1前言

無鉛工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但在軍事電子制造領(lǐng)域仍然采用有鉛的工藝，而元器件卻買不到有鉛的，出現(xiàn)了有鉛與無鉛共存的現(xiàn)象，目前我所有鉛/無鉛BGA器件共同裝配使用較為普遍，而由于有鉛焊球與無鉛焊球的熔點(diǎn)不相同，如采用Sn-Ag-Cu合金的無鉛BGA的焊球熔點(diǎn)較高為217℃，而Sn63-37Pb合金的有鉛BGA的焊球熔點(diǎn)為183℃，如果采用Sn63-37Pb焊料的溫度曲線，一般峰值溫度在210～230℃，假設(shè)一個(gè)PBGA的峰值溫度為220℃，再流焊時(shí)當(dāng)溫度上升到183℃時(shí)印在焊盤上的Sn-37Pb焊膏開始熔化，此時(shí)無鉛PBGA的Sn-Ag-Cu焊球還沒有熔化；當(dāng)溫度上升到220℃時(shí)，按照有鉛工藝就要開始降溫、結(jié)束焊接了，此時(shí)無鉛焊球剛剛?cè)刍m然Sn-Ag-Cu合金標(biāo)稱的熔點(diǎn)為217℃，但實(shí)際上Sn-Ag-Cu合金并不是真正的共晶合金，固相線與液相線的溫度范圍是216～220℃，因此，有鉛工藝?yán)鋮s凝固結(jié)束焊接的溫度恰好是無鉛Sn-Ag-Cu焊球剛剛?cè)刍畷r(shí)，并處于固、液相共存的漿糊狀態(tài)，焊球熔化時(shí)由于器件重力的作用焊球開始下沉，在器件下沉過程中稍有震動(dòng)或PCB微量變形，使PBGA元件一側(cè)原來的焊接界面結(jié)構(gòu)被破壞，又不能形成新的界面金屬間合金層，容易造成PBGA、一側(cè)焊點(diǎn)失效，由以上可以看出在有鉛/無鉛混合裝配過程中應(yīng)兼顧兩種焊料的溫度特性，工藝窗口小難度較大。

在混合裝配時(shí)要得到焊接可靠的產(chǎn)品就不能只關(guān)注裝配焊接環(huán)節(jié)，而應(yīng)從裝配的前、中以及后端著手即加強(qiáng)整個(gè)過程控制，根據(jù)具體情況區(qū)別對(duì)待，及時(shí)調(diào)制裝配生產(chǎn)方案使之更有針對(duì)性，這樣才能得到可靠的產(chǎn)品，下面既以一個(gè)工藝試驗(yàn)為例，分別列舉了各環(huán)節(jié)所應(yīng)注意加強(qiáng)控制的要點(diǎn)。

2工藝試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

對(duì)于有鉛/無鉛BGA混裝應(yīng)具體分兩種情況，一是無鉛器件數(shù)量居多，或存在尺寸較大的無鉛BGA器件，則采用兼容焊接工藝曲線進(jìn)行焊接，既是在有鉛工藝曲線的基礎(chǔ)上合理提高溫度，使峰值溫度控制在230～235℃范圍以內(nèi)，這樣在不損傷有鉛BGA器件的同時(shí)滿足無鉛BGA器件回流所需溫度，達(dá)到較好焊接；二是有鉛器件數(shù)量居多，且無鉛BGA器件尺寸較小，則可通過植球工藝將無鉛器件轉(zhuǎn)換成有鉛器件進(jìn)而采用有鉛工藝曲線進(jìn)行焊接。

在本試驗(yàn)中共采用兩種試驗(yàn)板：PCB2、PCB4，試驗(yàn)板尺寸均為100×150mm，器件采用Sn63-37Pb錫鉛和Sn-Ag-Cu焊球材料無鉛PBGA啞片，PCB厚度為1.6mm。

2.1.1試驗(yàn)板選用

2.1.2器件情況

PCB2：D2，D3，D5為有鉛啞片，D1，D6為無鉛啞片植球后進(jìn)行焊接。

PCB4：D2，D3，D7為有鉛啞片，D1，D5，D6，D8為無鉛啞片。

2.2裝配前準(zhǔn)備

在裝配前應(yīng)對(duì)印制板和BGA器件本身進(jìn)行檢查，具體檢查內(nèi)容如下。

（1）印制板：板面應(yīng)無明顯的翹曲；焊盤應(yīng)無短路、斷路情況；焊盤上應(yīng)無字符、阻焊膜及其它污染；對(duì)于氧化嚴(yán)重、加工質(zhì)量低劣、表面污染嚴(yán)重及有其它質(zhì)量問題的印制電路板，不能進(jìn)行裝配，做不合格品處理（如圖2）；對(duì)于表面較臟的印制電路板，在焊接前用蘸有無水乙醇的脫脂棉球擠干后清洗2~3次，以確保印制電路板焊接前表面清潔、干凈。

（2）BGA元器件：對(duì)待裝配的BGA器件進(jìn)行有鉛/無鉛判別，并檢查BGA焊球是否氧化以及是否有缺陷。（如圖3）

2.3裝配中

（1）為消除潮氣在焊接高溫中蒸發(fā)帶來的不利影響，所以有必要對(duì)BGA器件和板子進(jìn)行預(yù)烘處理，具體方法為：將BGA器件放入烘箱120℃，48h；印制板110℃，4h。

（2）在絲印焊膏時(shí)，焊膏應(yīng)覆蓋焊盤75%以上的面積，焊膏表面應(yīng)光滑、均勻、無空隙、不連涂短接相近的焊盤，不粘污焊盤周圍的基板并且焊膏印刷完到再流焊焊接之間的等待時(shí)間控制在2h以內(nèi)。

（3）設(shè)置焊接曲線

需要說明的是以下所列舉的焊接工藝曲線參數(shù)是在對(duì)本次試驗(yàn)所使用的印制板所做試驗(yàn)中得來的，在生產(chǎn)中則應(yīng)根據(jù)實(shí)際板子情況：如板子大小、層數(shù)，器件種類，器件數(shù)量、分布等情況綜合考慮來調(diào)整設(shè)置焊接曲線。

對(duì)PCB4而言，板子上無鉛BGA器件數(shù)量多于有鉛器件數(shù)量，故考慮設(shè)置兼容曲線進(jìn)行焊接，在對(duì)曲線進(jìn)行多次測(cè)試調(diào)整后確定參數(shù)如表1所示：

表1兼容焊接工藝曲線

單位：℃

帶速：15in/min

對(duì)PCB2而言，板子上有鉛BGA器件數(shù)量多于無鉛器件數(shù)量，且無鉛器件D1較小，故考慮先對(duì)D1、D6器件進(jìn)行植球處理，轉(zhuǎn)換成有鉛器件后再設(shè)置有鉛工藝曲線進(jìn)行焊接，在對(duì)曲線進(jìn)行多次測(cè)試調(diào)整后確定有鉛焊接工藝曲線參數(shù)如表2所示：

表2有鉛焊接工藝曲線（單位：℃）

帶速：15in/min

焊接完成后對(duì)兩塊試驗(yàn)板（PCB2、PCB4）進(jìn)行X-Ray檢測(cè)，BGA器件均沒有短路，印制電路板表面也沒有有斑點(diǎn)、裂紋、氣泡、炭化、發(fā)白等現(xiàn)象。

3可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證其可靠性對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行了各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)和分析測(cè)試。

3.1可靠性試驗(yàn)

完成焊接后對(duì)兩塊試驗(yàn)板進(jìn)行了溫度沖擊和隨機(jī)振動(dòng)耐久試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程中試驗(yàn)板外觀良好，均未出現(xiàn)異常問題，具體試驗(yàn)條件見下表：

溫度沖擊試驗(yàn)：

3.2可靠性測(cè)試

為了更深入了解焊點(diǎn)情況，將試驗(yàn)板送至賽寶實(shí)驗(yàn)室對(duì)BGA器件焊點(diǎn)進(jìn)行了切片、電鏡和染色分析試驗(yàn)。分析圖片如下：

3.3分析結(jié)論

由以上圖片可以看到試驗(yàn)板混合組裝的有鉛和無鉛BGA焊點(diǎn)的IMC厚度均在1～3μm間，且形態(tài)較好，沒有紅色顏料滲透到元件一側(cè)或印制板一側(cè)界面中，表明沒有虛焊的產(chǎn)生。

4結(jié)論

IMC金屬間結(jié)合層的形成雖然是焊接良好的一個(gè)標(biāo)志，但過厚或過薄的IMC均會(huì)降低焊點(diǎn)力學(xué)性能和熱疲勞性能進(jìn)而影響焊點(diǎn)可靠性，目前普遍認(rèn)為焊點(diǎn)的IMC在1～3μm間，其結(jié)合強(qiáng)度及可靠性相對(duì)較好，因此在焊接過程中保障良好的IMC是實(shí)現(xiàn)良好焊接的重要條件。

隨著無鉛化的發(fā)展，有鉛/無鉛混合裝配難以避免。混合裝配由于兩種焊料不同溫度特性，焊接工藝窗口較小，難度較大，但只要加強(qiáng)各個(gè)環(huán)節(jié)過程控制，仍可以得到焊接可靠的產(chǎn)品。
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