摘 要：5G芯片集成度增加导致对散热要求高，需要增加金属盖的质量以提高散热能力，导致BGA芯片重量增加，二次回流存在掉件风险加大。本文通过系列验证完成了对BGA芯片二次掉件风险的评估，将40×40 mm及以下BGA芯片在贴有underfilm胶条情况下二次回流重量面积比参考值提高至0.12 g/mm²，基于此在35×35 mm、27×27 mm两款芯片上完成了焊接验证，为BGA芯片的工艺设计和导入提供了数据支撑，具有一定的推广验证价值。

关键词：BGA 二次回流   掉件   重量面积比

随着5G产品的发展，很多产品都在采取高端的封测工艺制作先进的自研芯片。但自研芯片由于设计经验、选材等方面的经验和可选范围限制，导致频繁出现各类可生产性问题，其中有两种芯片在设计阶段根据研发需求的调研识别出二次回流掉件风险，计算出的安全系数达到经验规范值的2倍以上。

业界目前有多种方法可以防止双面回流时元器件掉件。方法一，用胶固定BOT面元器件，这样在第二次回流时就不会掉件，但是该方法需要增加额外的工序、设备和成本；方法二，两面焊接所用的焊料合金不同，他们熔点不同，B面焊接所用的焊料的熔点较低，该方法在许多应用场合有不少问题，低熔点焊料合金的熔点可能太低，不适合最终产品的使用温度载荷，反之，高熔点焊料合金可能所需的回流温度较高，回流时可能对元器件和基板造成损伤；方法三，在二次回流时，对电路板BOT面吹冷空气，使BOT面焊点低于液相线温度，该方法问题是温度很难精确控制，且由于两个面存在温度差异，可能会引入应力。

现阶段我们应用的大部分较大的自研芯片，芯片底部都贴有underfilm胶条，尽管胶条在达到焊锡熔点前已溶化，但是其表面张力对BGA芯片还是能够起到一定程度的吸附作用。那么，在胶条的作用下芯片重量面积比跟之前的经验公式相比是否还有上调空间。

基于以上问题和背景，我们设计了BGA二次回流掉件风险评估实验，以芯片重量为变量，探索在有underfilm胶条情况下，芯片二次回流重量面积比上限，为了增加实验结果的应用场景，并未考虑回流托盘因素。

2.1验证方案

在40×40 mm芯片上增加配重块用来模拟超重情形，采用无铅焊接工艺，本次验证仅考虑单因素重量面积比的影响，芯片底部贴有underfilm胶条，回流过程不使用托盘。

验证步骤：

①芯片增加配重：选取几个重量面积比梯度包括0.094 g/mm²、0.13 g/mm²、0.16 g/mm²、0.22 g/mm²四种，在芯片上粘贴对应配重的铜块（图1）。

②印锡贴片：钢网采用0.15 mm厚度，无铅锡膏。

③二次回流：要求最高温度在240 ℃~250 ℃之间，217 ℃以上回流时间100~120 s。

④温循实验：器件焊接到单板上后放入温循箱内，无整机装配。实验条件采用标准温循条件，温循温度范围：-40~125 ℃；温循速率11 ℃/Min，从低温到高温/从高温到低温转换时间控制在15 min；高温/低温的保留时间30 min，16循环/天。

⑤切片分析：金相切片方式测量焊缝高度、观察焊点形貌。

2.2验证结果

二次回流后4种重量芯片都未出现掉件，经过温度循环后对芯片焊点进行切片，切片结果见表2。

1）随着重量面积比的增加，焊缝高度也会增加，同时焊点形貌也逐渐变的细长，但是整体还是呈现腰鼓型；但即使在0.22 g/mm²重量面积比下也没有出现颈缩和拉断情况，说明在采用underfilm胶条情况下，相对规范值所给的0.05 g/mm²，存在一定程度上浮调整空间；

2）4种芯片温循焊点500循环切片位置并未出现裂纹，说明BGA焊缝的增加并未对焊点的长期可靠性有显著的影响。

根据以上数据，将四种重量面积比下焊缝高度利用曲线拟合后的效果如下图2所示。按照焊点不被拉伸成柱状为判定焊点接收的依据。根据焊球、印锡量计算焊点拉伸为柱状时的焊缝高度：

BGA焊球所带焊锡体积（0.6 mm焊球）：V_BGA=4/3×π×（0.3）³=0.11304 mm³

印锡所带焊锡体积：V_印=0.48×0.48×0.15/2=0.01728 mm³

BGA焊盘和PCB焊盘直径均为0.48 mm，焊点被拉伸为柱状所需要的焊盘面积：

S_焊=0.24×0.24×π=0.181 mm²

H=（V_印+V_BGA）/S_焊=0.72 mm

即，当焊球高度达到0.72 mm时，焊球被完全拉成了柱状，开始颈缩。

按照70%安全系数计算，利用表2中的实测数据插值得到对应的重量面积比约为0.12 g/mm²，由此将0.12 g/mm²设定为40×40 mm芯片的二次回流不掉件重量面积比参考值。

基于以上数据和结论在27×27 mm、35×35 mm、42.5×42.5 mm三款芯片上进行了重量面积验证，验证结果见表3；

1）27×27 mm、35×35 mm芯片在重量面积比为0.17 g/mm²情况下焊点都出现了拉伸形貌，整体呈现腰鼓型，说明0.12 g/mm²的重量面积比对于小尺寸芯片（带胶条）来说相对较为安全，可以推广验证；

2）42.5×42.5 mm芯片在重量面积比为0.13 g/mm²情况下焊点出现了明显的拉伸形貌，部分边缘焊点几乎快拉直；中间区域焊点形貌好于边缘焊点，说明二次回流芯片焊点拉伸情况除了和重量面积比有关外，还会受到芯片翘曲影响，该情形在芯片尺寸越大时表现越明显，对于40×40 mm以上芯片若需二次回流，0.12 g/mm²重量面积比阈值较为临界，需要辅助其它方法进行更多验证，例如减少芯片回流翘曲、增加回流托盘等。

本文针对BGA芯片完成了二次回流掉件风险评估，经过系列实验得出在芯片尺寸小于40×40 mm同时底部贴有underfilm胶条情况下，重量面积比参考值可以提高至0.12 g/mm²的结论，并在25×25 mm、35×35 mm两款芯片上完成了横推验证，焊接不良率低于0.2%，无二次回流掉件问题，具有一定的推广验证价值。