摘 要:

网络产品持续不断的功能浓缩和集成，正在驱动对使用高I/O封装器件(陶瓷柱格阵列，即CCGA；或者塑料球格阵列，即PBGA)的大型印刷电路板进行研究的需求。迄今为止，现有的那些关于无铅热焊接对大型复杂组装件的影响的理解是有限的。本论文将着眼于与无铅热焊接相关的更大的封装(52平房毫米内高达2577个I/O)。本文将研究一些诸如锡膏印刷和回流焊的组装工艺，并提供了研究成果。本文还会评估这些器件类型的返工，并讨论关于开发一个成功的返工工艺的关键问题。

关键字:CCGA，返工，PBGA，无铅

前言
随着无铅热焊被广泛应用，预计一些大型复杂线路板可能会需要无铅热焊工艺，此类线路板拥有大型高I/O和高热容量元器件，比如那些CCGA。目前那些使用锡-铅柱的CCGA，被期望在不久的将来，在一定的环境下与无铅焊料一起使用，然而，使用无铅柱的CCGA，还正处于不断的开发和评估中。
以前，已经报道过关于使用锡-铅焊料焊接CCGA的重要工艺参数的调查结果。在那项调查中，研究了使用无铅焊料焊接CCGA的一些关键因素，包括锡膏印刷，器件取放，回流和返工。然而，自对中研究是特别针对使用无铅焊膏的锡-铅柱CCGA的，针对回流和返工的热研究更广泛的适用于高热容器件，可能没有考虑焊料柱的冶金属性。

元器件选择
选择了2种具有雏菊莲的CCGA器件(图1)。其中一个器件，CCGA-2577，具有最大的陶瓷体面积，52.5mm×52.5mm，连接在一个平整的开放式盖罩上；另外一个器件的基材非常厚，3.75m m，连接在一个封闭的盖罩上。之所以选择这些器件进行研究，是因为它们巨大的热容量带来的回流工艺挑战。
具有45mm×45mm的体面积和1900个I/O的巨型球格阵列(BGA)封装，具有40mm×40mm体面积的方形扁平封装（QFP），以及0.4mm间距和28mm×28mm体面积的细间距QFP，都包括在这个试验之内。表1列出了这些器件的详细信息。
紧接着CCGA和BGA，诸如0402和0201这些小器件也包括在这个实验中。

实验工具设计
一个外部尺寸为18×20，厚度为0.125，具有超过62,611个机械钻孔的实验工具(图2)被开发了出来，并使用镍/金作了表面处理。

结果和讨论
印刷工艺
对无铅锡膏(锡-3.9银-0.6铜)的印刷工艺进行了调查。通过运行DOE，确定将要使用的最佳印刷参数。过程中被变化的参数为：刮刀压力，印刷速度和分离速度。一共运行了11种组合，每种组合对应3个样本。实验中使用了0.150mm(6mil)的网板，并采集了CCGA2577和0.55mm CSP的沉积量。锡膏量的标准偏差被用作响应因子。表2列出了基于标准偏差百分比的印刷结果。这些数据显示，当刮刀压力设为中等，印刷速度设为低，分离速度设为高时，获得了最佳效果。印刷工艺看起来和锡-铅印刷工艺没什么差别。
贴片工艺
对于拾取和贴放，使用无铅焊料的主要问题是元器件的自对准(或自对中)焊盘的能力。对于这个实验，使用了一个PBGA1517(具有锡铅-焊球)和一个CCGA2577(具有高铅焊柱)。这些器件随后被分别贴放在偏离焊盘中心25%，50%和75%的位置，并在空气环境内进行回流焊界，使用的是无铅锡膏和无铅温度曲线。在回流前和回流后，分别使用x-光和目视对这些进行了检查。
PBGA能够像平时一样自对中到焊盘中心，即使被贴放在偏离焊盘中心75%的位置。从图3可以看到CCGA器件的贴片情况。CCGA器件可以被贴放在最大偏离焊盘中心25%的地方，否则不能自对准。当偏离50%及其以上时，可以看到那些焊柱倾向于碰到临近焊盘上的锡膏沉积，随后会试图连到临近焊盘上，从而导致短路。
回流温度曲线
实验中使用了一个9温区的对流回流焊炉，回流焊温度曲线是在空气环境内制作出来的。制作了一个最合适的温度曲线，它最符合无铅锡膏所要求的最小峰值温度，同时保持了一个尽可能低的横穿主板的增量T。
热电偶被安置在主板上六个不同的位置(表3)。从图4可以看到实际的回流焊温度曲线。设置好这个曲线后，为了检查其稳定性，该曲线被运行了很多次。随后计算了该炉子的Cp和Cpk。最小回流温度峰值被设置在235摄氏度，误差为±5摄氏度。基于此标准，这个炉子的Cp和Cpk分别是3.6和3.2(表4)。这表明，这个炉子完全能够在一个正常的过程之保持其曲线。
最大的增量T(35摄氏度)发生在CCGA1657中心和主板表面之间。然而，对于CCGA2577，增量T只有25摄氏度。为了解释为什么较小的CCGA1657(42.5平方毫米) 的增量T比较大的CCGA2577 (52.5平方毫米)还大，需要进一步观察其封装结构。从图5可以看出2个器件之间的主要差异。结果表明，CCGA1657比CCGA2577 厚。1657 CCGA有一个3.7mm厚的陶瓷基材和3.0mm厚的盖子，而且这个盖子是直接连在基材上的。相比之下，2577 CCGA器件有一个2.8mm厚的基材和一个2.5mm厚的盖子，而且盖子是直接连在芯片上的，在盖子下面留有一个开放的空气空间。我们相信CCGA1657和CCGA2577之间的结构差异导致的热量传输差异就是增量T不一样的原因。
返工
最后一个研究的范围是，能够处理大型CCGA封装无铅焊料的返工设备的能力。返工设备有一个对流底端加热器和一个用于局部加热的顶端吸嘴。在一块主板上的8个位置安装了热电偶(表5)，随后运行了多个温度曲线，最冷点的峰值温度从185摄氏度到最高240度不等。在使用顶端加热器之前，主板被底端加热器一直加热到150摄氏度。这些结果随后被被打印到一张图上用于分析。从图6可以看出，当增加顶端加热器的设置时，每一个热电偶位置的峰值温度都会轻微增长，而且增长情况各不相同。这有助于解释为什么为一些大型器件制作一个合适的曲线是比较困难的。例如，对于一个无铅置换曲线，顶端加热器每增加一度，CCGA的顶部将增加大约0.766摄氏度，而CCGA器件的中心将增加大约0.666度。因此，顶端加热器每变化10摄氏度，中心焊点和器件顶端之间的增量T预计可能增加1摄氏度。

在这个返工台上，发现在CCGA封装的中心焊点和外侧边角焊点之间存在大约17摄氏度的增量T。大体上，这个特别的返工设备能够制作一个适合的无铅工艺曲线用于移除和更换一个大型CCGA器件。

总结
上述实验已经表明，一个适于大型CCGA器件的无铅工艺是可能的。锡膏印刷和器件取放的无铅工艺与锡-铅工艺被认为是一样的。使用无铅锡膏，当被贴放在偏离焊盘25%的位置时，CCGA器件能够自对准到焊盘上。
主要的问题是位回流焊和返工设置温度曲线，以及对周围器件的温度影响。在CCGA上可以看到一个巨大的温度增量，但是在最大/最新的CCGA器件上，增量T比旧版本的较小的器件的增量T低。这有助于减轻可能遇到的一些潜在的热量问题。一台现存的返工台被证明能够移除和替换使用无铅工艺组装的CCGA。关于使用无铅焊接工艺的无铅CCGA的更进一步的调查工作正在进行中。