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              光通信PCBA雙面組裝BGA類器件工藝研究
              來源: fbe-china.com作者: Kenny Fu時間:2019-11-25 10:04:59點擊:8944

              隨著通信產品的通信頻率越來越高,通信PCBA的組裝密度也日益增加,通信PCBA 設計提出了3D 組裝和雙面組裝BGA 類器件的需求,對電裝工藝的發展也提出了新的要求.

              雙面電裝BGA類器件的提出

              由于通信PCBA STM64光接口盤子板需要,在PCBA兩面采用了BGA器件和BGA插座設計,因而提出了雙面電裝超重BGA類器件的新工藝課題.

              雙面電裝BGA基本指導思想

              1、在雙面組裝時TOP面(top side)元器件第一次回流后,需要將電路板翻轉進行另一面的回流焊接.在第二次回流時,原己焊接TOP面元器件可能被表面張力所固定,為了防止元器件在重力作用下的掉落,需要從元器件重量和焊盤總面積的角度來判斷元器件在BOT面(bottomside)回流時是否會掉落;

              2、此PCBA由二次BGA插座轉接,在TOP面有2個BGA器件和2個BGA插座,在BOT面有1個BGA插座,對于雙面BGA封裝器件和插座在SMT電裝上有難度,對于超重的XS1-BGA插座(25g)(Tyco1-1761616-5)器件在SMT電裝是第一次.如何在二次回流焊接中使下面的BGA器件,在重力的作用下不掉件,并保持良好的焊點外形,是電裝工藝的課題;

              3、經分析和理論計算后,決定采用同類型Sn63 /Pb37的有鉛焊膏進行二次回流焊接,先焊接TOP面,然后對于TOP面的BGA器件進行熱隔離保護,在翻轉PCBA后焊接BOT面上的超重BGA插座.

              工藝流程設計

              1、先在SMT5線電裝PCBA的TOP面,貼裝2個BGA器件(IC1、IC2)和2個BGA插座(TRX3、TRX4);2、使用X-Ray設備檢查TOP面BGA的焊點質量;3、然后貼裝大BGA插座(XS1),器件質量25g,焊球數666;4、在TOP面安裝BGA隔熱罩,使在焊接BOT面時降低TOP已焊接BGA器件的焊點溫度,增加焊料附著力,使BGA器件不掉落;5、調節、選擇合適的回流焊接曲線,對于BOT面進行焊接;6、用X-Ray設備檢查BOT和TOP面的BGA焊點質量.

              二次回流焊接中BGA器件掉落理論簡析牭諞淮魏附郵?,IC1 ( PM5326 )器件的軌道支撐力F1BGA 重力F , 熔化的焊球在表面張力托起IC1(PM5326),器件不能掉落(見圖2).

              第二次焊接時,IC1(PM5326)器件的重力作用與第一次焊接時正相反(見圖3).

              第二次焊接時器件的重力與軌道支撐力F1方向相反,軌道支撐力對于BGA器件沒有支撐作用.要使BGA器件不掉落,必須使BGA重力小于焊料附著力F2.

              設定:σ是熔融的焊球抗拉強度C

              g是元器件重量Σp是總焊盤面積

              Σp=ΣA、B……

              計算公式:Cg≤ΣF2、ΣF2=σ.Σp,即Cg≤σΣp,σ=Cg/Σp.

              σ與熔融焊料的內聚力或表面張力成正比,它取決于熔融焊料在某一溫度條件下的材料特性,σ=Cg/Σp是評估是否掉件的關鍵指標.

              保證有鉛焊料的BGA二次回流不掉落的經典判斷標準為:σ=Cg/Σp≤30(g/in2).

              二次回流焊接BGA器件工藝因素魚骨分析

              雙面回流焊接BGA的工藝計算(按魚骨圖因素計算)

              焊膏供應商推薦的回流焊接曲線.

              焊盤面積和比率(Cg/Σp)計算:

              1、IC1器件(BGA器件)

              焊盤總面積:(0.45÷2)2×3.1415926×1292=205mm2×0.00155=0.3185in2

              器件重量:14g、 比率:14g÷0.3185in2=43 g/in2

              ?strong2、IC2器件(BGA器件)

              焊盤總面積:(0.45÷2)2×3.1415926×456=73mm2×0.00155=0.1124in2

              器件重量:2.25g、 比率:2.25g÷0.1124in2=20 g/in2 ?br / ?strong3、TRX4器件(BGA插座)

              牶概套苊婊?0.58÷2)2×3.1415926×300=79.26mm2×0.00155=0.1229in2

              器件重量:3.5g、比率:3.5g÷0.1229in2=28.48 g/in2 ?br / ?strong4、XS1器件(BGA插座)

              焊盤總面積:(0.57÷2)2×3.1415926×666=170mm2×0.00155=0.2635in2

              器件重量:25g、 比率:25g÷0.2635in2=94.88g/in2經對PCB焊盤、模板開口、器件重量等實際測量統計,形成表4.

              掉件原因分析

              1 、有鉛焊料二次回流有一個經典的判斷標準:Cg/Σp≤30(g/in2);其中Cg是元器件重量,ΣA是總焊盤面積;

              2 、根據經典的判斷標準: C g / Σp≤ 3 0 , I C 1(T面)和XS1(B面)在二次回流焊接中,將有一種器件在重力的作用下掉件,同時TRX4(T面)的BGA插座也比較接近經典的判斷標準,存在電裝工藝風險;

              3、XS1器件(BGA插座)焊膏計算,按器件設計公司要求在焊盤上的焊膏量是0.044mm3,設計模板δ=0.15mm,開孔直徑0.67mm,焊膏釋放比率要≥83%

              4、模板的厚度是0.15mm,開孔直徑均比PCB焊盤直徑大0.10mm,有利于焊膏量增加,使熔融焊料在斷裂前能承受的最大張力強度增加.

              PCBA雙面BGA電裝 燬TM64光接口盤子板,尺寸250×190mm、16層FR4板.

              1、PCBA的正面TOP(2個BGA芯片、2個BGA插座FCI公司)電裝;

              ? 絲印工藝參數見表5;

              ? 回流焊接工藝參數

              設備:H 燛LLER1800EXL

              溫度設定:160—175—165—165—180—230—265—265℃(上下一致)、冷卻:65%焊

              接速度:70 cm/mi ,有鉛BGA器件、183℃、 燭AL為83s

              最高BGA焊接溫度:IC1為221℃、IC2為232℃.由于非實板測試實際的溫度預計低5℃,同時兼顧PCBA上無鉛的元器件,因此焊接曲線比較合適(見圖6).

              ? PCBA(TOP面)焊點檢查A

              、IC1(PM5326)器件用X-Ray檢查,沒有發生橋接缺陷(見圖7).

              在放大40倍、傾斜55度、焊球變形較好,紅色中心線上部的焊球變形并相連,焊球內部沒有空洞(見圖8).

              B、IC2(XC3S1000)器件用X-Ray檢查,焊球沒有橋連發生,焊球有少量空洞、變形沒有大BGA(PM5326)的大(見圖9).

              2、反面BOT(BGA插座××公司-1-1761616-5)等其他貼裝元器件電裝;

              ? 絲印工藝絲印參數和焊膏體積見表6.

              按××公司建議,BGA插座各個焊盤上的焊膏量為:0.044mm3、焊膏釋放比率要≥83%.實際BGA插座各個焊盤上的焊膏量為:0.041mm3、焊膏釋放比率要≥78%,比要求少5%.

              ? 貼片工藝

              A、BGA插座基本參數.1-1761616-5為一種新型BGA插座,長55mm,寬25.4mm,高16.5mm,元件重量25克,焊球數666個,底部本體顏色為白色,其外形如圖10所示.

              B、貼裝面臨的主要問題:超重,元件重量為25克,這幾乎達到了現有貼片機所能處理元件重量的極限;超高,元件高度為16.5mm,超過了現有貼片機處理高度.

              C、貼裝試驗過程.試貼四塊PCBA,選擇 GSM1 貼片機,主要考慮到該型機處理異型元件能力非常突出.具體參數設置:將元件高度設定為12.7mm,貼裝BGA插座壓力為150g;使用最大吸嘴360F進行吸取,并將吸取速度設置為慢速;由于器件數量少包裝不合適,單獨將元件放置在托盤供料器上;由于顏色接近,只能識別出其中80%-90%的焊球,將球檢測功能關閉.做上述調整后,GSM1成功進行了貼裝.

              ? 回流焊接工藝

              A、制作隔熱罩.焊接前將TOP面的2個BGA器件,采用環氧板做的隔熱罩(見圖11)進行熱隔離,并用熱膠帶固定,其中第2號PCBA沒有用隔熱罩.

              熱隔離效果試驗表明,不加隔熱罩,BGA器件上溫度是239℃;加上隔熱罩后,BGA器件上溫度是203.8℃,相差高達35.2℃,隔熱罩的效果明顯(見圖12).

              B、調整回流焊接曲線. ?br / 牪捎肂TU回流爐,第7次的溫度曲線認可(見圖13).溫度:上部 150-175-160-160-200-245-245℃

              下部 150-175-160-160-200-260-260℃

              出風:1.0-1.0-0.8-0.8速度:55mm/min,冷卻:43℃

              C、××公司XS1(B面)BGA插座(1-1761616-5)推薦焊接工藝參數符合度:

              1、有鉛BGA插座1-1761616-5到145℃的潤濕時間是190s,基本符合要求;

              2、有鉛BGA插座1-1761616-5的焊接溫度183℃以上時間是67.4s,符合要求;

              3 、有鉛B G A 插座1 -1761616-5的焊接溫度是192.4℃,相差17.6℃,不符合要求;

              說明:對于B G A插座1 -1761616-5的焊接溫度是192.4℃,183℃,ALT是67.4s,由于BGA插座內有大量的金屬,熱容量很大,但考慮到PCBA上的Chip元件的溫度已高達235.7℃,對于有鉛焊接溫度已很高了,溫度不能進一步提高,所以對于BGA插座底部焊球上只有192.4℃是偏低的,不過BGA插座在183℃ALT是比較長的,所以當時認可了這樣的焊接曲線,經焊后的焊球的X光檢查,焊點變形達到要求,經研發人員的PCBA功能測試,10塊PCBA電裝質量符合要求,全部一次通過.

              4、有鉛BGA插座1-1761616-5的焊接溫度總時間(限下降到183℃) 為320s,符合要求;

              5、有鉛B G A插座1-1761616-5的焊接沒有采用N2氣;

              6、有鉛BGA插座1-1761616-5的焊接上升溫度是1.0℃/s,下降溫度是0.7℃/s,符合要求,使BGA插座不發生形變或開裂.

              D、進一步完善:對

              于BGA插座1-1761616-5的焊接,若速度再降低5—10mm/min的話,可能對于大容量的BGA插座的焊球效果更好.

              BGA器件的焊球的焊接溫度是BGA底部的PCB板的固體傳導熱,因此將焊接區的下部溫度高于上部溫度15℃,有利于大容量BGA插座1-1761616-5的焊球焊接,同時使TOP面的BGA的焊球上的溫度相對低于202.6℃.

              ? PCBA雙面BGA焊點檢查 ?br / 燗、BOT面有鉛BGA插座1-1761616-5焊點X-Ray檢查并沒有發生橋接,見圖14.

              B、經過二次回流焊接后IC1(PM5326)器件的檢查

              IC1(PM5326)器件第一次焊接焊球變形,見圖16.IC1(PM5326)器件第二次加罩焊接焊球變形,見圖17.

              IC1(PM5326)器件第二次不加罩焊接焊球變形,見圖18.

              從上面3張IC1(PM5326)BGA器件變形圖看,在X-Ray設備檢查,參數放大40倍、傾斜55度的相同條件下觀察,焊球的變形基本相似,沒有大的區別,焊球的變形較好.在IC1(PM5326)器件第二次不加罩焊接后,發現IC1器件BGA的小PCB四角變形(上翹)較大,但X-Ray檢查未發現焊球不良.

              二次焊接對于IC1焊球溫度的影響:

              IC1(PM5326)第二次加罩焊接焊球最高溫度:202.6℃,ALT:69.3s;

              IC1(PM5326)第二次不加罩焊接焊球最高溫度:225.9℃,ALT:111.2s.

              這說明,加罩和不加罩,在IC1所受的最高溫度有23.3℃差別,但并沒有影響焊點變形和空洞,也就是說在二次焊接中溫度在相差20℃左右,對于焊接質量的影響不大.

              C、IC1(PM5326)BGA器件不加罩焊接的分析

              在焊接PCBA BOT面有鉛BGA插座1-1761616-5時,IC1(PM5326)BGA器件在PCB的底面,為了防止IC1的掉落,在焊接時加上采用環氧板做的隔熱罩進行熱隔離,理由是按經典的Cg/Σp比率是≤30才能使器件不掉落,而IC1的Cg/Σp比率是43,按要求應加隔熱罩.目的有二,首先,使加在IC1的焊球上的溫度降低,使熔融焊料的內聚力或表面張力增加,也使σ(焊料的抗拉強度)增加,造成IC1不掉落;其次,假如σ強度不夠,IC1仍要掉落,可以掉落在隔熱罩內,不會造成IC1掉在爐膛內而損壞.有3塊PCBA是采用此方法焊接,沒有問題.

              考慮到做隔熱罩并不適合大量的生產,而且在上罩時對于BOT面元器件的貼裝位置的影響,所以大膽采用不加罩直接雙面BGA器件的焊接的工藝試驗,采用5塊PCBA(2號) 進行工藝試驗.

              此2號PCBA工藝條件除對于IC1、IC2不加隔熱罩外,其他條件與前5塊PCBA完全相同.焊球最高溫度:225.9℃,ALT:111.2s,元器件有足夠的時間掉落.令我們滿意的是,經焊接在底面的IC1、IC2的BGA器件并沒有掉落,其中IC1的Cg/Σp比率是43,IC2的Cg/Σp比率是20.

              D、對經典Cg/Σp比率的挑戰I

              C 1 的C g / Σp比率4 3 , 比經典的C g / Σp比率是≤30高出43.33%,事實說明經典的Cg/Σp比率比較保守,由于σ(焊料的抗拉強度)與焊料的所受的溫度和焊接的工藝條件相關,因此對于合理的Cg/ΣA比率到底是多少將進一步進行工藝研究,不過從目前工藝試驗看Cg/Σp比率≤40是可行的.假使Cg/Σp擴大到43,這將對雙面BGA焊接的范圍擴大了43.33%,使BGA器件的尺寸和I/O端子數可以增加到更大.

              總結 CBA雙面回流焊接的BGA類器件電路全部打通,電裝是成功的.

              在工藝試驗中,我們列出雙面回流焊接BGA類器件的相關魚骨圖,根據魚骨圖分析了元器件、PCB、焊膏、絲印工藝、焊接工藝等方面因素對電裝的影響,設計了工藝參數.

              由于BGA插座尺寸比較大并且超重,因此在貼裝上進行了多次的試驗,并對已焊接BGA器件采用隔熱罩焊接和無隔熱罩的焊接,同時在回流焊接設備上對于BGA插座進行了6次試驗,找出一條比較合理的焊接曲線.電裝后對于BGA焊球進行了仔細的檢查,焊球沒有橋連發生,變形良好,空洞較少.

              對于雙面BGA焊接的典型參數σ=Cg/Σp進行了理論分析,同時針對要電裝的BGA器件重量和焊盤的潤濕總面積作了焊料抗拉強度的范圍計算,沖破了經典的C g/Σp比率是≤30數據.

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