CN114515903A - 一种ccga高铅焊柱的激光植柱方法 - Google Patents

一种ccga高铅焊柱的激光植柱方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及雷达电子功能部件制造技术领域，具体涉及一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，通过去除CCGA原有高铅焊柱，在CCGA陶瓷基板焊盘上印焊膏，拾取高铅焊柱，放置于对应焊盘，完成植柱，激光焊接，形成高铅焊柱与陶瓷基板间的良好焊点，焊点清洗等工序完成制备，该植柱工艺制备的CCGA具有1000个以上的高铅焊柱，焊接时间≤10min，整个器件共面性≤0.15mm，器件整体焊柱歪斜度≤5°，外围单个焊柱的歪斜度≤5°，焊接精度≤±10μm，焊柱与陶瓷基板焊盘焊点空洞率≤5％，该CCGA在高低温循环实验(‑55℃～100℃)1200个循环之后无短路、开路，信息交换功能正常，这种激光植柱方法植柱效率高、合格率高、一致性好、可靠性高。

Description

一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法
技术领域
本发明涉及雷达电子功能部件制造技术领域，具体涉及一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法。
背景技术
随着军事电子中的板级互联产品向轻、薄、小、高密度、多功能化、高集成方向的高速发展，促使新的封装技术也随之不断出现和发展。CCGA(陶瓷柱栅阵列)作为CBGA(陶瓷球栅阵列封装)的发展和改进版本，具有电热性能好、气密性强、抗湿性能好和可靠性高的优点，适用于更大尺寸和更多I/O的封装结构，在航空、航天等军用电子产品制造领域占有非常重要的地位，尤其是一些服役于严苛环境的军事电子装备。
然而高铅焊柱在空气中易发生氧化的特性，容易造成可焊性差、虚焊等可靠性隐患，因此CCGA使用前必须重新进行植柱工艺，在焊接工序之前为器件更换可焊性、可焊性更好的崭新焊柱。现有的CCGA植柱采用整形工装，包含底座、植柱支架和磨平支架，通过机械固定完成焊柱与陶瓷基板上焊盘的对准。之后携带工装一起进行热风回流焊接，由于焊柱数量大、间距小、工装热容大，为保证良好焊接效果需要对炉温曲线进行反复设置和调试，但很难保证数千焊柱的垂直度，经常出现边角焊柱歪斜的情况。而该种方法的返工必须采取整体加热方式，即焊接良好、垂直度良好的焊柱也需要进行去柱、植柱至少两次热经历，大大影响了焊柱的可焊性。此外，由于需要焊接高铅焊柱底部的低温焊料，又不使高铅焊柱本身熔化，需要非常精准的温度控制，而十温区甚至十二温区的回流炉都无法满足CCGA器件面内±3℃的温度控制，因此存在高铅焊柱焊后面平整度差，需要研磨的问题。
传统BGA的焊球可以使用激光植球工艺，但由于该方法为将焊球重熔焊接在器件的焊盘上，不适用于焊接过程中不熔的高铅焊柱，更不适用于缠绕型焊柱、微簧等不规则形状的焊柱。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中将焊球重熔焊接在器件的焊盘上，不适用于焊接过程中不熔的高铅焊柱，更不适用于缠绕型焊柱、微簧等不规则形状的焊柱的问题，提供了一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，包括以下步骤：
S1：去除CCGA器件原有高铅焊柱，去除焊料；
S2：在CCGA陶瓷基板焊盘上印焊膏；
S3：拾取高铅焊柱，放置于对应焊盘，完成植柱；
S4：激光焊接，形成高铅焊柱与陶瓷基板间的良好焊点；
S5：焊点清洗。
所述步骤S1中CCGA器件的引脚为800以上，间距≤1.5mm。
所述步骤S2中焊膏通过丝网印刷、点胶机点涂或喷印的方式附着在CCGA器件焊盘上，采用丝网印刷时，网板厚度为0.08mm～0.13mm，印刷后的焊膏厚度为0.13mm～0.2mm，采用点涂工艺时，焊膏厚度为0.2mm～0.3mm，采用喷印工艺时，焊膏厚度为0.2mm～0.25mm。
所述步骤S3中新高铅焊柱的材料为Sn10Pb90，高度为1.52mm～2.54mm。
所述步骤S3中焊柱位于吸嘴上时真空吸取力F与大气压强及吸球口内压的关系为：F＝K×(P-P0)×A，其中K为有效真空吸附系数，取值为0.85～0.93，P为吸嘴腔内压强，P0为大气压强，A为吸嘴有效工作面积。
所述步骤S4中激光光源为1064nm、355nm、准分子激光器中的任意一种，输出功率为1500mW～2500mW。
所述步骤S4中激光脉宽为50ns～140ns，焦点处光斑半径约为50μm～150μm，激光作用时间为400ms～1700ms。
所述步骤S4中焊接完成后焊膏的爬锡高度为0.15mm～0.25mm，爬锡角为41°～55°。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、本发明采用焊柱逐一激光焊接的植柱工艺，避免了传统CCGA回流焊植柱过程中器件面内温度不均一、炉温曲线难以精准控制、植柱工艺流程长、耗时长、制备的焊柱高度面内一致性差需要二次研磨的问题，植柱效率高、合格率高、一致性好、可靠性高；
2、本发明采用CCGA每个焊柱真空吸嘴配合单独夹持的固定方法，解决了每一款CCGA单独定制植柱工装、由于工装公差限制制备的焊柱垂直度和一致性低的问题，植柱垂直度和一致性高；
3、本发明针对单个焊柱提供可透过激光的通明焊接夹具，使激光覆盖整个焊盘，突破了传统激光植球工艺需要把焊球重熔焊接、而CCGA高铅焊柱不能熔化的工艺瓶颈，该方法充分发挥了激光无热应力、提高焊点的韧性与抗疲劳性能的优点；
4、本发明为柔性植柱工艺，除正常器件植柱外，还特别适合个别焊柱的返修，可以进行单个植柱返修，避免无需返修焊柱的二次重熔，也避免对其他无需返修区域器件的热应力影响，消除了手工焊接返修精度低、焊点强度差的问题，从而节约了成本，提高了生产效率，提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1的CCGA整体植柱示意图；
图2为本发明实施例1的CCGA整体植柱激光焊接工作示意图；
图3为本发明实施例1的植柱工艺流程图；
图4为本发明对比例1的植柱工艺流程图；
图5为本发明实施例2返修植柱工艺流程图；
图6为本发明对比例二返修植柱工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
对比例1
将1156引脚、间距为1.2mm的CCGA器件在热台上进行加热，设定温度为250℃，使原有高铅焊柱下的焊料重熔，通过镊子逐一取下高铅焊柱，通过吸锡绳将焊料去除。采用丝网印刷，印刷后的焊膏厚度为0.18mm，之后将涂覆焊膏的CCGA器件安装在聚酰亚胺底座工装上。将再将石墨植柱植柱支架与底座工装配合，在支架下垫1mm厚的垫圈，防止支架接触焊膏。经40倍显微镜确认对位准确后，手工逐一将长度为2.31mm的高铅焊柱安装于支架，没入焊膏。将安装好的组合工装放入回流焊炉进行焊接，焊接峰值温度为210℃，液相线以上时间为60s。之后拆除植柱支架，安装磨平支架，用细砂纸磨去焊柱凸出支架的部分，用高压空气枪吹走多余物。之后拆除磨平支架和底座工装，将CCGA在汽相清洗机中进行清洗，之后进行外观检测和电性能测试，合格后进行高低温循环实验(-55℃～100℃)试验。对比例1的总焊接时间为25min(不含焊柱拆卸、工装装配拆卸)。焊接完成后进行X-Ray无损检测，焊点内最大空洞直径为0.27mm，且空洞总面积为焊点总面积的9％。
实施例1
如附图1和2所示，将对比例1中的CCGA按照对比例一中的方法去除CCGA原有高铅焊柱。通过焊膏喷印在陶瓷基板5的焊盘4上喷涂厚度为0.2mm的Sn96.5Ag3.0Cu0.5焊膏3，通过焊膏测厚仪检查焊膏厚度和形态。通过真空吸嘴1将单个新Sn10Pb90高铅焊柱2(长度为2.31mm)悬空置于焊盘上方，通过下降距离控制将焊柱安装于焊膏之上，并使底部适当没入焊膏，没入高度为0.15±0.015mm。降落完毕后，通过机械臂7上的石英夹具8对焊柱进行加持，之后关闭真空，吸嘴撤回至原位置。选择1064nm激光光源6，输出功率为1800mW，激光脉宽为100ns，焦点处光斑半径约为100um，作用时间为1200ms。焊接完成后机械臂回位，松开焊柱。将CCGA在汽相清洗机中进行清洗，之后进行外观检测和电性能测试，合格后进行高低温循环实验(-55℃～100℃)试验。实施例1的总焊接时间为9.4min(不含焊柱拆卸)。焊接完成后焊膏的爬锡高度为0.15mm～0.18mm，爬锡角为45°～50°，进行X-Ray无损检测，焊点内最大空洞直径为0.08mm，且空洞总面积为焊点总面积的4.5％。
对比例2
将对比例一中同样的1156引脚、间距为1.2mm的CCGA器件在BGA返修台上进行加热，设定温度为265℃，使原有高铅焊柱下的焊料重熔。取下需返修的高铅焊柱，通过吸锡绳将对应焊料去除。将不锈钢植柱植柱支架与CCGA器件、剩余的焊柱对准，手工进行位置校正。手工将新的2.21mm高的高铅焊柱安装于支架，通过手工电烙铁和Sn63Pb37焊锡丝，配合热吹风，完成新的高铅焊柱与陶瓷基板焊盘上的互联。之后拆除植柱支架，安装磨平支架，用细砂纸磨去焊柱凸出支架的部分，用高压空气枪吹走多余物。之后拆除磨平支架和底座工装，将CCGA在汽相清洗机中进行清洗，之后进行外观检测和电性能测试，合格后进行高低温循环实验(-55℃～100℃)试验。对比例2的总焊接时间为15min(不含焊柱拆卸、工装装配拆卸)。焊接完成后进行X-Ray无损检测，焊点内最大空洞直径为0.2mm，且空洞总面积为焊点总面积的8％。
实施例2
将对比例2中同样的CCGA通过激光焊接局部加热需更换的高铅焊柱，通过镊子取下需更换的高铅焊柱，通过吸锡绳将焊料去除。通过焊膏喷印在陶瓷基板的对应焊盘上喷涂厚度为0.2mm的Sn62Pb36Ag2焊膏。通过真空吸嘴将新的Sn10Pb90高铅焊柱(2.21mm高)悬空置于焊盘上方，通过下降距离控制将焊柱安装于焊膏之上，并使底部适当没入焊膏，没入高度为0.15±0.015mm。降落完毕后，通过机械臂上的碳化硅夹具对焊柱进行加持，之后关闭真空，吸嘴撤回至原位置。选择1064nm激光光源，输出功率为2000mW，激光脉宽为80ns，焦点处光斑半径约为80um，作用时间为1000ms。焊接完成后机械臂回位，松开焊柱。将CCGA在汽相清洗机中进行清洗，之后进行外观检测和电性能测试，合格后进行高低温循环实验(-55℃～100℃)试验。实施例2的总焊接时间为0.4min(不含焊柱拆卸)。焊接完成后焊膏的爬锡高度为0.18mm～0.2mm，爬锡角为47°～51°。焊接完成后进行X-Ray无损检测，焊点内最大空洞直径为0.05mm，且空洞总面积为焊点总面积的4.1％。
本发明的植柱工艺制备的CCGA具有1000个以上的高铅焊柱，焊接时间≤10min，整个器件共面性≤0.15mm，器件整体焊柱歪斜度≤5°，外围单个焊柱的歪斜度≤5°，焊接精度≤±10μm，焊柱与陶瓷基板焊盘焊点空洞率≤5％。该CCGA在高低温循环实验(-55℃～100℃)1200个循环之后无短路、开路，信息交换功能正常。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：去除CCGA器件原有高铅焊柱，去除焊料；
S2：在CCGA陶瓷基板焊盘上印焊膏；
S3：拾取高铅焊柱，放置于对应焊盘，完成植柱；
S4：激光焊接，形成高铅焊柱与陶瓷基板间的良好焊点；
S5：焊点清洗。
2.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S1中CCGA器件的引脚为800以上，间距≤1.5mm。
3.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S2中焊膏通过丝网印刷、点胶机点涂或喷印的方式附着在CCGA器件焊盘上，采用丝网印刷时，网板厚度为0.08mm～0.13mm，印刷后的焊膏厚度为0.13mm～0.2mm，采用点涂工艺时，焊膏厚度为0.2mm～0.3mm，采用喷印工艺时，焊膏厚度为0.2mm～0.25mm。
4.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S3中新高铅焊柱的材料为Sn10Pb90，高度为1.52mm～2.54mm。
5.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S3中焊柱位于吸嘴上时真空吸取力F与大气压强及吸球口内压的关系为：F＝K×(P-P0)×A，其中K为有效真空吸附系数，取值为0.85～0.93，P为吸嘴腔内压强，P0为大气压强，A为吸嘴有效工作面积。
6.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S4中激光光源为1064nm、355nm、准分子激光器中的任意一种，输出功率为1500mW～2500mW。
7.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S4中激光脉宽为50ns～140ns，焦点处光斑半径约为50μm～150μm，激光作用时间为400ms～1700ms。
8.如权利要求1所述的一种CCGA高铅焊柱的激光植柱方法，其特征在于，所述步骤S4中焊接完成后焊膏的爬锡高度为0.15mm～0.25mm，爬锡角为41°～55°。
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