摘要 ：

由于人工智能等高速、高算力的需求，服務(wù)器 CPU 集成度越來高，尺寸也越來越大，從而導(dǎo)致球窩（也叫枕頭效應(yīng) (Head-In-Pillow））假焊不良比較突出。為了解決該問題，本文對(duì) CPU Socket 的共面度、高溫形變、焊接環(huán)境、貼片、回流曲線等因素進(jìn)行了分析，并提出了一些解決方案，期望通過這些方案的提出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)、云計(jì)算等技術(shù)發(fā)展，服務(wù)器作為基礎(chǔ)設(shè)施，其核心 CPU 經(jīng)歷從單核到多核、從通用計(jì)算到異構(gòu)集成的技術(shù)演進(jìn)，并持續(xù)向高性能、低功耗和智能化方向突破。這就導(dǎo)致CPU芯片集成度提升，更多的核心需要跟復(fù)雜的供電單元及散熱面積，最終導(dǎo)致尺寸不斷增加。

Intel Oak Stream 平 臺(tái) LGA9324 Socket 相較于 Birch Stream-AP 平臺(tái)LGA7529 Socket 針腳數(shù)量上增加了約 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(dá) 到 118*82.5mm， 焊 球 數(shù) 量9324 個(gè)。隨著焊球數(shù)量不斷的增加，尺寸不斷地增大，連接器動(dòng)態(tài)翹曲及共面度都超出常規(guī)大尺寸 BGA 的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，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(xiǎn)。

圖1：Birch Stream-AP 平臺(tái)Socket與歷代CPU芯片尺寸對(duì)比

02 導(dǎo)致球窩（HIP）不良因素分析

球 窩（HIP） 焊 點(diǎn) 的 主 要 的 形成機(jī)理是回流焊接過程中，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 焊球表面的氧化膜，使得熔融的焊料（膏）不能潤濕 BGA 焊球表面，從而形成了間隙 / 氧化膜隔離的焊點(diǎn)。

圖2：典型的球窩（HIP）焊點(diǎn)

根據(jù)以上分析，導(dǎo)致球窩（HIP）焊點(diǎn)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?dú)庾畛鯌?yīng)用于電子制造行業(yè)，目的就是解決焊料氧化問題。目前，在PCBA焊接工藝中，氮?dú)饣亓鲬?yīng)用比較常見。

在回流焊接過程中，正常空氣中含21％氧氣（約210,000ppm），錫膏在加熱過程中會(huì)形成不可焊接的表面氧化物，導(dǎo)致焊點(diǎn)上熔融合金的潤濕性變差；加氮?dú)饣亓?，使用氮?dú)鈱⒀鯕飧綦x，整個(gè)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，同時(shí)降低助焊劑的消耗。是改善球窩（HIP）焊點(diǎn)的主要手段。

不同行業(yè)，由于元器件及使用焊膏的特性差異，氮?dú)饣亓髦醒鹾恳蟛煌?。針?duì)CPU Socket建議氧含量控制在1000ppm以下。

焊球共面度

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)別。芯片BGA封裝所有焊球都焊在同一塊載板，忽略形變，我們可以認(rèn)為所有焊球焊在同一基準(zhǔn)面上。而Socket每個(gè)端子都是獨(dú)立插裝在塑膠本體上陣列的孔內(nèi)，焊球焊在端子底部折彎的焊盤上，也就是每個(gè)焊球的基準(zhǔn)面都是獨(dú)立的。如圖3。

圖3：Socket端子插裝在塑膠本體內(nèi)

相對(duì)于芯片BGA封裝多了端子共面度影響。共面度導(dǎo)致的球窩（HIP）焊點(diǎn)位置比較隨機(jī)，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 平臺(tái)LGA7529 Socket業(yè)界主流供方，共面度普遍在0.35mm左右，下一代Intel Oak Stream平臺(tái)LGA9324 Socket預(yù)計(jì)共面度將達(dá)到0.38/0.40mm。

在較大共面度情況下，位置較高的焊球，不能與焊膏接觸，導(dǎo)致表面氧化，溶錫塌陷后，助焊劑已消耗嚴(yán)重，不足以去除氧化物，出現(xiàn)球窩（HIP）焊點(diǎn)，如圖5。

圖5：個(gè)別焊點(diǎn)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，從而提升溶錫后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，大共面度Socket可以將鋼網(wǎng)厚度增加至0.18mm或0.20mm。印錫面積可以采用外擴(kuò)的方形或長(zhǎng)方形，如圖6。

圖6：方形或長(zhǎng)方形鋼網(wǎng)開口應(yīng)用（青色為焊盤，藍(lán)色為鋼網(wǎng)開口）

Socket高溫形變

如圖7所示，回流焊接時(shí)，高溫區(qū)形變較大，焊球不能與焊膏接觸，導(dǎo)致表面氧化，溶錫塌陷后，助焊劑已消耗嚴(yán)重，不足以去除氧化物，出現(xiàn)球窩（HIP）焊點(diǎn)。問題焊點(diǎn)位置有一定的規(guī)律性。

圖7：回流過程動(dòng)態(tài)翹曲示意圖

隨著Socket尺寸不斷增大，形變對(duì)焊接的影響被成倍的放大。大尺寸Socket為保障高溫段（180℃-250℃）形變滿足焊接要求，對(duì)初始進(jìn)行預(yù)變形，即Socket常溫下形變較大，隨著焊接溫度升高，形變逐漸回歸理想狀態(tài)，如圖8常溫形變0.166mm，峰值245℃形變0.092mm。

圖8：動(dòng)態(tài)翹曲測(cè)試

進(jìn)行預(yù)變形也是導(dǎo)致Socket共面度變大原因之一。Socket由于材質(zhì)比較單一，相對(duì)于芯片來講，形變比較好調(diào)整?？梢越柚抡婕皩?shí)測(cè)結(jié)果，通過修模，掏料等方式實(shí)現(xiàn)。

Socket移位

當(dāng)Socket發(fā)生偏移時(shí)，溶錫后焊球與焊盤上錫弧頂錯(cuò)開，導(dǎo)致焊球不能與焊膏接觸，導(dǎo)致表面氧化，溶錫塌陷及自對(duì)正后，助焊劑已消耗嚴(yán)重，不足以去除氧化物，出現(xiàn)球窩（HIP）焊點(diǎn)。

圖9：Socket偏移導(dǎo)致球窩（HIP）X-ray圖片

圖10：Socket偏移導(dǎo)致球窩（HIP）切片圖片

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

第一種PCB布局的封裝定義的坐標(biāo)點(diǎn)與貼片設(shè)備影像識(shí)別的坐標(biāo)點(diǎn)位置不一致。元件封裝設(shè)計(jì)坐標(biāo)點(diǎn)一般默認(rèn)為器件外形的幾何中心，而貼片設(shè)備除了識(shí)別器件外形取坐標(biāo)點(diǎn)外，還可以抓取焊球陣列，取焊球區(qū)域的幾何中心。由于后者準(zhǔn)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)幾何中心不重合

第二種是Socket防塵蓋與本體配合存在間隙，影像識(shí)別后在器件貼到單板上時(shí)，由于吸嘴只吸住防塵蓋，平移及旋轉(zhuǎn)過程受慣性影響已偏離原始位置，最終導(dǎo)致貼片偏移。

回流曲線對(duì)球窩（HIP）的因影響

預(yù)熱時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致助焊劑消耗嚴(yán)重，出現(xiàn)球窩（HIP）焊點(diǎn)。某焊膏特定條件下強(qiáng)制故障驗(yàn)證預(yù)熱時(shí)間影響，如表1，不同錫膏助焊劑體系

不同，活化時(shí)間及溫度存在差異，僅作為示例；但縮短預(yù)熱區(qū)時(shí)間有助于減少球窩（HIP）不良。

表1：不同預(yù)熱時(shí)間球窩（HIP）良率情況

導(dǎo)致球窩（HIP）焊點(diǎn)其他因素

1） 焊球異物污染，焊接時(shí)異物或殘留形成阻隔，出現(xiàn)球窩（HIP）焊點(diǎn)。

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

3） 錫膏使用不當(dāng)，錫膏超期或印刷后放置時(shí)間過久，導(dǎo)致助焊劑揮發(fā)損失。

4） 印錫質(zhì)量問題，部分焊盤少錫導(dǎo)致焊接前期焊球未接觸錫膏，同少錫同時(shí)也導(dǎo)致助焊劑少。

03 總結(jié)

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

導(dǎo)致焊料氧化的原因主要有兩個(gè)方面：

1） 焊接環(huán)境中氧含量高導(dǎo)致氧化嚴(yán)重或回流曲線預(yù)熱區(qū)時(shí)間太久，使助焊劑過度消耗，不足以清除焊料表面氧化物。

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

在實(shí)際生產(chǎn)過程中球窩（HIP）焊點(diǎn)往往是多個(gè)因素共同作用的結(jié)構(gòu)。故我們的優(yōu)化措施也要從多個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化，采用獲得較明顯的改善效果。

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