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[摘 要]文章简要介绍了无铅器件焊接工艺的特点，结合工作经验，针对目前应用比较广泛的特殊封装（BGA封装）无铅器件的回流焊接进行了工艺设计，对元器件的封裝特点、印制板焊盘设计要求、丝印网板设计要求、焊接工艺要求做了详细分析介绍。
[关键词]无铅器件 BGA 焊接工艺
中图分类号：G96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）22-0072-01
1 概述
传统的有铅器件在电子装联中已经使用了近一个世纪，工艺十分成熟。但是铅元素是作为重金属，是一种有毒物质，会严重污染人类的生活环境，一旦被人体吸收，将影响人体健康。所以，逐步利用无铅器件取代有铅元器件已成为社会发展的必然。为了保证无铅器件的焊接可靠性，解决无铅元器件在有铅工艺条件下的焊接可靠性问题，是目前工艺焊接技术研究的重点。
2 无铅工艺特点
2.1 无铅焊接工艺技术特点
无铅器件引脚镀层主要成分有Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag等，这些合金焊接的熔点叫有铅器件（锡铅焊料）高出很多。无铅器件镀层不同熔点也不同，且回流焊接峰值温度也不同。由于无铅焊接比有铅熔点高出很多，温度越高升温越困难，如果升温速度提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中的助焊剂提前结束活化反应，严重时会使PCB焊盘、元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。
无铅焊接的特点；
（1）熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀；要求助焊剂耐高温。
（2）无铅焊接的工艺窗口比有铅焊接小，要求PCB表面温度均匀，要求焊接设备横向温度均匀。
（3）无铅焊点浸润性差，扩展性差，要求助焊剂活性高，修改模板开口设计，提高印刷、贴装精度。
（4）无铅焊点外观粗糙，并且无铅焊点中气孔较多。
因此，无铅焊接工艺的导入，由于材料特性上的改变，从而带来了工艺参数上的调整。
2.2 无铅焊接工艺要求
焊接工艺的主要要求有三点：
（1）形成可靠的焊点，实现优良的机械和电气的联接。
（2）产品合格率高，工艺稳定性好。
（3）生产效率高，有利于产品成本降低。
为了达到理想的焊接效果，必须考虑各种因素，制定切实可行的工艺措施。
3 BGA封装焊接工艺
BGA封装器件是无铅器件中广泛使用的典型器件，现以此为例进行焊接工艺技术研究。
3.1 BGA封装的特点
BGA器件的管脚不是分布在器件的周围而是分布在封装的底面。呈球状栏栅状排列其封装主要的特性点如下：
（1）I/0引线间距大，可容纳I/O数目大。
（2）封装可靠性高（不会损坏管脚），焊点缺陷率低，焊点牢靠。
（3）BGA芯片的脚间距较大，借助对中放大系统，对中与焊接都不困难。
（4）管脚水平面同一性较QFP容易保证，因为焊锡球在熔化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。
（5）回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效果，允许有15%的贴片精度误差。
（6）有较好的电特性，由于引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率性好。
3.2 PCB及焊盘设计工艺要求
3.2.1 BGA印制板工艺夹持边的要求
BGA印制板应设计有3.8mm～10mm工艺夹持边，工艺夹持边内不应有焊盘图形。
3.2.2 BGA印制板定位孔的要求
在印制板的四个角上，应至少有两个角上各设置一个定位孔，定位孔的孔径公差应保持在±0.08mm之内；同时必须要保证孔的中心与焊盘图形的精度要求，其尺寸及位置由表面安装设备来决定。
3.2.3 BGA印制板光学定位基准的的要求
光学定位基准标志一般应在印制板一面两角上或三个角上各安排一个（板级基准），在大尺寸或细间距IC焊盘图形的对角上或中心位置一个（局部标准）；光学定位基准标志必须无阻焊膜沾污，平面度在0.015mm以内，表面亮度均匀，相对于背景有较高的反差；在光学定位基准中心3R（R为基准中心）距离内不应设置其它焊盘及印制导线等的要求。
3.2.4 根据设计需要，BGA 封装器件焊盘可直接走线或通过连接盘走线，连接盘应位于四个焊盘的中心位置，用阻焊膜覆盖。
3.3 丝印网板的设计工艺要求
3.3.1 周边I/O焊盘漏孔设计
网板设计是保证形成最优最可靠焊点的第一步，BGA无铅器件网板开孔尺寸与I/O焊盘尺寸采用1：1.1的比例，无铅器件的引脚间距为1mm，网板厚度采用0.15mm.。
3.3.2 网板类型设计
采用不锈钢片激光切割法，开孔孔壁需电解抛光，开孔形状呈梯形，上小下大。电解抛光可以使开孔孔壁更光滑，减小摩擦，有利于焊锡膏脱模和成型，梯形开孔不仅有助于焊锡脱模，而且印刷后成型稳定性好，有利于保证贴片精度。
3.4 BGA组装工艺
3.4.1驱潮
由吸潮引起的微电子器件失效已经越来越多地引起人们的关注，因此，印制板、BGA器件焊前的驱潮处理是形成良好焊接的关键因素。BGA采用的驱潮温度为50℃（保持1h）→80℃（保持1h）→100℃（保持2h），自然冷却后取出，放入干燥箱内。未消除印制板上的应力，在驱潮前增加了一道温度冲击工序：将印刷板组件密封包装后，做低温-50℃（保持2h）→高温70℃（保持2h），按照先低温后高温的顺序，做三次循环试验。
3.4.2 静电防护
BGA器件在受静电损伤后，其特性会有所下降，造成潜在的失效隐患，并在某种特定的条件下最终导致器件失效，因此，BGA器件的静电防护非常重要，操作者必须带有线防静电手腕，并且BGA器件不应过早地拿出原封装，在开封、测试BGA器件时，必须在防静电工作台上进行，存、取工具也必须采取防静电镊子，组装所用的焊接设备要良好接地。
3.4.3 焊膏的选取和印刷
焊膏由金属焊料、焊剂和多种溶剂均匀混合而成。回流焊接时使用的有铅焊膏Sn62/Pb36/Ag2，该焊膏的熔点为179℃，焊剂活性属于RMA型。
3.4.4 焊接
由于BGA封装是无铅器件，加上大多情形用在高密度组装的多层PCB上，因此需要采取高精度的贴片机，满足高精度高密度的贴片要带有光学识别系统，采用视觉系统进行BGA芯片与PCB焊盘对中。焊接时需要考虑具体PCB的尺寸及元器件的密度，试验表明，PCB的热效应、元件的密度、BGA芯片在PCB板上的位置以及周边元件的大小对BGA芯片的焊接温度有影响，因此要用多通道实时温度测试仪进行测试。在这个过程中，如果PCB微量变形，都会使BGA器件一侧原来的焊接界面结构被破坏，不能形成新的界面金属间合金层，造成了BGA一侧焊球失效，因此，需要通过提高焊接温度的方法使器件一侧的焊球合金充分熔化，在焊球与器件的焊盘之间生成新的金属间化合物，形成电气与机械的良好连接。
在焊接完成之后，通过X光机检测，要求焊点无缺陷，焊点在X射线下的图像成圆形，图像边界光滑，轮廓清晰，其焊点大小均匀。
4 结束语
无铅器件使用的工艺方法和工艺条件比较复杂，不同厂家的无铅器件焊端镀层也不尽相同。要求区分无铅器件的焊端表面镀层材料、耐温、潮敏度等，在此基础上，进行相应的PCB设计、网板开口设计、回流温度设计，确定恰当的工艺方法，才能满足无铅器件焊接要求。
[关键词]无铅器件 BGA 焊接工艺
中图分类号：G96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）22-0072-01
1 概述
传统的有铅器件在电子装联中已经使用了近一个世纪，工艺十分成熟。但是铅元素是作为重金属，是一种有毒物质，会严重污染人类的生活环境，一旦被人体吸收，将影响人体健康。所以，逐步利用无铅器件取代有铅元器件已成为社会发展的必然。为了保证无铅器件的焊接可靠性，解决无铅元器件在有铅工艺条件下的焊接可靠性问题，是目前工艺焊接技术研究的重点。
2 无铅工艺特点
2.1 无铅焊接工艺技术特点
无铅器件引脚镀层主要成分有Sn、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag等，这些合金焊接的熔点叫有铅器件（锡铅焊料）高出很多。无铅器件镀层不同熔点也不同，且回流焊接峰值温度也不同。由于无铅焊接比有铅熔点高出很多，温度越高升温越困难，如果升温速度提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中的助焊剂提前结束活化反应，严重时会使PCB焊盘、元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良，因此要求助焊剂浸润区有更高的升温斜率。
无铅焊接的特点；
（1）熔点高，要求无铅焊接设备耐高温，抗腐蚀；要求助焊剂耐高温。
（2）无铅焊接的工艺窗口比有铅焊接小，要求PCB表面温度均匀，要求焊接设备横向温度均匀。
（3）无铅焊点浸润性差，扩展性差，要求助焊剂活性高，修改模板开口设计，提高印刷、贴装精度。
（4）无铅焊点外观粗糙，并且无铅焊点中气孔较多。
因此，无铅焊接工艺的导入，由于材料特性上的改变，从而带来了工艺参数上的调整。
2.2 无铅焊接工艺要求
焊接工艺的主要要求有三点：
（1）形成可靠的焊点，实现优良的机械和电气的联接。
（2）产品合格率高，工艺稳定性好。
（3）生产效率高，有利于产品成本降低。
为了达到理想的焊接效果，必须考虑各种因素，制定切实可行的工艺措施。
3 BGA封装焊接工艺
BGA封装器件是无铅器件中广泛使用的典型器件，现以此为例进行焊接工艺技术研究。
3.1 BGA封装的特点
BGA器件的管脚不是分布在器件的周围而是分布在封装的底面。呈球状栏栅状排列其封装主要的特性点如下：
（1）I/0引线间距大，可容纳I/O数目大。
（2）封装可靠性高（不会损坏管脚），焊点缺陷率低，焊点牢靠。
（3）BGA芯片的脚间距较大，借助对中放大系统，对中与焊接都不困难。
（4）管脚水平面同一性较QFP容易保证，因为焊锡球在熔化以后可以自动补偿芯片与PCB之间的平面误差。
（5）回流焊时，焊点之间的张力产生良好的自对中效果，允许有15%的贴片精度误差。
（6）有较好的电特性，由于引线短，导线的自感和导线间的互感很低，频率性好。
3.2 PCB及焊盘设计工艺要求
3.2.1 BGA印制板工艺夹持边的要求
BGA印制板应设计有3.8mm～10mm工艺夹持边，工艺夹持边内不应有焊盘图形。
3.2.2 BGA印制板定位孔的要求
在印制板的四个角上，应至少有两个角上各设置一个定位孔，定位孔的孔径公差应保持在±0.08mm之内；同时必须要保证孔的中心与焊盘图形的精度要求，其尺寸及位置由表面安装设备来决定。
3.2.3 BGA印制板光学定位基准的的要求
光学定位基准标志一般应在印制板一面两角上或三个角上各安排一个（板级基准），在大尺寸或细间距IC焊盘图形的对角上或中心位置一个（局部标准）；光学定位基准标志必须无阻焊膜沾污，平面度在0.015mm以内，表面亮度均匀，相对于背景有较高的反差；在光学定位基准中心3R（R为基准中心）距离内不应设置其它焊盘及印制导线等的要求。
3.2.4 根据设计需要，BGA 封装器件焊盘可直接走线或通过连接盘走线，连接盘应位于四个焊盘的中心位置，用阻焊膜覆盖。
3.3 丝印网板的设计工艺要求
3.3.1 周边I/O焊盘漏孔设计
网板设计是保证形成最优最可靠焊点的第一步，BGA无铅器件网板开孔尺寸与I/O焊盘尺寸采用1：1.1的比例，无铅器件的引脚间距为1mm，网板厚度采用0.15mm.。
3.3.2 网板类型设计
采用不锈钢片激光切割法，开孔孔壁需电解抛光，开孔形状呈梯形，上小下大。电解抛光可以使开孔孔壁更光滑，减小摩擦，有利于焊锡膏脱模和成型，梯形开孔不仅有助于焊锡脱模，而且印刷后成型稳定性好，有利于保证贴片精度。
3.4 BGA组装工艺
3.4.1驱潮
由吸潮引起的微电子器件失效已经越来越多地引起人们的关注，因此，印制板、BGA器件焊前的驱潮处理是形成良好焊接的关键因素。BGA采用的驱潮温度为50℃（保持1h）→80℃（保持1h）→100℃（保持2h），自然冷却后取出，放入干燥箱内。未消除印制板上的应力，在驱潮前增加了一道温度冲击工序：将印刷板组件密封包装后，做低温-50℃（保持2h）→高温70℃（保持2h），按照先低温后高温的顺序，做三次循环试验。
3.4.2 静电防护
BGA器件在受静电损伤后，其特性会有所下降，造成潜在的失效隐患，并在某种特定的条件下最终导致器件失效，因此，BGA器件的静电防护非常重要，操作者必须带有线防静电手腕，并且BGA器件不应过早地拿出原封装，在开封、测试BGA器件时，必须在防静电工作台上进行，存、取工具也必须采取防静电镊子，组装所用的焊接设备要良好接地。
3.4.3 焊膏的选取和印刷
焊膏由金属焊料、焊剂和多种溶剂均匀混合而成。回流焊接时使用的有铅焊膏Sn62/Pb36/Ag2，该焊膏的熔点为179℃，焊剂活性属于RMA型。
3.4.4 焊接
由于BGA封装是无铅器件，加上大多情形用在高密度组装的多层PCB上，因此需要采取高精度的贴片机，满足高精度高密度的贴片要带有光学识别系统，采用视觉系统进行BGA芯片与PCB焊盘对中。焊接时需要考虑具体PCB的尺寸及元器件的密度，试验表明，PCB的热效应、元件的密度、BGA芯片在PCB板上的位置以及周边元件的大小对BGA芯片的焊接温度有影响，因此要用多通道实时温度测试仪进行测试。在这个过程中，如果PCB微量变形，都会使BGA器件一侧原来的焊接界面结构被破坏，不能形成新的界面金属间合金层，造成了BGA一侧焊球失效，因此，需要通过提高焊接温度的方法使器件一侧的焊球合金充分熔化，在焊球与器件的焊盘之间生成新的金属间化合物，形成电气与机械的良好连接。
在焊接完成之后，通过X光机检测，要求焊点无缺陷，焊点在X射线下的图像成圆形，图像边界光滑，轮廓清晰，其焊点大小均匀。
4 结束语
无铅器件使用的工艺方法和工艺条件比较复杂，不同厂家的无铅器件焊端镀层也不尽相同。要求区分无铅器件的焊端表面镀层材料、耐温、潮敏度等，在此基础上，进行相应的PCB设计、网板开口设计、回流温度设计，确定恰当的工艺方法，才能满足无铅器件焊接要求。