混合工艺之有铅锡膏与无铅BGA的焊接-陶鹏

混合工艺之有铅锡膏与无铅BGA 的焊接

北京德天泉机电设备有限公司 陶 鹏

引言

在当前表面贴装技术（SMT）中，我们对有铅无铅的混合焊接方式并不陌生，尤为代表性的是：有铅锡膏与无铅BGA 的焊接。这也是我们今天所要介绍的主题与实际案例。

1. 从有铅与无铅的特殊性来分析，我们可以先看以下几点

首先，从润湿性的角度看，我们先考虑焊料的特性：相对来说含铅焊料的表面张力较小；而无铅焊料的表面张力相对较大。从其特性可以看出焊膏的流动性与实际焊接的润湿能力存在最直接的关系。所以与锡铅或是普通的低熔点焊料合金相比，无铅焊料合金的润湿效果较差。

其次，我们从其本身的自我矫正的角度来看，与之润湿能力成正相关，以BGA 焊接为例，有铅BGA 的自我矫正（焊球对位）焊接能力明显强于无铅BGA 的自矫正能力。

再之，我们来看它们在可靠性方面的特点，对于无铅焊料合金的长期可靠性目前还没有定论，但其焊点在受力的情况下表现出较大的离散性而容易损伤，值得一提的是在所受应力较低的情况下，SAC 合金的可靠性能与SnPb 合金水平相当或者比它稍好。

针对这种混合制程的焊接方法，我们知道很多产品因为设计的需求或考虑其成本等各方面因素不可避免的采用有铅无铅混做的方式对产品进行焊接加工，所以在可制造性方面形成了阻力，而各个厂家以及各类辅材供应商也就此做出了针对性的试验与改良。

2. 下面，我们通过针对有铅制程无铅BGA 的实际焊接过程进行详述

（1）通常我们使用的锡铅焊膏的回流温度范围在215-235℃。

（2）BGA 焊球SAC 合金的回流温度范围在235±5℃。

以上是我们在回流制程中的重要参数和基本条件。

我们调出在进行混合制程生产过程中曾出现过的问题标本： 首先了解一下产品的相关基础数据：

① PCB 为四层板，厚度1.6mm，长宽210*185mm,PCB 表面处理采用浸锡工艺；

② BGA(SAC)尺寸27*27 225球，pitch1.5mm；（如图2.1，图2.2） U n R e g i s t e r e d

图2.1

图2.2

③ BGA 在PCB 中心偏右2-3cm 位置；（PCB 入厂无变形和划伤，BGA 外观检验合格）

④ 使用的焊膏：铟泰锡铅SP8系列，推荐120-175恒温60-120秒，215-235回流45-90秒；

⑤ 回流焊：八温区 热风 非氮气 ；

⑥ 工艺参数：120 140 160 180 190 220 245 255 链速68cm/min；

（上下温区温度一致）

温度测量：Profile 测温板针对BGA 做底部的热偶采点；

测试数据： Peak --228℃ >217℃--32秒；

其它数据都均在锡膏Datasheet 工艺窗口范围内。

从我们的回流曲线上看，我们采用的是三角波的回流方式，使用这样的回流曲线有可能会导致热量不足，但从混合制程来说，对FULX 有利，有铅焊膏的FLUX 比无铅焊膏耐热性差很多，而对于针对性的混合制程来讲，理论上在润湿性上就具有明显落差，而在制程上给予补偿并不是不可行的。

从印刷，贴片，到回流，我们对产品进行严格的制程跟踪； U n R e g i s t e r e d

然而在产品首件进行测试时，问题出现：测试无法通过；我们对产品进行了较全面的检查，发现BGA 的焊接状况有异常：焊球发乌无光泽，坍塌不明显，底部焊盘回流后的锡膏焊点外观色泽基本良好，但焊球与焊膏未能回流成型；

我们通过外力对BGA 进行下压，再进行测试，测试状态非常不稳定，且BGA 在下压的供电测试情况下有发热迹象，在经过反复的多次测试还是无法PASS；如果是BGA 虚焊，验证它的最实用直接的方法就是再回流，我们将该BGA 加入适量助焊剂进行再回流实验后，测试PASS.

问题初步判定的结果：BGA 虚焊。

3. 对于缺陷的原因，我们通过实际焊接过程结合它的基础数据与特性进行分析

我们分析：BGA 焊球与底部焊膏的不充分融合，导致了虚焊缺陷的发生。原因为制程工艺参数的Peak（回流）温度/时间不够，无铅焊球没有充分熔化并正常坍塌，无法与焊膏充分融合导致虚焊（假焊）的发生。

我们对回流焊的参数进行了调整，延长回流的时间，放慢链速并增加后两区回流峰值温度；所测Profile 曲线数据 Peak—234℃ >217℃--70秒。并进行再次产品的焊接。

产品的焊接效果目视良好，焊球色泽一般，坍塌情况很好；测试一次性PASS，问题解决。

在混合制程中，我们首先选择的可靠性温度一定是遵循BGA 与焊膏能够充分融合为前提，这个温度通常选择在235℃--240℃之间；（在此提及一下，理论上的有铅与无铅的焊接并不能够真正的在结构上充分合金化，我们在工艺制程参数的调整是针对非结构合金化的改善）

而当锡铅焊膏的回流温度超过235℃时，润湿性开始变弱，其属性就开始过度氧化，影响合金化效果，所以建议考虑的温度不能大于235℃； 但是其它元器件的耐热性也给我们的制程范围带来了局限，所以在其它元器件耐温的最大范围仍然无法满足BGA 充分合金化温度条件下，我们将只能选择延长回流时间。

4. 通过有铅制程无铅BGA 的实际焊接过程的剖析和总结，我们的建议

针对以上的实际案例和其本身工艺的特殊限制，建议：在SAC305 BGA 做有铅制程情况下，回流217℃以上的时间控制在80-110秒（并可以适当的延长预热的时间）来作为热补充，Peak 建议控制在230-235℃，建议的最佳值在234-236℃。（必须在满足器件的耐热限度的基础上来设定）

当然，这样的最佳温度范围很难包容的了在量产以及在使用夹具等情况下出现的温度浮动，所以务必做好Profile 的实际（模拟）测量，以及在实际生产中对炉内板距，工装的先进先出等进行操作控制。

然而，针对不同封装的BGA 和基板，我们还需要做大量实验来验证，做出有针对性的参数优化，并以此为依据进行调整。

目前不少公司对于混合工艺的使用面都较为广泛，本文的论述还缺少更全面的数据论证，希望能向业内各位老师前辈们请教和探讨，通过更多的深入研究来提升SMT 行业技术的发展。 U n R e g i s t e r e d