低银 BGA器件对PCBA组装的影响
尽管低银 BGA已经成功集成到很多产品上,但是当尝 试用在有温度挑战的组装或者必用使用Sn/Pb焊膏焊接到 PCB上的后向混合组装时,还是存在问题。
组装的温度挑战
随着新型无铅合金BGA焊球的应用,对加工过程的影 响也随之到来,尤其是温度方面的挑战。
为了更好的理解这个问题,需要明白合金成分对熔点 的影响。图11描述了几种常见SAC合金的熔点(注:在图 中所示的温度都是指完全液相存在时的温度)。其他合金 元素的加入影响过冷度以及各种IMC的生成,点阵特性和显 微结构也会影响合金的熔化行为。这样的变化会使合金的 熔点相比SAC305和SAC405增加10℃。在许多情形下,不 是所有的合格供应商都有一致的焊球成分,供应商在成分 上做改变也不会在封装的标识或序号上作注示。在这种情 况下将会影响组装,甚至由于组装温度过低会产生不可接 受的焊点,图12所示为不正常组装的焊点,将会产生很大 的可靠性风险。虽然电性能测试能通过,但是相对正常形 成的焊点会失效的更快。
一个通常的解决办法是提高无铅产品的组装温度,从 目前最小的峰值温度230~232℃提高大约5~7℃。这也许 对简单的产品来说是可行的,就是那些板面封装体温差较 小,并且均为超过J-STD-20规定的最高温度限制的产品。然而,升高温度对于某些板面温差较大的产品就风险很大,极易使部分器件本体温度过高。提高温度也会使PCB的应力加大,导致潜在的翘曲发生或者增加焊盘缩孔(padcratering)发生的可能性。这些研究似乎表明了1%的银合金焊点和目前业界关于无铅组装最低回流温度和时间为230℃/60秒的规定是矛盾的。这使得低银合金无法在热容量较大的单板组装上的应用。
向后兼容混装
现在不是所有的产品都采用无铅焊料,这些在RoHS清 单中明确具有豁免权力的OEM厂商仍然在使用Sn-Pb焊 料组装。OEMs面临的挑战就是Sn-Pb焊球的BGA的供应 的减少,尤其是那些同时被用于未豁免的消费类产品的器 件。在某些情况下,无铅BGA的使用将是唯一的选择,这 样也就需要在Sn-Pb焊料组装过程中应用无铅BGA。关于 SAC305或SAC405的BGA焊点用Sn/Pb焊料进行焊接,这 种向后兼容的做法前期有可靠性研究表明:峰值温度超过 217℃,Sn-Pb焊料与SAC的BGA焊点可以完全混合形成一 种各向同性的微观结构,其可靠性在电子应用产品上表现良好,如图13所示。