P-BGA與F-BGA熱變形過(guò)程及鋼網(wǎng)開(kāi)口優(yōu)化分析

在電子封裝領(lǐng)域，BGA（球柵陣列）封裝的熱變形行為對(duì)封裝的可靠性和焊接良率具有重要影響。熱變形曲線作為描述這一行為的關(guān)鍵工具，以二維圖的形式直觀展現(xiàn)了BGA封裝在三維空間中的變形情況。其中，縱坐標(biāo)代表基于測(cè)量平面的BGA中心高度與角部或邊緣高度的差值，即動(dòng)態(tài)翹曲度（正值表示中心上凸，負(fù)值表示中心下凹或四角上翹）；橫坐標(biāo)則代表溫度點(diǎn)。了解P-BGA和F-BGA這兩種最廣泛使用的BGA封裝的熱變形過(guò)程，對(duì)于優(yōu)化鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

一、P-BGA熱變形過(guò)程

P-BGA（塑料球柵陣列）的熱變形行為呈現(xiàn)典型的雙階段特征，其典型熱變形曲線如圖1-1所示：

圖1-1 P-BGA的典型熱變曲線

Tg點(diǎn)前變形機(jī)制（BGA載板主導(dǎo)）

在溫度未達(dá)到EMC（包封材料）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）時(shí)，BGA載板（通常為BT樹(shù)脂或FR-4材料）的線膨脹系數(shù)（CTE，約14ppm/℃）起主導(dǎo)作用。

由于載板平面方向CTE小于垂直方向，加熱時(shí)四角區(qū)域因約束較少而率先上翹，形成負(fù)向動(dòng)態(tài)翹曲度。

Tg點(diǎn)后變形機(jī)制（EMC主導(dǎo)）

當(dāng)溫度超過(guò)Tg后，EMC的CTE發(fā)生突變（由14ppm/℃增至55ppm/℃），其體積膨脹效應(yīng)超過(guò)載板約束，導(dǎo)致變形方向反轉(zhuǎn)為中心上凸，形成正向動(dòng)態(tài)翹曲度。

焊球陣列的全陣列分布特性加劇了這種變形反轉(zhuǎn)，使中心區(qū)域成為應(yīng)力集中點(diǎn)。

二、F-BGA熱變形過(guò)程

F-BGA（柔性球柵陣列）的熱變形行為受Cu蓋影響顯著，其典型熱變形曲線如圖1-2所示（不帶Cu蓋）和圖1-1中相關(guān)部分所示（帶Cu蓋）：

不帶Cu蓋的F-BGA

變形趨勢(shì)與P-BGA相似，但因柔性基材的緩沖作用，四角上翹幅度較小，中心上凸量也相應(yīng)降低。其典型熱變形曲線如圖1-2所示。

帶Cu蓋的F-BGA

Cu蓋（CTE≈17ppm/℃）通過(guò)機(jī)械約束降低EMC的自由膨脹空間，使四角上翹幅度減少30-50%。

Cu蓋與EMC的界面形成應(yīng)力緩沖層，變形曲線斜率在Tg點(diǎn)前后更平緩，中心上凸幅度較P-BGA降低約25%。

三、鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于P-BGA和F-BGA的熱變形曲線特征，可以制定以下鋼網(wǎng)開(kāi)口優(yōu)化策略：

P-BGA鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)

區(qū)域差異化開(kāi)口：根據(jù)四角上翹和中心上凸的區(qū)域特征，分別采用“內(nèi)縮型”和“擴(kuò)展型”開(kāi)口設(shè)計(jì)，以補(bǔ)償焊膏的過(guò)量或不足。

階梯厚度設(shè)計(jì)：使用組合鋼網(wǎng)，在四角區(qū)域形成焊膏體積梯度，平衡冷卻收縮應(yīng)力。

F-BGA鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)

Cu蓋影響區(qū)處理：在Cu蓋投影區(qū)采用“窗口型”開(kāi)口，利用Cu蓋的平面度優(yōu)勢(shì)；在非覆蓋區(qū)采用“密間距微孔”設(shè)計(jì)，增強(qiáng)焊膏釋放均勻性。

熱應(yīng)力緩沖設(shè)計(jì)：在封裝四角對(duì)應(yīng)鋼網(wǎng)區(qū)域設(shè)置應(yīng)力釋放槽，減少焊接殘余應(yīng)力。

四、協(xié)同優(yōu)化與驗(yàn)證方法

溫度曲線協(xié)同優(yōu)化

通過(guò)控制預(yù)熱區(qū)的升溫速率和峰值溫度，影響B(tài)GA封裝的熱變形行為，與鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)形成協(xié)同優(yōu)化效應(yīng)。

變形量監(jiān)測(cè)

使用激光干涉儀實(shí)時(shí)采集BGA表面形貌，確保變形量在可控范圍內(nèi)。

焊點(diǎn)可靠性驗(yàn)證

通過(guò)剪切強(qiáng)度測(cè)試和熱循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化后焊點(diǎn)的可靠性和穩(wěn)定性。

五、工程實(shí)踐建議

材料匹配性驗(yàn)證：建立EMC-載板-鋼網(wǎng)開(kāi)口參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)不同Tg值EMC配置對(duì)應(yīng)開(kāi)口方案。

智能鋼網(wǎng)技術(shù)：采用可變厚度鋼網(wǎng)（VPS），通過(guò)激光雕刻實(shí)現(xiàn)局部厚度調(diào)節(jié)。

DFM協(xié)同設(shè)計(jì)：在PCB布局階段預(yù)留BGA四角應(yīng)力釋放區(qū)，與鋼網(wǎng)開(kāi)口優(yōu)化形成雙重補(bǔ)償機(jī)制。

六、結(jié)論

通過(guò)深入了解P-BGA和F-BGA的熱變形過(guò)程，并結(jié)合熱變形曲線進(jìn)行鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以有效提高BGA封裝的焊接良率和可靠性。通過(guò)文章中的圖可以為工程師提供了直觀的視覺(jué)指導(dǎo)，有助于更好地理解和優(yōu)化BGA封裝的制造過(guò)程。在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮材料特性、溫度曲線和鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)等多個(gè)因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的封裝效果。

審核編輯 黃宇