BGA焊點(diǎn)的缺陷分析與工藝改進(jìn)

[摘要]：本文將結(jié)合實(shí)際，就ＢＧＡ焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)、缺陷表現(xiàn)及可靠性等問(wèn)題展開論述，特別對(duì)有爭(zhēng)議的一種缺陷-空洞進(jìn)行較為透徹的分析，并提出一些改善ＢＧＡ焊點(diǎn)質(zhì)量的工藝改進(jìn)的建議。

１.ＢＧＡ簡(jiǎn)介

　ＢＧＡ是一種球柵陳封裝的器件，它出現(xiàn)于２０世紀(jì)９０年代初，當(dāng)時(shí)由于有引線封裝的器件引腳數(shù)越來(lái)越多，引線間距越來(lái)越小，最小的器件間距已經(jīng)達(dá)到0.3mm(12mil), 這對(duì)于組裝來(lái)講，無(wú)論從可制造性或器件焊接的可靠性都已經(jīng)達(dá)到了極限，出錯(cuò)的機(jī)會(huì)也越來(lái)越大。這時(shí)一種新型的球柵陣列封裝器件出現(xiàn)了，相對(duì)于同樣尺寸的ＱＦＰ器件，ＢＧＡ能夠提供多至幾倍的引腳數(shù)（對(duì)于ＢＧＡ來(lái)講其芯片下面的焊球就相當(dāng)于引腳）而引腳的間距還比較大，這對(duì)于組裝來(lái)講是件好事，可以大幅度地提高焊接合格率和一次成功率。　　

通常塑料封裝的ＰＢＧＡ是應(yīng)用在通信產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品上最多的一種器件，它的焊球成分是普通的63n/37Pb,共晶焊料。軍品上有時(shí)應(yīng)用陶瓷封裝的ＣＢＧＡ器件，它的焊球是一種高溫的１０Ｐb/90 Sn的非共晶焊料。隨著ＢＧＡ器件的不斷發(fā)展，在美國(guó)和日本都開發(fā)出了更小封裝的微型ＢＧＡ，其封裝尺寸只比芯片大不超過(guò)２０％，一般被子稱作μＢＧＡ（microBGA）或ＣＳＰ，它們的焊球最小已達(dá)到0.3mm（１２mil）,焊球間距最小已達(dá)到0.5mm(12mil).實(shí)際上，對(duì)于印制板制造廠來(lái)講，在如此小焊球間距間制作過(guò)孔是一項(xiàng)難度非常高的工作。

２.ＢＧＡ焊接質(zhì)量的檢查

對(duì)于ＢＧＡ來(lái)講由于焊球在芯片的下面，焊接完成之后很難去判斷其焊接質(zhì)量。在沒(méi)有檢查設(shè)備的情況下，先目視觀察最外面一圈焊的塌陷是一致，再將芯片對(duì)著光看，如果每一排每一列都能透過(guò)光，那么可以斷定沒(méi)有連焊，有時(shí)尺寸大一點(diǎn)的焊錫也能看見。但用這種方法判斷是否里面的焊點(diǎn)是否存在其它缺陷或焊點(diǎn)里面是否有空洞。要想更清楚地判斷焊點(diǎn)的質(zhì)量，還必須使用Ｘ-RAY檢查儀。

傳統(tǒng)的二維Ｘ射線直射式照相設(shè)備比較便宜，但其缺點(diǎn)是在ＰＣＢ板的兩面的所有焊點(diǎn)都同時(shí)在一張照片上顯影，對(duì)于在同一位置兩面都有元件的情況下，這些焊錫形成的陰影會(huì)重疊起來(lái)，分不清是哪個(gè)面的元件，如果有缺陷的話，也分不清是哪個(gè)層的問(wèn)題。這樣，無(wú)法滿足精確地確定焊接缺陷的要求。

我們X-ray電路板檢查儀是專門用來(lái)檢查焊點(diǎn)的Ｘ射線斷層掃描檢查設(shè)備。當(dāng)然它不僅能夠檢查ＢＧＡ，電路板上所有封裝的焊點(diǎn)它都可以檢查。雖然以前人們認(rèn)為這種設(shè)備太昂貴，用來(lái)進(jìn)行焊點(diǎn)的檢查成本太高，但隨著ＢＧＡ器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們已經(jīng)能接受這種昂貴的設(shè)備了。

 X-Ray采用的是Ｘ射線斷層照相，通過(guò)它可以把焊接球分層，產(chǎn)生斷層照相的效果。Ｘ射線斷層照相的圖片能夠根據(jù)ＣＤＡ原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和用戶設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析焊點(diǎn)，它實(shí)時(shí)地進(jìn)行斷層掃描，能夠在幾十秒或２分鐘之內(nèi)（視電路板焊點(diǎn)的數(shù)量及復(fù)雜程度不同）對(duì)ＰＣＢ的兩面的所有元件的所有焊點(diǎn)進(jìn)行精確的對(duì)比分析，得出焊接合格與否的結(jié)論。為什么斷層掃描的Ｘ射線照相能夠得到清晰度非常高的效果呢？這是由其工作原理決定的。X-ray系統(tǒng)的Ｘ射線是由位于設(shè)備上端的一個(gè)Ｘ射線管產(chǎn)生的。工作時(shí)，必須將電壓從２２０Ｖ升至１６０ＫＶ，電流為１００　mA。在高電壓下產(chǎn)生的電子束照射到金屬鎢上會(huì)產(chǎn)生Ｘ射線。這一束Ｘ射線斜著射下來(lái)，以７６０轉(zhuǎn)／秒的速度高速旋轉(zhuǎn)。同時(shí)在下面還不一個(gè)閃爍器平臺(tái)也以同樣的速度與Ｘ射線同步旋轉(zhuǎn)。閃爍器平臺(tái)實(shí)際上是一個(gè)對(duì)Ｘ光敏感的接收器。一般來(lái)講金屬，錫、鉛等重金屬Ｘ光不會(huì)透過(guò)，會(huì)形成深色的景象，而一般的物質(zhì)則被Ｘ光穿透，什么都看不到。Ｘ光在光源與閃爍器平臺(tái)之間的某一位置上聚集，出現(xiàn)一個(gè)聚集平面，聚集平面上的物體或圖象會(huì)在閃爍器平臺(tái)上形成一個(gè)清晰的圖像，但不在聚集平面上的物體或圖像在閃爍器平臺(tái)上則被子虛掉了，只有一個(gè)陰影。Ｘ射線的斷定層成像原理如圖所示。于是對(duì)于ＰＣＢ上高度不同的焊點(diǎn)進(jìn)行斷層，想要檢查某一層的焊接情況，只要將這一層調(diào)整到聚集平面的位置，就會(huì)很清楚地將掃描結(jié)果展現(xiàn)出來(lái)。這個(gè)清晰的照片會(huì)由設(shè)備下面的Ｘ光照相機(jī)拍下來(lái)。

３.ＢＧＡ焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)

不管用哪種檢查設(shè)備進(jìn)行檢查，判斷焊點(diǎn)的質(zhì)量是否合格都必須有依據(jù)。ＩＰＣ－Ａ－６１０Ｃ專門對(duì)ＢＧＡ焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義。優(yōu)選的ＢＧＡ焊點(diǎn)的要求是焊點(diǎn)光滑、圓、邊界清晰、無(wú)空洞，所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對(duì)比度均一樣，位置對(duì)準(zhǔn)，無(wú)偏移或扭轉(zhuǎn)，無(wú)焊錫球。

焊接完成后，優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)是追求的目標(biāo)，但作為合格焊點(diǎn)的判據(jù)，還可以比上述標(biāo)準(zhǔn)要求稍微放松。如位置對(duì)準(zhǔn)，允許ＢＧＡ焊點(diǎn)相對(duì)于焊盤有不超過(guò)２５％的偏移量，對(duì)于焊錫球也不是絕對(duì)不允許存在，但焊錫球不能大于相鄰最近的兩個(gè)焊球間距的２５％。

４.ＢＧＡ焊點(diǎn)的典型缺陷

ＢＧＡ的典型缺陷包括：連焊、開路、焊球丟失、大空洞、大焊錫球和焊點(diǎn)邊緣模糊。下面列舉實(shí)際工作中遇到的Ｘ射線照片，包含了上述的大部分缺陷。

５.有爭(zhēng)議的一種缺陷-空洞

目前尚存在爭(zhēng)議的一個(gè)問(wèn)題是關(guān)于ＢＧＡ中空洞的接收標(biāo)準(zhǔn)。空洞問(wèn)題并不是ＢＧＡ獨(dú)有的。在通孔插裝及表面貼裝及通孔插裝元件的焊點(diǎn)通常都可以用目視檢查看到空洞，而不用Ｘ射線。在ＢＧＡ中，由于所有的焊點(diǎn)隱藏在封裝的下面，只有使用Ｘ射線才能檢查到這些焊點(diǎn)。當(dāng)然，用Ｘ射線不僅可以檢查ＢＧＡ的焊點(diǎn)，所有的各種各樣的焊點(diǎn)都可以檢查，使用Ｘ射線，空洞很容易就可以檢查出來(lái)。

那么空洞一定對(duì)ＢＧＡ的可靠性有負(fù)面影響嗎？不一定。有些人甚至說(shuō)空洞對(duì)于可靠性是有好處的。ＩＰＣ－７０９５標(biāo)準(zhǔn)“實(shí)現(xiàn)ＢＧＡ的設(shè)計(jì)和組裝過(guò)程”詳述了實(shí)現(xiàn)ＢＧＡ和的設(shè)計(jì)及組裝技術(shù)。ＩＰＣ－７０９５委員會(huì)認(rèn)為有些尺寸非常小，不能完全消除的空洞可能對(duì)于可靠性是有好處的，但是多大的尺寸應(yīng)該有一個(gè)界定的標(biāo)準(zhǔn)。

5.1空洞的位置及形成原因

在ＢＧＡ的焊點(diǎn)檢查中在什么位置能發(fā)現(xiàn)空洞呢？ＢＧＡ的焊球可以分為三個(gè)層，一個(gè)是元件層（靠近ＢＧＡ元件的基板），一個(gè)是焊盤層（靠近ＰＣＢ的基板），再有一個(gè)就是焊球的中間層。根據(jù)不同的情況，空洞可以發(fā)生在這三個(gè)層中的任何一個(gè)層。

空洞是什么時(shí)候出現(xiàn)的呢？ＢＧＡ焊球中可能本身在焊接前就帶有空洞，這樣在再流焊過(guò)程完成后就形成了空洞。這可能是由于焊球制作工藝中就引入了空洞，或是ＰＣＢ表面涂覆的焊膏材料的問(wèn)題導(dǎo)致的。另外電路板的設(shè)計(jì)也是形成空洞的一個(gè)主要原因。例如，把過(guò)孔設(shè)計(jì)在焊盤的下面，在焊接的過(guò)程中，外界的空氣通過(guò)過(guò)孔進(jìn)入熔溶狀態(tài)的焊球，焊接完成冷卻后焊球中就會(huì)留下空洞。

焊盤層中發(fā)生的空洞可能是由于焊盤上面印刷的焊膏中的助焊劑在再流焊接過(guò)程中揮發(fā)，氣體從熔深的焊料中逸出，冷卻后就形成了空洞。焊盤的鍍層不好或焊盤表面有污染都可能是在焊盤層出現(xiàn)空洞的原因。

通常發(fā)現(xiàn)空洞機(jī)率最多的位置是在元件層，也就是焊球的中央到ＢＧＡ基板之間的部分。這有可能是因?yàn)椋校茫律厦妫拢牵恋暮副P在再流焊接的過(guò)程中，存在有空氣氣泡和揮發(fā)的助焊劑氣體，當(dāng)ＢＧＡ的共晶焊球與所施加的焊膏在再流焊過(guò)程中熔為一體時(shí)形成空洞。如果再流溫度曲線在再流區(qū)時(shí)間不夠長(zhǎng)，空氣氣泡和助焊劑中揮發(fā)的氣體來(lái)不及逸出，熔溶的焊炒已經(jīng)進(jìn)入冷卻區(qū)變?yōu)楣虘B(tài)，便形成了空洞。所以，再流溫度曲線是形成空洞的種原因。共晶焊料６３n/37Pb的ＢＧＡ最易出現(xiàn)空洞，而成分為１０Ｓn/90Pb的非法共晶高熔點(diǎn)焊球的ＢＧＡ，熔點(diǎn)為３０２℃，一般基本上沒(méi)有空洞，這是因?yàn)樵诤父嗳刍脑倭骱附舆^(guò)程中ＢＧＡ上的焊球不熔化。

5.2空洞的接收標(biāo)準(zhǔn)

空洞中的氣體存在可能會(huì)在熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生收縮和膨脹的應(yīng)力作用空洞存在的地方便會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，并有可能成為產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的根本原因。

但是空洞的存在由于減小了焊料球所申的過(guò)分間，也就減小了焊料球上的機(jī)械應(yīng)力。具體減小多少還要視空洞的尺寸、位置、形狀等因素而定。

ＩＰＣ－７０９５中規(guī)定空洞的接收／拒收標(biāo)準(zhǔn)主要考慮兩點(diǎn)：就是空洞的位置及尺寸。空洞不論是存在在什么位置，是在焊料球中間或是在焊盤層或元件層，視空洞尺寸及數(shù)量不同都會(huì)造成質(zhì)量和可靠性的影響。焊球內(nèi)部允許有小尺寸的焊球存在。空洞所占空間與焊球空間的比例可以按如下方法計(jì)算：例如空洞的直徑是焊球直徑的５０％，那么空洞所占的面積是焊球的面積的２５％。ＩＰＣ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的接收標(biāo)準(zhǔn)為：焊盤層的空洞不能大于１０％的焊球面積，也即空洞的直徑不能超過(guò)３０％的焊球直徑。當(dāng)焊盤層空洞的面積超過(guò)焊球面積的２５％時(shí)，就視為一種缺陷，這時(shí)空洞的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的機(jī)械或電的可靠性造成隱患。在焊盤層空洞的面積在１０％～２５％的焊球面積時(shí)，應(yīng)著力改進(jìn)工藝，消除或減少空洞。

６結(jié)論　減少ＢＧＡ缺陷的工藝改進(jìn)建議

共晶焊料的ＢＧＡ在焊接過(guò)程形成焊點(diǎn)時(shí)，ＰＣＢ板上涂覆的焊膏和元件本揣的錫球要熔為一體，這個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段的塌落。第一個(gè)階段的塌落是ＰＣＢ板上的焊膏先熔化，元件塌下來(lái)，第二個(gè)階段是元件本身的錫球也熔化并與ＰＣＢ板上的熔化的焊膏熔為一體，錫球再次塌落，形成一個(gè)扁圓形的焊點(diǎn)。

要形成完美的焊點(diǎn)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1） 使用新鮮的焊膏，保證焊膏攪拌均勻，焊膏涂覆的位置準(zhǔn)確，元件放置的位置準(zhǔn)確。

（2） 對(duì)于塑料封裝的PBGA要在焊接前以100℃烘干6-8小時(shí)，有氮?dú)鈼l件的話更好。

（3） 回流溫度曲線是一個(gè)非常重要的因素。在焊接過(guò)程中，要保證焊接曲線過(guò)渡自然，使器件均勻受熱，尤其在焊接區(qū)，要保證所有焊點(diǎn)充分熔化。否則將會(huì)由于溫度不夠形成冷焊點(diǎn)，焊點(diǎn)表面粗糙，或第二次塌落階段沒(méi)有充分熔化，PCB表面的焊膏與元件本身的焊錫中間出現(xiàn)裂紋，造成虛焊或開焊。

（4） 涂覆的焊膏量必須適當(dāng)，焊膏的粘度應(yīng)起到對(duì)器件暫時(shí)固定的作用，還要保證在焊料熔化的焊接過(guò)程中不連焊。通常制作BGA模板時(shí)，BGA焊點(diǎn)的開孔尺寸通常為焊盤尺寸的70~80%，模板厚度通常為0.15mm(6mil)。

（5） 設(shè)計(jì)PCB上BGA的焊盤時(shí)一定要將所有焊點(diǎn)的焊盤設(shè)計(jì)成一樣大，如果某些過(guò)也民必須設(shè)計(jì)到焊盤的下面，也應(yīng)當(dāng)?shù)秸液线m的PCB制造廠，在該焊盤的位置鉆孔，而不能因?yàn)殂@不了那么小的過(guò)孔，就擅自將焊盤改大，這樣的話焊接后大焊盤和小焊盤上的錫量不一樣多，高度也不一致造成虛焊或開路。

（6） 此外，還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)是關(guān)于PCB 制作時(shí)的阻焊膜問(wèn)題。由于阻焊膜不合格造成的焊接失敗已經(jīng)很多了，所以在焊接BGA之前要先檢查焊盤周圍的阻焊膜是否合格，焊接面焊盤周圍的過(guò)孔也一定要涂覆阻礙焊膜。如果制作時(shí)把阻焊膜加到了PCB的另一面就沒(méi)用了。加阻焊膜的目的是為避免在焊接時(shí)空氣從下面進(jìn)來(lái)形成空洞，同時(shí)也可以避免焊錫從通孔中流出。如果在印刷焊膏時(shí)不得返工的話，也不會(huì)有多余的焊錫并不影響焊接質(zhì)量，因?yàn)檫^(guò)孔本身就是電鍍孔，但如果焊錫太多或產(chǎn)生拉尖、錫球之類的問(wèn)題，就會(huì)留下短路的隱患，有人稱其為“虛短”缺陷。返修BGA是迫不得已的辦法，雖然有可能修復(fù)一片焊接失敗的BGA芯片，但修復(fù)一片BGA要費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，還必須有合適的焊球和能夠精確對(duì)位的返修工具。植球的方法已經(jīng)有不少論文在介紹了，但實(shí)際操作時(shí)植球的成功率通常不是很高。有時(shí)為了返修一片BGA要花費(fèi)至少半天的時(shí)間，由此造成的資源浪費(fèi)是顯而易見的。即使修復(fù)好了再焊接上去，這個(gè)芯片已經(jīng)承受了至少4次的回流周期，這肯定會(huì)影響焊接的可靠性，比如會(huì)加速疲勞和蠕變失效。總之，在焊接BGA之前做好充分的準(zhǔn)備，完全有可能實(shí)現(xiàn)高的一次通過(guò)率，增加一次成功的把握。盡量減少或消除缺陷，不返修，這才是我們所追求的目標(biāo)。