀)