光通信机盘无铅BGA器件混装的工艺研究
为了适应RoHS环保法规，器件制造商正在进行封装的无铅切换，在切换期间，无铅、有铅元器件和铅锡、无铅焊接工艺会并存。由于通信类产品会充分利用RoHS指令有关焊料铅豁免的条款，继续用锡铅焊料进行焊接。因此面临着在同一块机盘上的BGA器件既有“无铅”又有“有铅”的混装状态，所以机盘的SMT装联将面临，有、无铅BGA器件与“锡铅焊料”、“无铅焊料”焊接工艺的兼容性成为通信机盘的关键问题。
1 无铅向前兼容混装的物料资料
(1)电装机盘：×××2.×××.155/151/154/148/149×××
(2)采用无铅焊膏：SAC305
焊膏金属成分：Sn96.5%/Ag3.0%/Cu0.5%
固化温度：217 ℃ 液化温度：220 ℃ 比重：7.4 g/mm3 颗粒尺寸：25μm～36μm
重量比：金属89% 助焊剂11% 体积各50%
推荐回流焊接曲线：
(3)电装的无铅BGA器件封装数据
TK3701/21-LF器件体积：70 mm3；厚度：2.6 mm；间距1.27 mm，球径：Φ0.75 mm；最高焊接温度：260 ℃；焊接时间：10 s。
(4)机盘上需电装的TSSOP（48LC4M16A2,48LC4M32B2）薄型器件封装数据 48LC4M16A2器件引脚54条表面涂层材料为Sn90%\Pb10%目前为有铅器件，Picth0.80 mm。
48LC4M32B2器件引脚86条表面涂层材料为Sn90%\Pb10%目前为有铅器件，间隙0.50 mm。共面性的尺寸为0.10公称尺寸、公差为+0.10到-0.05 mm。
(5)按IPC-J-STD-020C国际行业标准的工艺数据：PEAK为250 ℃、TAL：60 s～150 s。
(6)PCB为FR4，tg:135 ℃
(7)丝印模板：不锈钢—6 mil厚,按有铅工艺收缩10%的比例开孔。
2 无铅向前兼容混装的工艺参数设计
（1）丝印参数
丝印速度：60 cm/min；压力：8㎏/mm；脱网速度：1.0 mm/s；清洗：5块/次。
环境：24.1 ℃ 61.5 RH%
（2）贴片参数：BGA器件贴片压力：2 N～3 N
（3）采用的回流焊接曲线
上部 150 ℃ 190 ℃ 200 ℃ 180 ℃ 180 ℃ 250 ℃ 60 ℃ 250 ℃ 245 ℃
下部 150 ℃ 190 ℃ 200 ℃ 180 ℃ 180 ℃ 255 ℃ 265 ℃ 255 ℃ 250 ℃
速度：70 cm/min
（5）无铅BGA等器件的焊接温度测试表
3．无铅向前兼容混装工艺分析
(1)无铅BGA等器件的焊接温度分析
a基本满足焊膏SAC305供应商推荐焊接参数和IPC-J-STD-020C国际行业标准要求。
b此曲线△t很好为4.9 ℃，这样使PCB上各类体积大小不同的元器件能同样达到焊接要求。特别对于无铅BGA器件顶部和底部的△t为3.2℃,有利于无铅BGA的焊接。
c此曲线在无铅BGA底部的230 ℃以上时间还可以提升为10 s更好。
(2)无铅焊点状况观察和分析
a机盘BOT面经过二次无铅高温焊接后，在机盘中间个别的0603电阻中间有氧化过大，颜色变深。
b在X-Ray设备观察无铅BGA器件，
* 焊球变形：在放大倍数40倍，倾斜转角55°，对比度75%条件下，两焊球在中线（红线）部位上焊球相切变形充分，说明焊接良好。
*焊球表面：表面比较圆和比较光滑，但个别焊球表面有凹坑，焊球凝固速度待加快。
主要原因是，在SAC焊料的降温中，由于非共晶占最多量的锡（96.5% by wt)，会率先冷却（m.p232 ℃)而引成枝晶棒状突出物，其余仍处于液态的（217 ℃）部份，随后继续冷却，引成较平滑的区间部分，因而总体外观上将出现许多颗粒状的突起。若冷却速度快，使不同金属冷却的变化率大，使变化的差距小，焊点的内部和表面的结晶状况会改善。快速冷却可以细化晶粒，提高强度，防止偏析，增强可靠性，避免Ag3Sn和Cu6Sn5等树枝状结晶的形成，而造成表面的粗糙。因此在无铅回流焊接中焊点的冷却速度一般要＞4 ℃以上。
* 焊球空洞：这两种无铅BGA器件的气孔状况尚可，其中TK3701-LF器件的没有气孔（左图），TK3721-LF器件有少量的小气孔（右图）。
(3)从放大镜（7倍）下看焊点表面，焊点形状、光亮度符合IPC-610D的无铅焊点的要求。
(4)对于TSSOP器件（0.5㎜间距）IC引脚上，有较多的气孔，在引脚趾处小而多，可能影响焊接的可靠性。
2170712R1B机盘TTSOP气孔小而多图 2119155R2A机盘TTSOP脚趾小气孔图
可能原因：
a在165-217℃的时间不足，使助焊剂挥发不充分，引成孔洞
b器件引脚有氧化可焊性差。
c不同的机盘表面镀层的差别对于气孔的影响。
(5)采用PCB纯锡镀层、305无铅焊膏、100%Sn的TTSOP48、全无铅焊接工艺的焊点内没有空洞。见下图。
(6)在另一块机盘上，无铅BGA—4个，有铅BGA—2个。
采用无铅焊膏SAC305和无铅焊接温度（向前兼容）的工艺方法。下图是有铅BGA焊后焊球内部空洞状况图。
采用无铅向前兼容焊接工艺方法，在有铅BGA中的空洞多，基本个个都有。分析原因：主要是当焊料（无铅）的熔化温度比有铅BGA高时，即BGA在熔化时无铅焊料正在挥发Flux中的气体，这气体的部分钻入已熔化在焊球中去，使有铅的焊球中有较多的气体，冷却后在由于气体的密度低，在有铅焊中引成空洞。空洞多少的问题是由于回流曲线的设定有区别，可能是让焊膏中Flux挥发的时间不足，气体挥发不充分，因此在采用无铅向前兼容焊接工艺的回流曲线，一般应采用浸润式的回流曲线较好。对于BGA器件与有、无铅焊膏的焊接气孔比较，见下表。
(7)在无铅向前兼容采用无铅焊膏焊接时，针对机盘上的有铅BGA器件的空洞比较多的问题，用下列工艺参数做工艺试验
a采用RSS型曲线，此浸润平台为170℃——180℃的时间为90Sec以上
b缩短从183℃——217℃的时间在30 Sec以下
c控制冷却的速率在4℃/S——5℃/S，在200℃以下可以缓一些，一般为3℃/S。
经工艺试验在有铅BGA器件的空洞有大幅度的减少。
对于向前兼容的焊接工艺对于无铅BGA焊接基本没有问题，但对于有铅BGA的焊接曲线设计要求较高。
4 可进一步完善的方面
(1)在丝印上将60 cm/min下降为30 cm/min，使在0.5 mm间距的IC焊盘上的焊膏量将增加20%，可减少此TTSOP器件的虚焊。
(2)此回流曲线的温度偏低，将焊接速度降为65CM/MIN，将温度设定后4区的温度上下对调，可能对于BOT面的个别0603电阻中间颜色变深有改善。
(3)模板若按无铅要求，采用PCB实际焊盘的100%考虑，并按圆弧（20%-60%-20%）开孔的方式处理。能进一步增加丝印焊膏量和丝印品质，有利于提高焊点的可靠性。
(4)对于TSSOP（48LC4M16A2,）薄型器件在SMT电装上存在问题，一方面研究薄型器件的焊接方法。另一方面可以改成BGA封装形式器件进行SMT电装，一般意义上BGA封装形式器件在周转、储存、电装上，将比TSSOP薄型器件更容易操作。见下图。
5 结论
对于TK3701-LF/TK3721-LF无铅BGA器件，采用向前兼容混装的方法，在制造部基本可行，但对于有铅BGA的焊接空洞将进一步的研究，对于无铅BGA的电装可靠性将作切片、MIC、冲击等工艺试验，有进一步提高机盘混装质量的空间，为下一步实现通信机盘的全部无铅化作准备。
