蓝牙模组在SMA中的工艺技术探讨Word文档下载推荐.docx

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网印桥连，取料困难，贴装压力与视觉识别问题，回流焊接连锡和焊锡湿润不良等制程缺陷。

BT-Module的I/O（input/output）焊盘结构特殊，其焊点检验判定与标准零件不同；

装配一旦产生缺陷，不良检测分析困难，对其返修更是复杂，在制程工艺方面需要多层次的检测。

关键词

蓝牙模组（BTModule），电镀通孔（PTH）焊端，金属化半孔焊端，芯片底部焊端（焊球）器件，CSP，QFN，微切片（MicroCross-section）；

IMC（Inter-metallicCompound）金相分析，热风枪返修台

一.蓝牙模组的结构与特性

蓝牙模组在IPC-SM-782A上未包含相关内容，没有产品手册或一般性的工业标准可供借鉴，其焊盘设计也没有固定不变的模式，I/O焊端数量与分布依据不同产器而定，焊端分布排版可以是三边、四边或不规则的形式，见图1A。

蓝牙模组是以蓝牙模块为核心器件，与傍路大功率有源或无源元器件组装而成。

核心器件QFN封装外型

图1A.BTModule常见焊端排版

大小尺寸和CSP相近，见图1B。

CSP底部I/O是焊锡球；

而QFN底部焊端与封装体底面水平，中央是大面积散热焊盘。

QFN与PCB的电气和机械连接是通过在PCB焊盘上印刷焊膏，经回流焊接来实现的。

QFN器件封装分为两种类型：

一种只裸露出封装底部的一面，其它部份被封装在元件内，另一种焊盘有裸露在封装侧面的部分。

BTModule焊端也有两种类型：

一种是I/O焊端上有P.T.H（PlatedThroughHole），另一种是焊端侧边有金属化半孔，见图1C&

1D。

蓝牙模组的核心器件有QFN与CSP封装两种常见类型，这两种封装的生产工艺需要在实际生产中不断积累经验，以求取得良好的焊接效果，见图1E。

图1BQFN&

CSP比照.图1C模组底部焊端.图1D电镀半孔焊端.图1E常见蓝牙模组外形轮廓

二.蓝牙模组基板与焊盘的设计

1、基材的选用

蓝牙模组基板通常采用高密度互连HDI（HighDensityInterconnection）覆銅箔層壓印制板，为确保I/O底部焊端良好的共面度，基板翘曲度需不超过0.5%。

大家知道，普通器件管脚共面度需小于0.1mm，BT-Module也当力求如此，否则底部焊端会产生空焊或外观吃锡不良。

基板材质的优劣对PCB的尺寸稳定性、抗剥离强度、以及刚性和可靠性影响很大，如果材质选择不合适，PCB可能在组装前就已经变形，这将导致精密细间距器件的印刷不良。

如果贴装及再流焊时变形，对于细间距的QFN或CSP容易产生虚焊、连锡等焊接缺陷。

那么，判定PCB基材优劣以及选用的性能指标主要有哪些呢？

PCB基材性能优劣首先需考察其热性能，主要参数是玻璃化转温度Tg（GlassTransitionTemperature）、热膨胀系数CTE（CoefficientofThermalExpansion）和分解温度Td（De-laminationTemperature）。

基板材质Tg是决定材料性能的临界温度，是选择基板材料的一个关键参数。

Tg过低回焊时PCB容易翘曲变形，模组底部I/O焊端产生共面性问题，产生的热应力还可能损坏焊点或元器件。

CTE反映了材料的热膨胀特性，当多层基板的层压材料、玻璃纤维与铜箔之间的CET严重不匹配，在铜铂上产生较大应力可能造成金属化孔或半孔镀层断裂失效。

蓝牙模组基板为避免回焊时热应力损伤，Td层分离裂解温度需不低于340℃。

资料显示，板材的高Td值比高Tg值更重要，例如Tg175/Td310℃比Tg140/Td350℃要好，当然Td值与Tg都能达到规格则更好。

所以，蓝牙模组应当首选耐温特性相对较高的BT/Epoxy或高TgFR-4板材，其次是FR5、CEM3。

BT/Epoxy基板主要以B（Bismaleimide）和T（Triazine）聚合而成，Tg点通常大于180℃；

高TgFR-4基材Tg范围为170℃-190℃。

这两种基材热性能较好，非常适合于蓝牙模组基板，不过日前高TgFR-4的性价比高推荐优先择之。

2、焊盘的表面镀层工艺选择

PCB的焊盘为了防止铜的氧化而造成可焊性差的问题，焊盘表面都有经过保护涂层或镀层的处理，表面涂镀工艺选择是否恰当，直接影响到产品的生产制程与组装成本。

业内人士知道，比较适合细间距精密器件焊盘的涂镀工艺主要有：

化学镀鎳浸金ENIG（ElectrolessNickelandImmersionGold）、有機防氧化保護塗層OSP（OrganicSolderabilityPreservatives）和浸银I-Ag（ImmersionSilver）三种。

ENIG、OSP和I-Ag涂镀层表面平整度和可焊性都极佳，对于蓝牙模组顶面CSP或QFN等器件焊盘都没有问题，而模组的I/O焊盘却只有ENIG符合工艺要求。

蓝牙模组本身装配完还需功能检测等工序，与其它产品回焊组装周期通常较长，它的I/O焊盘以及电镀通孔或半孔涂镀层要求苛刻，因此OSP和I-Ag涂镀层对此难以胜任。

OSP对于低热量双面板或单面板较理想，不过双面板做完一面最好在当日内完成第二面焊接，经过一次回焊高温的保护皮膜间隔时间长了将失效，于是焊盘表面颜色会变得不正常，可焊性将大打折扣，见图2。

I-Ag是在焊盘铜铂表面沉积一层薄而致密的银保护膜，但浸银层不耐脏污易氧化或硫化，与ENIG相比工艺窗口更小更受限制，所以也不建议用于模组的I/O焊盘上。

图2.OSP外观检验辨识方法图3.选化法焊盘.图4AENIG金层裂缝不良.图4BENIG镍层氧化经氯化物处理状况

ENIG相比其它两种涂镀工艺保存时间长，耐氧化，能承受多次回焊高温，金属化孔回焊后较长时期内仍有较好的可焊性。

不过它的工艺复杂成本较高，镀金层厚度（0.05-0.15um）要求严格控制，Au只是用来保护镍层防止氧化或脏污；

金层过厚使得太多的金熔解于焊点内，金含量超过3%会使焊点变脆；

金层太薄将产生镀层致密性问题，使金层产生裂隙，见图4A。

因之，镀镍焊接层失去有效保护导致其氧化或钝化，对这种有問題的ENIG銲盘进行氰化物剝金处理，不良鎳层面立即显现“黑”色本质，见图4B。

而这种镍层被氧化的焊盘，不可能在Ni层上形成牢固的金属互化物合金，即俗称IMC（Inter-metallicCompound）的Ni3Sn4结构层，使焊接点产生严重的可靠性问题，见图4C。

由此可见，ENIG虽然是蓝牙模组I/O焊盘的首选，但对于焊盘细小的底部焊接点CSP之类器件却不是最佳选择，而OSP涂覆製程焊接点的可靠性反而更好一些。

这是因为OSP有机护膜在回焊时被祛除，焊接是直接在裸铜铂上进行，在焊接中比较容易形成强度较好的良性的IMC微型焊层结构Cu6Sn5，且又未遭其它不純金屬（如金、銀等）的熔入污染，故所表現出的強度自然最好。

OSP涂层虽然相对便宜，不过在回流焊接中必需增加氮气保护，因而增加了制程的成本。

图4C镍层氧化使焊点不良图5A良好的ENIG焊盘外观图5B不良ENIG焊盘外观

为兼取不同表层处理优长，对于类似于蓝牙模组的复杂制程产品，可考虑选择选化法混合型涂镀工艺，而且这种工艺通常也被用于手机和PDA等高精密复杂产品上。

比如蓝牙模组，对于CSP器件可以先局部OSP处理，其余器件焊盘和模组的I/O焊盘采用ENIG，这种工艺虽然复杂却很有实用价值，见图3。

但无论采用哪一种涂镀工艺，制程工艺管控都是很重要的，选择PCB供应商需要做综合考察，最好选择那些制程工艺完善、质量稳定的大厂。

焊盘涂镀层作结构性分析太过复杂，在实际生产中经验丰富的SMT品质工程师，往往通过高倍率显微镜就能发现焊盘涂镀层缺隙的端倪，见图5A&

B。

所以在拆开来料的真空包装后，需要QE或IPQC对PCB的焊盘用40倍以上的显微镜抽查检验，相关标准或具体定义应当写入作业指导书SOP（StandardOperationProcedure）当中，同时规范作业流程从而降低潜在失效的缺陷产生。

3、模组I/O焊盘的构造

电镀通孔或半孔金属化工艺简述——沉铜，对通孔作沉銅处理使孔壁沉積一層薄薄的銅；

一次镀铜，对整板電鍍处理，使孔壁和焊盘表面鍍上厚度10~15um的銅层；

二次鍍銅，使無干膜覆蓋的通孔或线路等位置銅层加厚。

最终目的，是确保电镀通孔或半孔鍍銅厚度达到30-50um，平均厚度不低于35um，比一般性的电镀通孔铜层厚度平均25um要求更高。

为了使焊点在金属化半孔形成高度合格的弯月面，焊料在电镀通孔内理想的爬升高度，孔壁镀层粗糙度需小于25um，并且孔壁上不能有明显的镀瘤、断裂、沾污和空洞不良，见图6A&

为了缩小模组的尺寸，电镀通孔或半孔应当采用微孔和小孔（孔径0.3mm以下为微孔，0.3-0.5mm为小孔），钻孔的工艺也由传统的数控机床转变为激光方式。

为了得到良好的浸镀品质，孔径和板厚的比率需控制到1：

3左右。

一般说来，蓝牙模组的I/O焊盘之电镀通孔或半孔最小孔径0.25mm，孔环直径0.35mm，焊盘间隙0.25mm，则焊盘间距最小0.6mm。

蓝牙模组I/O焊盘的PTH或半孔直径不要超过焊盘宽度，一般情况下是焊宽的80%左右，较好为焊盘宽比孔径大0.2mm。

孔径过大或过小都会降低回流焊接时毛细作用，影响到焊锡的浸润填充效果。

焊盘设计应考虑到制程能力，大小则由布线密度决定，形状通常有圆形、椭圆形、泪滴形、长方形和正方形等。

与蓝牙模组I/O焊端对应的PCBI/O焊盘，宽度保持与模组的I/O焊端一致并形成对应，而长宽应当适当地外延和内延，请参考图7A&

表7B。

正常匹配的蓝牙模组I/O焊盘与PCB的I/O焊盘推荐尺寸，请参考图8（仅作参考）。

图6A电镀通孔良品与不良品比照.图6B电镀通孔断裂不良图8I/O焊盘与模组I/O焊端匹配尺寸（仅作参考）

图7A&

蓝牙模组I/O焊端草图

4、阻焊膜的设计

焊盘设计有SMD（SolderMaskDefined）和NSMD（Non-SolderMaskDefined）两种，即阻焊膜限定和非阻焊膜限定，由于在铜腐蚀工艺中NSMD更易控制，蓝牙模组的表面器件与I/O焊盘NSMD更优选。

相同间距的焊盘，NSMD焊盘比SMD要设计得稍小一些，这就增大了焊盘与过孔或走线之间的安全间隙，有利于提高组装密度和器件安全特性。

SMD焊盘由阻焊膜开口直接决定焊盘形状与大小，相同器件焊盘的对称性与一致性佳，例如CSP焊盘大小相同，有利于确保焊球形状高度统一，可以防止焊球高度不一致的虚焊或空焊。

然而，阻焊膜覆盖于焊盘上，使得焊盘阻焊层与焊盘金属重叠区域压力集中，阻焊膜陷入焊点的尖端处往往成了焊点的“软肋”，焊点失效多半缘起于此，尤其以球形焊点为甚。

NSMD阻焊膜开孔略大于焊盘，使得焊盘侧沿以及表层走线露铜部份与焊点熔为一体，从而焊点可靠性在结构上明显优于SMD的焊盘，见图9。

虽然NSMD焊盘比SMD焊盘对于蓝牙模组更能“趋利避害”，但设计者要注意汲取SMD焊盘的优点，在细节方面更需审慎。

CSP器件无论采用SMD或NSMD焊盘，在组装测试合格后，建议都应当以环氧树脂（Epoxy）对其做底部填充（Underfill）处理，以此补强焊点增加可靠性。

NSMD焊盘设计，需要注意两点：

㈠、为减少阻焊膜开口比焊盘大而产生的问题，焊盘的表层露铜导线宽应缩减为焊盘的1/2-2/3，成瓶颈形状，减少焊盘“尾巴”部份吸收过多的焊料，导致空焊或少锡等缺陷。

㈡、阻焊膜的开口相比焊盘只需大4-6mil，阻焊膜开口相对焊盘位置偏差需少于4mil，阻焊膜不能覆盖于焊盘上，这是NSMD焊盘管控重点之一，见图10。

另外，在大面积的铜铂上制作焊盘，不能简单地通过阻焊膜隔开，而是应该将铜铂挖开成网格形设计，见图11。

采用网格形设计有助于焊盘与接地层铜铂热隔离，而热隔离连线长度至少1mm。

于是NSMD焊盘工艺得以扬长避短，元件焊盘得以与SMD焊盘一样匀称一致，可使焊接应力和受热平衡，有效减少了制程缺陷。

QFN阻焊层设计，引脚间距小于0.5mm时，焊盘之间的阻焊膜可以省略，应当采取开孔块（openblock）方法，即NSMD将焊盘整体“开天窗”，盖在一排水平或垂直的焊盘上；

当间距大于0.5mm，焊盘之间要求用阻焊层隔开，见图12。

另外，焊端裸露封装侧面的QFN，焊盘应当适当外延，便于改善外侧焊点目视检验。

CSP的焊盘设计注意避免：

焊盘尺寸不规范，不一致过大或过小；

焊盘通孔埋孔处理不良产生肓孔；

焊盘大小与间距不匹配，形状比例失调；

没有设计阻焊或阻焊不规范等等，见图13。

QFN和CSP器件焊接连锡、虚焊、空洞、自对中不良，焊点不饱满以及焊点高度不均等缺陷，焊盘制作不够精细往往是其根源。

图9NSMD焊盘焊点结构与SMD对比图10阻焊膜与焊盘形状关系图11大焊盘上制作焊盘正确方法

图12QFN焊盘阻焊膜两种方式对照图13BGA不良焊盘对应的不良焊点X-Ray照片图14正确的模组拼板底面局部照片

5、模组板的拼板方法

PCB的拼板设计，是NPI（新产品导入）工程师做DFM（可制造性设计）评审的重要内容之一，合理的拼板对于充分利用基材、提高贴装效率和产品质量举足轻重。

拼板设计时首先要考虑到工厂设备和制程能力，以及产品外形或特性要求，应以制造、装配和测试过程中便于加工、不产生较大变形为宜。

拼板互连方式通常有断签式、双面对刻V形槽和邮票孔互连，适合蓝牙模组拼板的方式是前两者，邮票孔拼板方式分板后板边难免不平整或残余边屑，所以较少采用。

不过，断签式互连方式需要自动Route机分板，较多用于异型板边和复杂产品；

V形直线槽连板采用剪切或滚刀机分板，因作业简单方便而应用广泛，分板后需要使用细砂纸祛除板边毛屑。

蓝牙模组的每个单板，连接边应当尽量避开它的I/O焊端，为确保I/O焊盘板边的整洁，见图14。

PCB连板外形尺寸大小要求与板厚相匹配，较薄的PCB板面不能过大，也不宜太小，1mm厚度的PCB拼板尺寸推荐（150*100～200*150mm）。

板面较大厚度在1mm左右的拼板，生产过程中应当采用载具（一般由工程塑料或铝合金材料制作），便于校正PCB板的翘曲变形。

三、模板设计与网印要点

模板的制作工艺和开孔设计方案，直接决定着模板的制作品质，它是保证获得最佳网印效果的要素之一。

当然，对于以精密器件为主的蓝牙模组，良好的网板设计并不等于就有完美的印刷效果，印刷的工艺过程控制同样不可等闲视之。

为获得良好的印刷和焊接效果，形成可靠性的焊点，选用优质的焊锡膏也同等重要。

为兼顾考虑到回流后的效果，模板设计需考虑以下关键因素。

精密器件模板漏孔很小，焊膏填充和脱模能力较差，对模板开口孔壁光滑度和宽厚比/面积比要求更高，漏孔尺寸首先需符合以下比例：

面积比>

0.71，宽厚比>

1.6。

在当前制作的模板中，最具性价比的是激光加电抛光工艺制造的模板，品质最好却价格不菲的是电铸型模板，它们都能满足蓝牙模组的网印要求。

其实，采用激光切割的模板漏孔形状颇为理想，孔壁呈梯形上小下大；

电解抛光让孔壁更光滑，有利于减少磨擦。

采用激光加电抛光工艺制作的模板，只要漏孔设计正确工艺控制恰当，对于0.4mm间距的QFN和CSP精密器件，以及0201或01005等细小元件，都能获得良好的下锡效果和印刷稳定性。

资料显示，方形边长27mm以上的大型BGA，由于元件与基材之间热膨胀系数的差异，在回流焊接过程中可能会发生BGA四边向上翘曲的问题，使得BGA边沿的焊球更多地产生空焊。

为此，涂覆的焊膏量必须相应调整，模板的漏孔尺寸应当由外向内分层次渐趋缩减，见图15。

采用这种开孔方案，可以降低由于基板翘曲变形可能产生的空焊、短路和锡裂等潜在不良风险。

不过，CSP外形尺寸较小受热膨胀影响不明显，可以不计入考虑，焊盘与漏孔比可以1：

1.1；

采用方形开孔并适当放大，可保证更多下锡量并避免短路不良发生，见图16。

QFN器件模板设计分为中间散热焊盘和四周I/O焊端两部份，针对焊端锡膏量需求不同，网板厚度需依据焊端间距的大小选择。

中间大焊盘的开孔一般采用网状隔成田字或圆形矩阵，开孔的总面积为PCB焊盘的40-60%。

管脚间距0.5mm以下时，网板厚度不要超过0.12mm，并缩小网板开孔宽度为对应I/O焊盘的90-95%；

否则锡量偏多容易发生桥连现象。

对于“底部即焊端”的QFN周边管脚焊盘，模板的开口长度与焊盘相同即可；

如果焊端有裸露在封装侧面，则模板开口需向外延到PCB阻焊层上4mil-8mil，以便目视检验和增加焊点可靠性。

可是也有人认为，PCB焊盘两端表层走线铜铂难免导致焊锡少量流失，为保证底部焊点焊锡达到大约50-75um的高度，无论何种类型QFN，模板与之对应的开孔最少两端应外延2-6mil，不过内延时需注意与中央焊盘不低于0.25mm安全距离。

图15大面积BGA模板漏孔设计图16方形漏孔与圆形漏孔网印比照图17模组的模板局部加厚.

蓝牙模组I/O焊端对应PCB焊盘的开口设计，首先需要考量焊盘形状和间距，并通过计算模组焊端金属化孔或半孔生成理想焊点所需要的锡膏量，决定模板的厚度与漏孔大小。

理想焊点固态焊料体积=（焊端底部焊锡体积+电镀通孔的体积）*2，由于印刷用焊锡膏金属含量的体积只占焊料的约50%。

理想焊点是PTH回流焊后完全填充或半孔侧边全部浸润的弯月面焊点，可接受外观为焊锡对通孔或半孔全面润湿。

为了得到额定锡量，模板的厚度与开口面积之间需要有合理化分配。

开口大过焊盘太多，焊锡涂覆于阻焊层会导致焊点周围助焊物残留和锡珠问题；

所以，增多焊锡量依靠扩大开口是有限的，主要方法还是得增加模板厚度，为了不影响其它零件锡量，需要针对模组I/O对应焊盘采用局部加厚（Stepupstencil）方式，局部厚度可达到0.15～0.35mm。

蓝牙模组的I/O焊端对应焊盘和局部加厚模板，局部加厚既可以是模板的顶面也可以位于模板的底部，图17是顶面局部加厚模板。

有条件的话，可以考虑采用双模板印刷工艺，细小元件用薄模板先印刷锡膏，而厚模板在薄模板印刷了焊锡的位置被蚀空，在厚模板印刷时不能碰触到薄模板印刷的锡膏，这方式能满足宽范围印刷工艺的要求。

当焊膏填充通孔和细间距精密器件近距离混装，不同元件对焊锡量需求悬殊时，传统模板印刷方式不能很好的解决这个问题，则不防尝试采用新型机器点锡膏的方式。

有了制作精良的模板，只是获得良好印刷效果的第一步，印刷工艺的控制也至关重要：

锡膏的合理选择和使用、印刷参数的正确设置、模板的管理与有效清洁、印刷工作环境的温湿度控制等等。

对于核心器件较多地采用间距0.4mm的QFN或CSP蓝牙模组，锡膏优选Type4（锡粉颗粒分布20-38um）型号，要求润湿能力强、重复印刷性和抗塌陷效果好。

印刷参数设置要求充分地考虑到精密器件特性，印刷压力以刚好刮干净模板为好，印刷速度（20～30mm/sec）.、脱模速度应选用慢速模式，模板清洁选用湿擦干擦真空模式，同时PCB板面与模板底部紧贴。

模板每使用8-12小时后，应当从网印机上卸下来作彻底得的清洁，由作业员手工清洗或通过自动模板清洗机清洗，然后烘干再使用。

印刷环境应当控制在25+/-2°

C温度，50+/-10%相对湿度。

另外，与蓝牙模组进行组装的PCB，模板通常采用的是局部加厚阶梯钢网，生产过程中印刷速度在不降低生产效率的情况下应当力求慢速，压力要适中；

刮刀的角度通常45～60度，如果有精细间距零件靠近模组I/O焊脚，刮刀的角度应当设定为60度，避免加厚钢网部份影响就近零件的焊锡量。

通过良好的制程控制，锡膏印刷避免了坍塌连锡、拉尖少锡等缺陷，从而得到令人满意的网印效果，见图18和图19。

图18CSP和QFN良好的网印效果.图19蓝牙模组良好的网图.图20厚薄规模组变形量检测

四、贴装工艺过程

1、贴装前确认

非气密性的湿度敏感性器件MSD（MoistureSensitiveDevices），上线生产前需要检查其包装情况，确认其没有受潮才可以进行贴装。

如果来料是真空包装，比如QFN或CSP器件拆封后首先务必检验湿度指示卡，确认正常则可以当即进行组装，反之则必需烘干后再使用；

如果器件散装并常期暴露在潮湿环境中，最好先进行低温除湿（置于湿度小于5%干燥柜中192小时）然后高温烘干处理（120摄氏度6-8小时）。

蓝牙模组需要经过检测及多道工序才能进行组装，因为长时间暴露空气中必然吸湿受潮，所以组装前务必除湿烘烤处理。

而ESD敏感性器件作业过程中还需要做好静电防护处理，贴片料盘或其它辅材等都必需是防静电的。

另外，蓝牙模组如果明显有翘曲变形，则需要用厚薄规对其I/O焊端变形量检测，确保其共面度符合规格要求，见图20。

2、贴装的管控

通常CSP和QFN的来料都是真空包装，多半采用真空料盘和塑料编带方式