大尺寸 CPU Socket 球窝假焊问题研究

摘要 ：

由于人工智能等高速、高算力的需求，服务器 CPU 集成度越来高，尺寸也越来越大，从而导致球窝（也叫枕头效应 (Head-In-Pillow））假焊不良比较突出。为了解决该问题，本文对 CPU Socket 的共面度、高温形变、焊接环境、贴片、回流曲线等因素进行了分析，并提出了一些解决方案，期望通过这些方案的提出起到抛砖引玉的效果。

01 CPU Socket的应用需求

随着人工智能、大数据、云计算等技术发展，服务器作为基础设施，其核心 CPU 经历从单核到多核、从通用计算到异构集成的技术演进，并持续向高性能、低功耗和智能化方向突破。这就导致CPU芯片集成度提升，更多的核心需要跟复杂的供电单元及散热面积，最终导致尺寸不断增加。

Intel Oak Stream 平 台 LGA9324 Socket 相较于 Birch Stream-AP 平台LGA7529 Socket 针脚数量上增加了约 24%，增加的针脚主要支持更高的互联带宽和供电需求。LGA9324 Socket尺 寸 达 到 118*82.5mm， 焊 球 数 量9324 个。随着焊球数量不断的增加，尺寸不断地增大，连接器动态翘曲及共面度都超出常规大尺寸 BGA 的规范标准，需要通过攻关建设大尺寸器件的贴片能力，解决焊接过程中球窝（HIP）假焊风险。

图1：Birch Stream-AP 平台Socket与历代CPU芯片尺寸对比

02 导致球窝（HIP）不良因素分析

球 窝（HIP） 焊 点 的 主 要 的 形成机理是回流焊接过程中，焊锡与BGA 焊球之间存在间隙（包括氧化膜隔离所形成的间隙），无法有效地去除 BGA 焊球表面的氧化膜，使得熔融的焊料（膏）不能润湿 BGA 焊球表面，从而形成了间隙 / 氧化膜隔离的焊点。

图2：典型的球窝（HIP）焊点

根据以上分析，导致球窝（HIP）焊点的核心是氧化，在焊接过程中去除氧化物及防止氧化主要依靠焊膏中的助焊剂，我们分析的相关因素均围绕氧化的影响展开。

焊接环境

氮气最初应用于电子制造行业，目的就是解决焊料氧化问题。目前，在PCBA焊接工艺中，氮气回流应用比较常见。

在回流焊接过程中，正常空气中含21％氧气（约210,000ppm），锡膏在加热过程中会形成不可焊接的表面氧化物，导致焊点上熔融合金的润湿性变差；加氮气回流，使用氮气将氧气隔离，整个焊接过程在极低的氧气环境中完成，减少元件及焊料氧化，同时降低助焊剂的消耗。是改善球窝（HIP）焊点的主要手段。

不同行业，由于元器件及使用焊膏的特性差异，氮气回流中氧含量要求不同。针对CPU Socket建议氧含量控制在1000ppm以下。

焊球共面度

CPU Socket虽然是BGA封装，但其结构和芯片BGA封装有着本质区别。芯片BGA封装所有焊球都焊在同一块载板，忽略形变，我们可以认为所有焊球焊在同一基准面上。而Socket每个端子都是独立插装在塑胶本体上阵列的孔内，焊球焊在端子底部折弯的焊盘上，也就是每个焊球的基准面都是独立的。如图3。

图3：Socket端子插装在塑胶本体内

相对于芯片BGA封装多了端子共面度影响。共面度导致的球窝（HIP）焊点位置比较随机，无规律性。如图4相邻端子高度差0.042mm。

图4：Socket相邻焊球切片端子高度差

Intel Birch Stream 平台LGA7529 Socket业界主流供方，共面度普遍在0.35mm左右，下一代Intel Oak Stream平台LGA9324 Socket预计共面度将达到0.38/0.40mm。

在较大共面度情况下，位置较高的焊球，不能与焊膏接触，导致表面氧化，溶锡塌陷后，助焊剂已消耗严重，不足以去除氧化物，出现球窝（HIP）焊点，如图5。

图5：个别焊点焊球较高不能与焊膏接触

解决方案可以考虑增加锡膏印刷量，从而提升溶锡后焊盘上焊锡的堆积高度。印锡方案目前使用0.15mm厚钢网较多，大共面度Socket可以将钢网厚度增加至0.18mm或0.20mm。印锡面积可以采用外扩的方形或长方形，如图6。

图6：方形或长方形钢网开口应用（青色为焊盘，蓝色为钢网开口）

Socket高温形变

如图7所示，回流焊接时，高温区形变较大，焊球不能与焊膏接触，导致表面氧化，溶锡塌陷后，助焊剂已消耗严重，不足以去除氧化物，出现球窝（HIP）焊点。问题焊点位置有一定的规律性。

图7：回流过程动态翘曲示意图

随着Socket尺寸不断增大，形变对焊接的影响被成倍的放大。大尺寸Socket为保障高温段（180℃-250℃）形变满足焊接要求，对初始进行预变形，即Socket常温下形变较大，随着焊接温度升高，形变逐渐回归理想状态，如图8常温形变0.166mm，峰值245℃形变0.092mm。

图8：动态翘曲测试

进行预变形也是导致Socket共面度变大原因之一。Socket由于材质比较单一，相对于芯片来讲，形变比较好调整。可以借助仿真及实测结果，通过修模，掏料等方式实现。

Socket移位

当Socket发生偏移时，溶锡后焊球与焊盘上锡弧顶错开，导致焊球不能与焊膏接触，导致表面氧化，溶锡塌陷及自对正后，助焊剂已消耗严重，不足以去除氧化物，出现球窝（HIP）焊点。

图9：Socket偏移导致球窝（HIP）X-ray图片

图10：Socket偏移导致球窝（HIP）切片图片

Socket偏移基本都是贴片工序引入，分析生产过程数据发现，影响贴片偏移主要有以下两种因素：

第一种PCB布局的封装定义的坐标点与贴片设备影像识别的坐标点位置不一致。元件封装设计坐标点一般默认为器件外形的几何中心，而贴片设备除了识别器件外形取坐标点外，还可以抓取焊球阵列，取焊球区域的几何中心。由于后者准确度高且可以检查焊球来料不良，应用比较多，如图11器件外形几何中心与焊球区几何中心位置偏差0.1213mm。

图11：某Socket封装外形几何中心与焊球区几何中心不重合

第二种是Socket防尘盖与本体配合存在间隙，影像识别后在器件贴到单板上时，由于吸嘴只吸住防尘盖，平移及旋转过程受惯性影响已偏离原始位置，最终导致贴片偏移。

回流曲线对球窝（HIP）的因影响

预热时间太长，导致助焊剂消耗严重，出现球窝（HIP）焊点。某焊膏特定条件下强制故障验证预热时间影响，如表1，不同锡膏助焊剂体系

不同，活化时间及温度存在差异，仅作为示例；但缩短预热区时间有助于减少球窝（HIP）不良。

表1：不同预热时间球窝（HIP）良率情况

导致球窝（HIP）焊点其他因素

1） 焊球异物污染，焊接时异物或残留形成阻隔，出现球窝（HIP）焊点。

2） 来料焊球氧化严重，常见的原因有物料存储超期、存储环境异常、异常烘烤等。

3） 锡膏使用不当，锡膏超期或印刷后放置时间过久，导致助焊剂挥发损失。

4） 印锡质量问题，部分焊盘少锡导致焊接前期焊球未接触锡膏，同少锡同时也导致助焊剂少。

03 总结

焊接过程中焊料氧化，形成间隙/氧化膜隔离了焊盘上的焊锡与焊球使其无法熔融到一起，从而形成了球窝（HIP）焊点。

导致焊料氧化的原因主要有两个方面：

1） 焊接环境中氧含量高导致氧化严重或回流曲线预热区时间太久，使助焊剂过度消耗，不足以清除焊料表面氧化物。

2） 共面度大，高温形变，器件偏移导致焊球未能在助焊剂有效的时间内使焊盘上的焊锡与焊球接触熔融。

在实际生产过程中球窝（HIP）焊点往往是多个因素共同作用的结构。故我们的优化措施也要从多个角度进行优化，采用获得较明显的改善效果。

【本文转自《一步步新技术》杂志，作者单位是中兴通讯。】