短针PGA器件波峰焊接后故障分析_徐朱力.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期9摘要：针对某型号短针PGA器件经波峰焊接后焊点故障进行分析，通过验证工艺参数对通孔透锡率、焊接合金层的影响，进一步识别焊接风险项，确定了造成焊接缺陷的主要原因，最终确保了短针PGA器件的可靠装联。关键词：PGA短针；波峰焊；焊点分析中图分类号：TN405文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0009-05Abstract:The solder joint failure of a certain type of short-lead PGA devices after wave soldering is analyzed,and the soldering risk items are further identifi ed by verifying the infl uence of process parameters on the through-hole filling rate and IMC.The main causes of soldering defects are determined,and the reliable assembly for the devices is fi nally ensured.Keywords:short-lead PGA;wave soldering;solder joint analysis Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0009-05短针PGA器件波峰焊接后故障分析Failure Analysis of Short-lead PGA Devices after Wave Soldering徐朱力，王珂，刘瑜，黄伟，陈敦良，刘沛鑫XU Zhuli,WANG Ke,LIU Yu,HUANG Wei,CHEN Dunliang,LIU Peixin（上海空间电源研究所，上海 200245）(Shanghai Institute of Space Power-Sources,Shanghai 200245,China)0 引言插针阵列封装（PGA）连同球栅阵列封装（BGA）、陶瓷柱栅阵列封装（CCGA）作为高密度装联的代表器件，在航天器电子装联中发挥着重要作用。从插装工艺向高密度表贴工艺转变过程中，PGA因其多功能、高I/O端口，以及具有耐高温、耐高压、优异的电热性能、高内部连通等特性，已在多领域实现广泛应用。同时，从封装角度而言，PGA封装器件所具有的高密度金属针不仅可以确保器件的密度信号处理，同时也可缓解器件本体与基板之间的热膨胀系数（CTE）不匹配而造成的热应力和机械应力问题，从而大大提高焊点的组装可靠性。随着航天器向高性能、高精度、高速运算方向发展，航天电子PCB设计越来越复杂，新型性能元器件也伴随使用需求不断衍生，一些特殊的PGA器件在装联中出现引脚过短、间距过密等情况，无法通过常规通孔插装实现焊接，给产品可靠装联带来严峻挑战。已有的研究1-5对新器件的可靠性验证和风险识别的分析较少。结合当前宇航型号生产任务激增，产品特殊使用需求不断增加，对组装可靠性提出了新的，更高要求，急需对新器件、特殊器件增强风险识别及故障分析。本文以某型号用短针PGA器件（SMJ320）为例，针对使用过程中该器件焊点失效开展故障分析，对短针PGA器件的组装风险进行了充分识别，通过优化焊接参数，最终保障该器件的高可靠组装，对提高同类产品的焊接可靠性具有一定指导意义。1 问题概述设计人员在某产品的测试过程中，发现基带电路组装件中型号为SMJ320C6415DGADW60的数字信号处理器（DSP）中，短针PGA封装芯片未正常工作者简介：徐朱力（1 9 9 0-），男，工程师，主要从事宇航产品电子组装工艺及材料分析的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.003微组装技术S MT P C B 2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology10表1 未焊接孔覆铜厚度值单位：m位置左侧孔壁覆铜厚度右侧孔壁覆铜厚度元件面2 4.8 03 1.4 5焊接面2 6.5 12 9.5 8作。进一步排查后发现DSP 5个引脚（P5、P9、L7、L8、N9）的焊接过孔处信号正常，但PGA芯片引脚上信号幅度较小，信号峰峰值仅几十mV，初步判断为焊点失效，如图1所示。的其他相同孔径的未焊接通孔的孔覆铜厚度进行对比分析，分析结果数据详见表1和图4。（a）器件结构示意图 （b）故障管脚分布示意（a）故障焊点截面形貌示意图4 对比未焊接通孔形貌（b）孔壁形貌S E M分析示意(a)侧面焊点润湿形貌 （b)底面焊点形貌P 5L 7L 8P 9N 9图1 器件故障管脚分布示意图图3 故障焊点形貌示意图2 焊点形貌分析2 故障排查采用高倍显微镜、扫描电镜进行焊点形貌分析。2.1 光学检查现场人员采用高倍显微镜对故障器件的焊点分别从侧面和底面进行形貌分析。从侧面观察，该器件的侧面可视焊点焊料润湿良好；从底面观察，该器件的焊点大部分呈现内凹形貌，局部焊点与焊盘平齐。进一步检验发现5个故障焊点的印制板走线均在焊接面，焊点的表观形貌均为焊点凹陷，局部故障焊点周围出现了疑似裂纹，焊盘和通孔中间焊锡的连接面处存在一条围绕孔壁的深色阴影。为进一步确认焊点存在的黑色阴影，检验人员在显微镜下采用特制表棒测试故障焊盘内侧和外侧，发现存在约2 M的电阻，证明故障焊点的焊盘与孔壁存在裂纹，甚至存在局部焊盘脱离情况，如图2所示。2.2 金相排查为进一步分析故障原因，对故障焊点印制板进行了金相分析，如图3所示。该DSP芯片器件的故障焊点的焊接面普遍存在孔焊盘掉落情况，附近孔壁颈缩断裂，且该处的孔焊盘存在明显的“吃铜”现象，而元件面侧的孔焊盘则未见异常。从元件面和焊接面孔壁覆铜厚度可以明显看出焊接面明显减薄，比对元件面附近的孔覆铜厚度约23 m，但焊接面附近的孔覆铜厚度仅有11 m，甚至局部孔铜断裂处，孔覆铜厚度不足5 m。同时，通孔部分区域可见孔壁分离，基材疏松明显；通孔普遍存在芯吸，但芯吸80 m，满足IPC-6012D的标准要求。为判断印制板在焊接前的状态，对该印制板上在形貌上未焊接通孔的孔壁覆铜均匀连续，焊接面和元件面边界覆铜圆角饱满，焊盘处覆铜厚度较孔壁较为宽厚。在孔覆铜厚度方面，未焊接孔覆铜厚度在24.80 31.45 m，平均厚度为28.085 m，满足IPC-6012D中关于孔覆铜平均厚度大于25 m，最小厚度大于20 m的要求。3 原因分析结合上述故障现象，需要对DSP芯片器件的焊点故障现象进行原因分析。结合5M1E分析方法，仅“料、法”存在特性差异，因此主要从器件本体、装联操作、工艺参数及基板热重方面进行分析。3.1 器件本体实施风险分析本次发生问题的DSP芯片为陶瓷针栅阵列封装（CPGA）器件，器件形貌如图5所示。器件底面引脚呈针状阵列排布，本体为陶瓷封装，引脚间距为1.27 mm。该器件引脚长度为1.782.28 mm，引脚直径为0.250.35 mm。按照QJ 165B标准要求，元器件安装后引线伸出板面额长度为1.50.8 mm。对比待组装的PCB数据，印制板为8层板，板厚为2.0 mm，金属化孔直径0.5 mm。由于该器件需要抬高0.5 mm进行焊接，所以该器件插焊时，引脚仅处于印制板金属化孔中距第44卷第1期11离焊接面存在0.2 0.7 mm的位置，较常规PGA器件明显缩短。通过对该器件特点进行分析，此类器件由于没有器件引脚导热与引流，要求波峰焊接时喷头速度较常规器件的速度更慢、喷头距离印制板高度应更近，这种操作容易导致焊接过程中焊接温度过高或焊接时间过长等问题。工艺流程设计合理，符合相关装联标准要求。从焊接原理上分析，表贴回流焊接过程中印制板组装件受热均匀。焊接过程中实测最高温度为223，远低于印制板热应力试验值287。同时，根据金相分析经过2次回流焊、但未经选择性波峰焊接的未焊接金属孔的形貌和实测值（见表1），发现孔壁未断裂且未发生明显的变薄迹象，因此排除了因回流焊而引起焊点失效的因素。本次发生故障的DSP芯片是因为采用了选择性波峰焊工艺。从原理上分析，选择性波峰焊接是将熔化后的焊料通过泵喷流成焊料波峰（也可通过向焊料池注入氮气形成），按照设计路径实现焊接面波峰移动进而实现元器件引脚与焊盘之间的焊接操作。上述原理描述操作过程可知，波峰焊接操作实施在焊接面，这与故障焊点焊接面发生失效而元件面无异常的现象一致，因此可以分析得出故障发生在选择性波峰焊接过程中。图5 C S P-B G A 器件本体尺寸及形貌示意图6 P C B 组件装联流程图3.2 装联操作风险分析该印制板组装件的装联流程如图6所示。可以看出，本次载有DSP芯片的组件装联共涉及10道焊接工序，其中7处（绿色标识）为背面表贴焊接，3处（红色标识）为正面表贴焊接及选择性波峰焊接，3.3 工艺参数设置分析根据上述分析，本次DSP芯片器件本体引脚过短缺陷和选择性波峰焊接操作不当是造成故障发生的直接风险。但是这两个单体原因不足以导致故障出现，且故障在单体原因下未进行复现，因此不能最终确定。本次故障必须进行复现，方可进行后续故障纠正并最终闭环，因此工艺参数分析不可或缺。本次DSP芯片的实际工艺参数详见表2，焊接过程采用喷头6/10（内径6 mm，外径10 mm）。波峰焊接参数是根据行业内的标准和选用助焊剂的厂级指导，目前该工厂设备使用的助焊剂为Alpha公司的LONCO 松香助焊剂 800(RF800)。根据该助焊剂的设备设置指南，要求上表面预热温度为85110，下表面预热温度约高于上表面35，锡锅接触时间为1.53.5 s。锡锅温度为235260。焊接过程中采用炉温测试仪对印制板组装件的短针PGA中心处（焊接面）进行焊接温度实时监测，焊接实测曲线如图7所示。图7 故障焊点曲线时间/s0 1 3 6 2 7 2 4 0 8 5 4 4 6 8 0 温度/3 6 02 4 02 0 01 2 00表2 P G A 短针焊接参数预热参数焊接参数上预热温度/1 4 0波峰高度1 0 0%预热时间/s2 1 0焊接高度/mm1下预热功率2 0%焊接温度/2 7 0预热时间/s2 1 0移动速度/(mms-1)1注：喷头选用6/1 0（内径6 mm，外径1 0 mm）预热区温度恒定在120130，升温速率约为0.5/s。焊接温度约为261.2，焊接时间为5.2 s。徐朱力，等：短针P G A 器件波峰焊接后故障分析2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology12图1 0 调试后焊接曲线时间/s0 8 5 1 7 0 2 5 5 3 4 0 4 2 5温度/3 6 02 4 01 2 00但从整个温度曲线看高于200 的时间约为94 s，长时间高温将会导致铜盘浸蚀甚至消失。根据Q/W 1262及GJB 362B中关于选择性波峰焊的要求，判断印制在焊接过程中能承受的极限温度中热应力试验部分。通过综合对比后，本次PGA短针选择性波峰焊接过程中存在温度较高的风险，但是满足GJB 362B的要求，焊接参数确实需要进行优化。3.4 基板Z-C T E 影响分析对于基板加工而言，电镀铜与基材层间Z方向热膨胀系数不匹配也是导致金属化孔的可靠性降低的直接原因。在产品经历焊接温度及使用高低温变化时，都会对基板产生一定影响。不同温变条件下，基板内部产生不同的热应力，不同材料之间应力相互作用循环增加，造成金属化孔疲劳，进而出现断裂、分层等不同程度损伤。结合本次故障焊点焊接曲线，焊点在焊接过程中长时间受热，在20260 范围内树脂基材的膨胀系数与铜的膨胀系数不匹配，约高两个数量级，金属孔及焊盘受印制板Z轴方向的拉伸力较大（形变大），存在金属孔和焊盘断裂的风险。为验证热膨胀系数影响，本次故障样