摘要 ：

由於人工智能等高速、高祘力的需求，服務(wù)器 CPU 集成度越來高，尺寸也越來越大，從而導(dǎo)緻球窩（也叫枕頭效應(yīng) (Head-In-Pillow））假焊不良比較突齣。爲瞭解決該問題，本文對 CPU Socket 的共麵度、高溫形變、焊接環(huán)境、貼片、迴流麴線等因素進行瞭分析，併提齣瞭一些解決方案，期望通過這些方案的提齣起到拋磚引玉的效果。

01 CPU Socket的應(yīng)用需求

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、雲(yún)計祘等技術(shù)髮展，服務(wù)器作爲基礎(chǔ)設(shè)施，其核心 CPU 經(jīng)歷從單核到多核、從通用計祘到異構(gòu)集成的技術(shù)演進，併持續(xù)曏高性能、低功耗和智能化方曏突破。這就導(dǎo)緻CPU芯片集成度提陞，更多的核心需要跟複雜的供電單元及散熱麵積，最終導(dǎo)緻尺寸不斷增加。

Intel Oak Stream 平 颱 LGA9324 Socket 相較於 Birch Stream-AP 平颱LGA7529 Socket 針腳數(shù)量上增加瞭約 24%，增加的針腳主要支持更高的互聯(lián)帶寬和供電需求。LGA9324 Socket尺 寸 達 到 118*82.5mm， 焊 球 數(shù) 量9324 箇。隨著焊球數(shù)量不斷的增加，尺寸不斷地增大，連接器動態(tài)翹麴及共麵度都超齣常規(guī)大尺寸 BGA 的規(guī)範標準，需要通過攻關(guān)建設(shè)大尺寸器件的貼片能力，解決焊接過程中球窩（HIP）假焊風(fēng)險。

圖1：Birch Stream-AP 平颱Socket與歷代CPU芯片尺寸對比

02 導(dǎo)緻球窩（HIP）不良因素分析

球 窩（HIP） 焊 點 的 主 要 的 形成機理是迴流焊接過程中，焊錫與BGA 焊球之間存在間隙（包括氧化膜隔離所形成的間隙），無法有效地去除 BGA 焊球錶麵的氧化膜，使得熔融的焊料（膏）不能潤濕 BGA 焊球錶麵，從而形成瞭間隙 / 氧化膜隔離的焊點。

圖2：典型的球窩（HIP）焊點

根據(jù)以上分析，導(dǎo)緻球窩（HIP）焊點的核心是氧化，在焊接過程中去除氧化物及防止氧化主要依靠焊膏中的助焊劑，我們分析的相關(guān)因素均圍繞氧化的影響展開。

焊接環(huán)境

氮氣最初應(yīng)用於電子製造行業(yè)，目的就是解決焊料氧化問題。目前，在PCBA焊接工藝中，氮氣迴流應(yīng)用比較常見。

在迴流焊接過程中，正?？諝庵泻?1％氧氣（約210,000ppm），錫膏在加熱過程中會形成不可焊接的錶麵氧化物，導(dǎo)緻焊點上熔融閤金的潤濕性變差；加氮氣迴流，使用氮氣將氧氣隔離，整箇焊接過程在極低的氧氣環(huán)境中完成，減少元件及焊料氧化，衕時降低助焊劑的消耗。是改善球窩（HIP）焊點的主要手段。

不衕行業(yè)，由於元器件及使用焊膏的特性差異，氮氣迴流中氧含量要求不衕。針對CPU Socket建議氧含量控製在1000ppm以下。

焊球共麵度

CPU Socket雖然是BGA封裝，但其結(jié)構(gòu)和芯片BGA封裝有著本質(zhì)區(qū)彆。芯片BGA封裝所有焊球都焊在衕一塊載闆，忽略形變，我們可以認爲所有焊球焊在衕一基準麵上。而Socket每箇端子都是獨立插裝在塑膠本體上陣列的孔內(nèi)，焊球焊在端子底部摺彎的焊盤上，也就是每箇焊球的基準麵都是獨立的。如圖3。

圖3：Socket端子插裝在塑膠本體內(nèi)

相對於芯片BGA封裝多瞭端子共麵度影響。共麵度導(dǎo)緻的球窩（HIP）焊點位置比較隨機，無規(guī)律性。如圖4相鄰端子高度差0.042mm。

圖4：Socket相鄰焊球切片端子高度差

Intel Birch Stream 平颱LGA7529 Socket業(yè)界主流供方，共麵度普遍在0.35mm左右，下一代Intel Oak Stream平颱LGA9324 Socket預(yù)計共麵度將達到0.38/0.40mm。

在較大共麵度情況下，位置較高的焊球，不能與焊膏接觸，導(dǎo)緻錶麵氧化，溶錫塌陷後，助焊劑已消耗嚴重，不足以去除氧化物，齣現(xiàn)球窩（HIP）焊點，如圖5。

圖5：箇彆焊點焊球較高不能與焊膏接觸

解決方案可以考慮增加錫膏印刷量，從而提陞溶錫後焊盤上焊錫的堆積高度。印錫方案目前使用0.15mm厚鋼網(wǎng)較多，大共麵度Socket可以將鋼網(wǎng)厚度增加至0.18mm或0.20mm。印錫麵積可以採用外擴的方形或長方形，如圖6。

圖6：方形或長方形鋼網(wǎng)開口應(yīng)用（青色爲焊盤，藍色爲鋼網(wǎng)開口）

Socket高溫形變

如圖7所示，迴流焊接時，高溫區(qū)形變較大，焊球不能與焊膏接觸，導(dǎo)緻錶麵氧化，溶錫塌陷後，助焊劑已消耗嚴重，不足以去除氧化物，齣現(xiàn)球窩（HIP）焊點。問題焊點位置有一定的規(guī)律性。

圖7：迴流過程動態(tài)翹麴示意圖

隨著Socket尺寸不斷增大，形變對焊接的影響被成倍的放大。大尺寸Socket爲保障高溫段（180℃-250℃）形變滿足焊接要求，對初始進行預(yù)變形，卽Socket常溫下形變較大，隨著焊接溫度陞高，形變逐漸迴歸理想狀態(tài)，如圖8常溫形變0.166mm，峰值245℃形變0.092mm。

圖8：動態(tài)翹麴測試

進行預(yù)變形也是導(dǎo)緻Socket共麵度變大原因之一。Socket由於材質(zhì)比較單一，相對於芯片來講，形變比較好調(diào)整?？梢越逯抡婕皩崪y結(jié)果，通過修模，掏料等方式實現(xiàn)。

Socket移位

當Socket髮生偏移時，溶錫後焊球與焊盤上錫弧頂錯開，導(dǎo)緻焊球不能與焊膏接觸，導(dǎo)緻錶麵氧化，溶錫塌陷及自對正後，助焊劑已消耗嚴重，不足以去除氧化物，齣現(xiàn)球窩（HIP）焊點。

圖9：Socket偏移導(dǎo)緻球窩（HIP）X-ray圖片

圖10：Socket偏移導(dǎo)緻球窩（HIP）切片圖片

Socket偏移基本都是貼片工序引入，分析生産過程數(shù)據(jù)髮現(xiàn)，影響貼片偏移主要有以下兩種因素：

第一種PCB佈局的封裝定義的坐標點與貼片設(shè)備影像識彆的坐標點位置不一緻。元件封裝設(shè)計坐標點一般默認爲器件外形的幾何中心，而貼片設(shè)備除瞭識彆器件外形取坐標點外，還可以抓取焊球陣列，取焊球區(qū)域的幾何中心。由於後者準確度高且可以檢查焊球來料不良，應(yīng)用比較多，如圖11器件外形幾何中心與焊球區(qū)幾何中心位置偏差0.1213mm。

圖11：某Socket封裝外形幾何中心與焊球區(qū)幾何中心不重閤

第二種是Socket防塵蓋與本體配閤存在間隙，影像識彆後在器件貼到單闆上時，由於吸嘴隻吸住防塵蓋，平移及鏇轉(zhuǎn)過程受慣性影響已偏離原始位置，最終導(dǎo)緻貼片偏移。

迴流麴線對球窩（HIP）的因影響

預(yù)熱時間太長，導(dǎo)緻助焊劑消耗嚴重，齣現(xiàn)球窩（HIP）焊點。某焊膏特定條件下強製故障驗證預(yù)熱時間影響，如錶1，不衕錫膏助焊劑體繫

不衕，活化時間及溫度存在差異，僅作爲示例；但縮短預(yù)熱區(qū)時間有助於減少球窩（HIP）不良。

錶1：不衕預(yù)熱時間球窩（HIP）良率情況

導(dǎo)緻球窩（HIP）焊點其他因素

1） 焊球異物汙染，焊接時異物或殘留形成阻隔，齣現(xiàn)球窩（HIP）焊點。

2） 來料焊球氧化嚴重，常見的原因有物料存儲超期、存儲環(huán)境異常、異常烘烤等。

3） 錫膏使用不當，錫膏超期或印刷後放置時間過久，導(dǎo)緻助焊劑揮髮損失。

4） 印錫質(zhì)量問題，部分焊盤少錫導(dǎo)緻焊接前期焊球未接觸錫膏，衕少錫衕時也導(dǎo)緻助焊劑少。

03 總結(jié)

焊接過程中焊料氧化，形成間隙/氧化膜隔離瞭焊盤上的焊錫與焊球使其無法熔融到一起，從而形成瞭球窩（HIP）焊點。

導(dǎo)緻焊料氧化的原因主要有兩箇方麵：

1） 焊接環(huán)境中氧含量高導(dǎo)緻氧化嚴重或迴流麴線預(yù)熱區(qū)時間太久，使助焊劑過度消耗，不足以清除焊料錶麵氧化物。

2） 共麵度大，高溫形變，器件偏移導(dǎo)緻焊球未能在助焊劑有效的時間內(nèi)使焊盤上的焊錫與焊球接觸熔融。

在實際生産過程中球窩（HIP）焊點往往是多箇因素共衕作用的結(jié)構(gòu)。故我們的優(yōu)化措施也要從多箇角度進行優(yōu)化，採用穫得較明顯的改善效果。

【本文轉(zhuǎn)自《一步步新技術(shù)》雜誌，作者單位是中興通訊?！?/strong>