摘要:针对使用有铅焊料焊接无铅BGA的实际现状，通过调控有铅制程回流曲线的峰值温度，研究其对混装BGA焊点坍塌高度、空洞率及微观组织的影响。结果表明，峰值温度从210℃提升至225℃，无铅BGA焊球能够全部充分坍塌且高度保持一致;峰值温度为210℃时，混合焊点内的空洞率最低，随着峰值温度的升高，空洞尺寸和空洞率均有所增加; 峰值温度为 215 ℃时的微观组织最细小且尺寸分布最均匀，继续提升峰值温度，微观组织尺寸会随之增大。因此使用有铅焊料焊接无铅 BGA 的最佳峰值温度为 215 ℃，与有铅制程保持一致。
传统的锡铅(Sn63Pb37)共晶合金由于其低熔点、低成本及良好的润湿性而广泛应用于电子装联。但金属铅是一种有毒物质，污染环境的同时还会危及人身健康，因此为确保环境及人身安全，日本、欧盟等相继立法要求电子产品无铅化。我国自2007年3月1日起开始逐渐推进禁止或限制铅等六种有害物质的使用，但在彻底实现无铅化前，有铅－无铅混装仍普遍存在，特别是在禁限用指令中享有豁免权的军工、航天和医疗等高可靠性电子领域。在众多已开发的无铅焊料中，SnAgCu合金被认为是SnPb共晶合金的最佳替代者，并已广泛应用于电子产品上，常见的就是以焊球的方式应用于球栅阵列封装(BGA)中。
使用有铅焊膏焊接无铅器件势必引入回流曲线峰值温度如何设置的问题，研究表明，为了实现焊料与焊盘间形成冶金结合，回流焊的峰值温度一般需高于焊料熔点30～40℃，针对锡铅共晶合金的有铅回流曲线峰值温度一般为215℃左右，远低于SnAgCu合金焊接过程所需的最低峰值温度230℃，由此可见，为兼顾两种焊料的温度特性，有铅－无铅混装的工艺窗口变小，难度较大。因此本文采用有铅焊料焊接无铅BGA器件，通过调控有铅制程回流曲线的峰值温度，研究其对无铅BGA混装焊点的影响。
关键词：球棚阵列封装；峰值温度；混装焊点；坍塌高度；微观组织；空洞
1、实验
1.1 回流曲线设置
为研究有铅制程回流曲线的峰值温度对混装BGA的影响，设计如表1所示的对比试验，4条回流曲线在预热区和保温区具有一致的升温速率和温度分布，通过调节峰值温度停留时间以使液相时间尽量接近，实际测量的峰值温度分别为211.0，215.5，221.0和226.0℃，相应的液相时间分别为77，81，88和76s，均满足有铅制程对回流曲线参数的要求，具体如图1所示。
序号
峰值温度(℃)
设置峰值 停留时间(s)
实测液相
时间(s)
设置值
实测值
1
210
211.0
25
77
2
215
215.0
22
81
3
220
221.0
20
88
4
225
226.0
15
76
表1 混装BGA 回流曲线参数表
图1 混装BGA 回流焊接实测曲线
1.2 实验样品
所用PBGA的焊球成分为Sn96.5Ag3Cu0.5(SAC305)，标称熔点为217℃，焊球直径为0.6mm，间距为1.0mm;焊膏为铟泰公司的SMQ92J型Sn63Pb37共晶免清洗焊膏，其中固体质量分数为90%(体积分数为50%);实验用印制板焊盘直径为0.48mm，焊盘表面采用热风整平锡铅工艺;印膏用钢网使用激光加工，与印制板焊盘尺寸按1∶1开孔，钢网厚度为0.12mm。
1.3 实验方法
回流设备为德国EＲSAIＲ650型暗红外返修工作站;X光检测设备为美国GE公司的Phoenixmicromelx型X光机;焊点形貌使用基恩士三维超景深观测系统进行拍摄;焊点金相组织使用上海光学仪器一厂的10XB－PC型金相显微镜进行记录。
2、结果与分析
2.1 焊点剖面检测结果
图2所示为不同峰值温度下所得BGA焊点的剖面图片，4种峰值温度下的焊球坍塌高度一致，回流焊后的焊点高度全部约为0.44mm;焊点呈现典型的“腰鼓”状形貌，焊点边界圆滑清晰;焊点与BGA器件本体侧和印制板侧焊盘间的润湿结合良好，即使峰值温度为211℃时，焊球与焊料间也未观察到分层现象，说明熔点为183℃的SnPb共晶焊料已经与熔点为217℃的SAC305无铅焊球熔融为一体。
(a)210℃;(b)215℃;(c)220℃;(d)225℃; 图2 不同峰值温度下的BGA 焊点剖面图片
2.2 焊点X－ray检测结果
使用X光检测设备对回流焊后的BGA焊点进行检查，结果如图3所示。4种峰值温度下的BGA焊点大小均匀一致，且可明显观察到焊点与BGA本体侧和印制板侧焊盘润湿结合而形成的双“鸭蛋圆”形貌，焊点间零星的黑色阴影是由印制板生产过程中过孔内的杂质引入的。峰值温度为210℃时所得焊点内部分布有零散的小空洞，经计算空洞率约为8%，满足GJB4907中空洞应不大于焊点体积的15%和IPC7095B内空洞面积需小于阴影面积的35%或空洞直径不能大于阴影直径50%的标准要求。
a)210℃; (b)215℃;(c)220℃; (d)225℃ 图3 不同峰值温度下BGA 焊点X光图片
随着峰值温度的增加，BGA焊球内的空洞面积和比例均有增加的趋势，峰值温度为215，220和225℃时的空洞率分别为14%，19%和32%，虽然空洞面积比合格，但峰值温度为225℃时的最大空洞直径已超出焊点阴影直径的50%。这可能是由于随着峰值温度的升高，回流曲线的预热区和保温区的温度都会随之增加，导致达到焊膏熔点的时间减少，进而使得气体的逸放时间缩短，焊膏熔融后这些未及时逸散的气体即形成气泡和空洞。较高峰值温度下空洞尺寸增加的另外一个可能原因是温度对气体压力的影响，根据克拉伯龙方程:
PV=nRT (1)
式中:P为气体压强;V为气体体积;n为物质的量;T为热力学温度;Ｒ为气体常数。即在相同体积条件下，等量气体产生的压强与气体的温度呈正比，因此为维持气泡与焊料表面张力间的平衡，较高峰值温度下气泡的体积会随之增大，以保持气泡向焊料产生的压强不变。
(a)210℃; (b)215℃; (c)220℃; (d)225℃; 图4 不同峰值温度下BGA 焊点X光图片
2.3 微观组织形貌检测结果
图4所示为4种峰值温度下所得BGA混合焊点在金相显微镜下的微观组织形貌。当峰值温度为210℃时，焊点微观组织较为粗大且尺寸分布较宽;提升峰值温度至215℃，焊点内的微观组织变得细小的同时，微观组织尺寸分布也越均匀，说明铅元素在回流过程中已经充分扩散进入SAC无铅焊球内部;分别将峰值温度调整为220℃和225℃，微观组织尺寸分布虽然较为均匀，但微观组织较215℃所得焊点的尺寸偏大，这可能是由于峰值温度升高导致微观组织持续长大的缘故。回流焊峰值温度低于217℃时，SAC305无铅焊球不会融化，但随着熔融的共晶焊料与无铅焊球间的润湿结合，两者之间互相会发生元素扩散，特别是铅向SnAgCu焊球内的扩散会降低焊球的熔点，在WAg＜3.5%、WCu＜0.7%和WPb＜38%的条件下，混合焊点的熔点可通过下述公式进行估算:
T=232-31WAg-7.9WCu-1.3Wbp (℃) (2)
式中:232为纯锡的熔点;WAg、WCu和WPb为三种元素在焊点内的质量分数。
单个直径为0.6mmSnAgCu焊球的质量约为8.3353×10-4g，直径为0.48mm、厚度为0.12mm饼状焊膏内的SnPb共晶焊料的质量约为9.1202×10-5g，经过计算，两者充分混合后的焊点熔点约为215.3℃，这与峰值温度为215℃(实测215.5℃)时所得的金相图片相吻合。且由印制板侧焊盘向器件本体侧焊盘方向，铅元素充分扩散前的浓度会逐渐降低，距离印制板焊盘越近，混合焊点的熔点越低，因此210℃的峰值温度也可实现有铅焊料与SAC305无铅焊球的部分融合，但不足以使得混合焊点充分熔融，元素扩散不均匀导致微观组织尺寸偏大且粒径分布变宽。
(a) 焊点金相及
（b) X光图片 图5、峰值温度215℃,液相时间50s的
保持回流曲线峰值温度为215℃不变，缩短液相时间至50s所得BGA混合焊点的金相及X光检测结果如图5所示。由X光图可知，混合焊点内的空洞率符合标准要求，且无虚焊、冷焊等焊接缺陷。混合焊点的微观组织尺寸分布均匀，但尺寸较液相时间为81s所得的焊点偏大，这是由于液相时间缩短后，元素在焊点内的扩散不充分所致。
3、结论
有铅制程回流曲线峰值温度对混装BGA焊点的坍塌高度无影响，但对空洞率和微观组织形貌存在显著影响。虽然在四种峰值温度下，无铅BGA焊球能够充分坍塌且高度保持一致;但在实验条件下，峰值温度越低，混合焊点内的空洞率越低且空洞面积越小;峰值温度为215℃时的混合焊点的微观组织最细小且尺寸分布均匀，在此基础上降低和升高峰值温度，微观组织尺寸均会增大。因此，使用有铅制程回流曲线焊接无铅BGA是可行的，只需在有铅回流曲线峰值温度的前提下，适当控制液相停留时间，即可保证有铅－无铅混装BGA焊点的可靠性。
