CCGA焊接工艺与可靠性研究

理论算法2020.09
CCGA焊接工艺与可靠性研究
李龙，王东，何燕春，刘丙金，郭孟飞
（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710077）
摘要：本文针对CCGA的焊盘设计、贴装设计、回流焊接曲线设计进行了优化。

通过装联后的焊点经过X-RAY、金相分析等
检测手段，CCGA焊点质量符合要求。

通过加固设计，使得CCGA焊点满足可靠性要求。

关键词：CCGA；焊接工艺；可靠性
Research on Soldering process and Reliability of CCGA
Li Long,Wang Dong,He Yanchun,Liu Bingjin,Guo Mengfei
(Xi‘an Aeronautics Computing Technique Research Institute,AVIC,Xi'an Shaanxi,710077) Abstract：With the application of CCGA devices more and more widely,there are some problems in the process of assembly and application,such as solder joint defects,reliability and so on.In this pa­per,the welding pad design,mount design and reflow welding curve design of CCGA are optimized.By mean
of X-ray and metallographic analysis,CCGA welding spot quality meets the requierments,Through the re­inforcemen t design,CCGA solder joint can meet the reliability requierments.
Keywords：CCGA；Soldering process；Reliability
1CCGA器件介绍
CCGA封装主要通过焊料将焊柱与焊盘实现连接，CCGA 的柱列结构主要有三种类型，分别为焊线柱、铸型柱、CLASP 柱。

本文主要以第一种类型作为分析与试验对象，焊线柱类型见图1所示。

图1CCGA焊线柱类型
2CCGA应用现状
2.1元器件
CCGA器件焊柱的位置度、共面度决定了器件本身的焊接质量。

从位置度方面进行分析，如果器件的位置度不良，将会导致CCGA器件在贴装到焊盘时，会有部分焊柱偏离焊盘，进而在回流焊接后焊锡未能完全包裹焊柱，最终影响焊点可靠性；从共面度方面进行分析，如果器件的共面度不良,将会导致部分焊柱在表面贴装后未完全接触焊锡或者完成接触不到焊锡，同样也会影响焊点可靠性，甚至连最基本的功能都不能实现。

除了本身的加工工艺要求外，CCGA器件焊柱的Pb90Sn 10材料容易氧化，可能面临的结果为：在焊接过程中,仅凭借焊膏内的助焊剂不足以清除焊柱本身的氧化层而导致最终
焊点未形成良好的润湿。

然而由于CCGA可焊性的测试过程复杂以及投入较大,行业内的通用做法是在器件周转过程采用真空包装，直至焊接前再拆开包装，以此来防止焊柱氧化。

2.2PCB设计
由于CCGA器件焊柱材料的特殊性，行业内可参考的焊盘设计标准有IPC-7351,可以根据相应工具进行计算。

除此之外，行业内如IBM、Xilinx等公司经过多年的试验也有相应的内部要求，可供设计人员参考。

然而即便如此，我们还是会面临一些问题，如焊盘与焊柱的匹配性、焊盘的加工误差等。

因此，需要考虑实际生产过程中的工程问题。

2.3焊接工艺
在CCGA器件工艺方面，主要包括锡膏体积、表面贴装过程以及回流焊接等。

2. 3.1锡膏体积
在军工产品上，使用的焊接材料普遍为Sn63Pb37的共晶锡膏。

对于实现CCGA器件焊接，由于其本身的焊柱在焊接过程中并不熔化,因此锡膏体积的多少显得尤为重要，锡膏体积不足，不能形成良好的焊点；锡膏体积过多，锡膏在焊柱爬升过高,导致焊柱钢化，降低其可靠性。

2. 3.2表面贴装
对于CCGA器件的表面贴装要求，由于在焊接过程中“自动对中效应”相对较差，就焊接后的CCGA位置精度而言，基本是靠贴片机来保证贴装过程的对位。

因此，对于贴片机贴装精度、贴装压力而言，贴装CCGA器件的参数要求显然高于其他器件。

甲耳测诃
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2.3.3回流焊接
由于CCGA器件的封装尺寸大多为32*32mm以上的尺寸，因此在焊接工艺的设置方面，除了要保证空洞、IMC等符合要求外，还要保证在CCGA焊柱不会发生倾斜，除此之外，由于锡铅焊料的回流焊接工艺窗口较宽，控制本身难度不大。

2.4可靠性问题
由于CCGA的焊柱具有一定的韧性，因此在解决陶瓷器件与印制板之间的热膨胀系数的不匹配有一定的作用,但是CCGA器件在耐振动方面存在一定弊端，因此CCGA在振动量级较大的环境中易导致焊柱断裂。

3焊接工艺及可靠性验证
针对上述在CCGA焊接和应用方面遇到的问题，我们设计了相关试验验证,针对焊盘设计、钢网设计、贴装压力设计、
回流焊接温度曲线设计、加固设计等几个方面进行优化。

3.1焊接材料
试验选用陶瓷封装的菊花链CCGA器件，封装尺寸为40*40nm,焊柱材料为Pb90Snl0,焊柱中心距1.27mm、焊柱高度2.2mm、焊柱直径0.51mm；印制板采用FR4基林厚度2mm。

3.2试验件设计
3.2.1焊盘设计
根据IPC-7351[6]采用行业内推荐的焊盘设计，同时考虑到消除器件本身位置度的影响以及工程上的实际应用情况,
最终设计的焊盘尺寸为0.8mmo
3.2.2钢网设计
根据IPC-7095C同锡膏体积(0.06mm3-0.125mm3)进行钢网尺寸的设计，钢网设计尺寸为：开孔①0.85mm；厚度0.15mm。

根据IPC-7095C中对1.27mm引脚间距的CBGA锡膏体积要求为0.06-0.125mm3。

经过理论计算，在设计CCGA位置的钢网厚度为0.15mm以及钢网开孔与EDA焊盘位置进行1:1开孔时，锡膏理论体积为0.08mm3。

3. 2.3贴装压力设计
贴装压力的优化可保证器件在贴装后的空间位置，避免在贴装瞬间由于挤压锡膏导致器件空间位置的偏移，因此,应适当减小CCGA器件的贴装压力。

3.2.4回流焊接温度设计
使用K形热电偶进行测温，测温点选取CCGA焊点温度的最低点和最高点，即边角点和中心点。

根据工艺参数，有铅
锡膏峰值温度控制在220°C左右，回流时间控制在60s-90s o 3.2.5加固设计
基于对CCGA器件以及历史试验数据的认知，其焊柱耐温循能力较强，耐振动能力较差，因而CCGA在应用到高可靠性产品上时，需要对器件四角进行加固防护。

3.3焊接过程
3. 3.1焊接准备
锡膏准备：为避免锡膏开盖造成水汽凝结，锡膏从冰箱甲耳测说取出后需回温4小时。

3. 3.2锡膏印刷和SPI
锡膏在印刷前应保证黏度适中、成分均匀，因此应进行
充分搅拌,在印刷后进行SPI检测,保证印刷体积、面积、高度、偏移均符合焊接要求,实际印刷在焊盘上的体积在0.088 mm3-0.098mm3之间。

3. 3.3表面贴装
在原有贴装压力的基础上针对首轮工艺摸索环节中出
现的CCGA贴片后出现焊柱整体偏移的情况，通过降低贴装压力的解决措施,优化了贴片后的偏移。

3. 3.4焊点外观检查
焊点经过光学检测，焊料与器件焊柱、PCB焊盘均润湿良好，焊柱四周均有焊料包裹，示例图见图2所示。

图2焊点图片
3. 3.5X-RAY
焊点经过X-RAY检测，所检样品的焊点均未见明显虚焊的现象；所检样品的焊点内部的空洞率均小于PCB焊盘或者器件侧焊盘面积的25%…
3. 3.6金相分析
焊点经过金相检测：所检焊点的焊料与焊柱以及PCB焊盘均润湿良好，润湿角均小于90°；所有焊点的焊柱均在PCB焊盘上方，未出现焊柱超出PCB焊盘周界的现象,金相结果如图3所示。

图3金相图片
3. 3.7电镜扫描
焊点经过电镜扫描，检测结果:器件侧以及PCB焊盘侧均形成了较为连续、厚度适中的IMC,检测结果如图4所示。

3. 3.8加固方式
使用加固胶对所有试验件上的CCGA器件进行四角“L型”
(下转第100页)
ELECTRONIC
TEST
网络信患工程2020.09
过坏点剔除后的数据展示。

炉内壁温数据为本系统根据算法
模型计算而来的温度数据，为锅炉稳态运行期间的计算壁温
数据。

(4)热偏差监督
热偏差页面用于监控当前受热面在排方向和管方向的
温度不均匀情况。

页面包括数据查询区和数据展现区两部分。

(5)超温统计分析
超温统计分析页用于展现受热面在指定查询范围内的
超限统计情况。

系统支持超限统计数据的图形分析与数据导
出,支持超限记录明细的深入查询。

超温图形分析页面,包含超温时长toplO,月度超温次数统计，年度超温天数展示，超温时间区间统计。

能够精确显示
过热器、再热器每一管屏、每一根管束的超温情况，为电厂的
燃烧调整和精准检修提供科学依据。

(6)设备风险寿命评估信息
通过数据库系统维护各受热面的故障历史，检测历史、
动态监督等数据。

在录入各种检修数据时，验证其输入数据
的正确性并保证将所有待检查的管道检测数据均录入到系
统中，在系统中提供方便的查询功能。

通过预先定义的专家
分析库，对锅炉设备进行监测,当锅炉逼近预先设定值的时
候，提前发出警告。

当事故发生后，根据专家分析模型，得出
最可能引起爆管事故的原因。

(7)管段堵塞分析
当管内出现堵塞情况时,其出口壁温上升值不一定达到超温限值。

但其出口壁温必然异常于相邻管排。

因为当吸热量基本不变的前提下,蒸汽流通减少，最终会被加热至相对更高的温度值。

与此同时堵塞位置因为相较于其他位置多了一层热阻，导致热量在堵塞处积累，虽然出口壁温上升值未达到超温限值,但堵塞位置已经产生了非常严重的超温现象,极容易发生高温腐蚀甚至引发爆管事故。

(8)测点评估规则配置
测点可靠性评估模块用于实现针对测点可靠性的实时监督与评估，用户可针对不同测点设置异常识别条件，进而实现测点可靠性的实时评估。

3结论
该系统以设备历史资料和现在特性为出发点，建立预测模型，通过在线监测和人工智能分析,评判设备运行状态优劣，预测可能多长时间需要停机检修。

该系统经实际电厂测试，系统稳定可靠,分析结论准确，是一套优秀的电厂锅炉状
态监测及诊断系统，可与DCS系统和SIS系统共享数据，实现在集控室进行实时监控,实现风险的自动评估并预警，为电厂运行人员提供科学决策依据。

参考文献
[1]冯亦武，费盼峰，李昱.火力发电厂锅炉四管智能管控网
体系架构研究[J].中国仪器仪表，2019,10:53-58.
(上接第67页)
加固。

图4器件侧和印制板侧合金层
4可靠性验证
试验件均按照ECSS-Q-ST-70-38C《表面装配高可靠性焊接》[7]中14.3验证测试程序进行，先进行振动试验,后进行温度循环试验的顺序进行。

试验釆用菊花链路的设计，过程可以实时监测阻值，合格判据为菊花链的阻值未超过20%。

5试验结果
试验件在经过可靠性验证,温循过程中使用电阻测试仪对阻值进行实时监测，高温阶段监测阻值在43Q-46Q之间，低温阶段监测阻值在24Q-26Q之间,变化率未超过20%。

6结论
本文主要研究了CCGA焊接工艺的相关因素与可靠性相关问题，结果表明，在合适的焊盘设计、贴装控制、回流焊接参
数下,焊接的CCGA焊点在外观检测、X-RAY检测、显微组织均符合业界认可的要求。

通过点胶加固并经过可靠性试验后，焊点强度满足产品可靠性要求。

参考文献
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焊接学报,200&29(7):93-96.
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电子工艺技术,2010,31⑷：205-208.
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[5]IPC-7095C BGA设计与组装工艺的实施.
[6]IPC-7351Generic Requirements for Surface Mount
Design and Land Pattern Standard.
[7]ECSS-Q-ST-70-38C表面装配高可靠性焊接.
ELECTRONIC
TEST。