锡球安装
锡球安装的一个重要参数是提供一个回流温度曲线，通过将助焊剂活化特性达到最大来得到最高的安装强度，使有害的金属间效应最小。对该工艺一个有用的着手资料是锡球与助焊剂制造商的回流指引。本研究使用的是特别提供专门回流工艺时间与温度的操作指南。图四显示推荐用于63Sn/37Pb和62Sn/36Pb/2Ag锡球的温度曲线，在液化以上的最大55秒钟时间，最高的峰值温度为215°C。所有回流工艺都在一个氮气气氛中进行，氧气浓度范围是30-150ppm。注意这个惰性气氛帮助保证只出现最少量的氧化物污染。
图四、用于植球的标准温度曲线
使用者应该找到一种回流曲线，使以下的焊接特性达到最佳：陷落、安装强度、液化时间、保温时间、升温速率和整体空洞控制。
试验结果
在新元件的可靠性与那些使用重新植球系统的元件之间提供一个表示特征的方法是重要的。结果，需要对焊锡的互连或金属间化合层进行一个彻底的分析。
进行锡球剪切强度试验，在机械的基础上评估焊点。当使用剪切方法来试验BGA或CSP上的锡球时，最终结果应该表明焊锡湿润和附着在整个电路板焊盘上。造成焊锡任何的剪切应该显示失效是在焊锡块中(接触表面粘结破坏cohesive failure)，而不是焊盘或两者之间的界面(粘合失效adhesive failure)。理想地，应该留下一些悍锡，覆盖在整个焊盘表面。如果失效发生在金属间和焊盘界面，那么要作进一步的研究。图五和六显示失效发生在焊锡内(cohesive failure)，试验是在352 PBGA元件上进行的锡球剪切试验，它支持预想的结果。
图五、内部粘结失效，留下大约0.035"的合金高度
图六、留下完整基板焊盘的图例
62Sn锡球对封装基板的剪切强度试验显示，当使用模板法结合水洗重植球助焊剂时强度是最高的。当不使用助焊剂时剪切试验是最低的。最令人惊奇的结果是在使用各种放置方法、各种助焊剂化学成分和物理特性将63Sn/37Pb共晶锡球安装到封装基板时得到的。这些试验都是以新的、未接触的元件为基线的。
剪切强度结果一般与低粘性的助焊剂时较低。报告的值是从每种助焊剂或放置参数的75个剪切座中建立的。图七所示的分布建立了从回流的63SN锡球所获得的数据结论。剪切强度表明，强化的专门工艺使用的助焊剂和预先决定的工艺控制可以在重植球的元件上改善剪切强度，甚至用与原始的元件。
图七、剪切试验的统计分布
当与对新元件的剪切强度比较时，二次回流和增加铅含量或金属间化合物层(IMC, intermetallIC compound)的厚度可能不象一般所想象的那么坏。金属间化合物层可能对锡球小得多的直接芯片应用有不止一种影响，IMC会占焊点厚度的较大比例。
可靠性试验
可以用几个试验来评估与新条件零件有关的基线，包括温度试验(-40~125°C)和剪切强度试验。
可靠性试验参数、规格
温度从-40~125°C以每天48周期循环
TD = 15 min, ΔTe = 165°C
TD等于预期的平均驻留时间，这个是重要的，因为它决定互连中的应力释放。这个应力释放造成焊接点中的释放，决定与在焊点应力释放的最大疲劳损坏有关的循环疲劳损坏数量。
电路板
FR-4多层树脂玻璃板
玻璃态转换温度为180-215°C
在“平面方向内的”CTE不匹配，αS = 16.25ppm/°C
阻焊层高度 = 0.025mm 和当覆盖迹线时的0.068mm
HASL大约0.017mm厚度的锡/铅涂层
温度循环试验是在3,521次有80%的封装失效时终止。最初的失效是在1,258次时。
结论
这里考查了四种重整回收BGA锡球的方法。结果显示，如果植球方法使用认真的元件座准备、适当的助焊剂、和适当的锡球选择，那么与其原始条件的元件比较，在返工封装的可靠性或性能方面没有观察到差别。
证明最重要的参数是助焊剂参数。如果得到及其差劣的品质，那么焊锡合金可能是一个问题;可是，影响该工艺性能的外观缺陷可能性是次要的。在锡球选择期间必须处理的主要问题包括体积与对称性公差。放置方法对元件品质的影响很小，如果选择合适的助焊剂，并且准确率可以接受。
本研究也表明，模板方法是一个当使用适当的助焊剂时提供可靠连接的有效方法。虽然剪切强度和寿命分布比原始条件的元件较低，但是数据分析表明两者之间没有统计差别。
当无处理的元件回收时，只有非常低的物理应力出现在硅芯片上。由于这个理由，植球工艺的采用不会给硅芯片的寿命带来任何有害影响。
References
1、MCMS, Inc.
2、Winslow Automation (1998). BGA Re-Balling Instruction Manual. San Jose, CA. SolderQuick has been exclusively licensed to Winslow Automation, Inc. by the Raychem Corporation.
3、Chingchen, C.S., and Lee, N.C. (1997). Balling for BGA. Proceedings of 1997 NEPCON West, Anahei, CA, 327-335.
4、This process is proprietary to MCMS, Inc.
5、Casey, W.J. (1998). Reduction of BGA Eutectic Ball Solder Joint Voiding. Proceedings of Surface Mount International. San Jose, CA. 541-548.
William J. Casey, is process R&D engineer, formerly with MCMS, Inc. Nampa, ID: (208) 898-2656. |