BGA焊點的缺陷分析與工藝改進

[摘要]：本文將結合實際，就ＢＧＡ焊點的接收標準、缺陷表現及可靠性等問題展開論述，特別對有爭議的一種缺陷-空洞進行較為透徹的分析，并提出一些改善ＢＧＡ焊點質量的工藝改進的建議。

１.ＢＧＡ簡介

　ＢＧＡ是一種球柵陳封裝的器件，它出現于２０世紀９０年代初，當時由于有引線封裝的器件引腳數越來越多，引線間距越來越小，最小的器件間距已經達到0.3mm(12mil), 這對于組裝來講，無論從可制造性或器件焊接的可靠性都已經達到了極限，出錯的機會也越來越大。這時一種新型的球柵陣列封裝器件出現了，相對于同樣尺寸的ＱＦＰ器件，ＢＧＡ能夠提供多至幾倍的引腳數（對于ＢＧＡ來講其芯片下面的焊球就相當于引腳）而引腳的間距還比較大，這對于組裝來講是件好事，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是應用在通信產品和消費產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。軍品上有時應用陶瓷封裝的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器件的不斷發展，在美國和日本都開發出了更小封裝的微型ＢＧＡ，其封裝尺寸只比芯片大不超過２０％，一般被子稱作μＢＧＡ（microBGA）或ＣＳＰ，它們的焊球最小已達到0.3mm（１２mil）,焊球間距最小已達到0.5mm(12mil).實際上，對于印制板制造廠來講，在如此小焊球間距間制作過孔是一項難度非常高的工作。

２.ＢＧＡ焊接質量的檢查

對于ＢＧＡ來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量。在沒有檢查設備的情況下，先目視觀察最外面一圈焊的塌陷是一致，再將芯片對著光看，如果每一排每一列都能透過光，那么可以斷定沒有連焊，有時尺寸大一點的焊錫也能看見。但用這種方法判斷是否里面的焊點是否存在其它缺陷或焊點里面是否有空洞。要想更清楚地判斷焊點的質量，還必須使用Ｘ-RAY檢查儀。

傳統的二維Ｘ射線直射式照相設備比較便宜，但其缺點是在ＰＣＢ板的兩面的所有焊點都同時在一張照片上顯影，對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重疊起來，分不清是哪個面的元件，如果有缺陷的話，也分不清是哪個層的問題。這樣，無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檢查焊點的Ｘ射線斷層掃描檢查設備。當然它不僅能夠檢查ＢＧＡ，電路板上所有封裝的焊點它都可以檢查。雖然以前人們認為這種設備太昂貴，用來進行焊點的檢查成本太高，但隨著ＢＧＡ器件的應用越來越廣泛，人們已經能接受這種昂貴的設備了。

 X-Ray采用的是Ｘ射線斷層照相，通過它可以把焊接球分層，產生斷層照相的效果。Ｘ射線斷層照相的圖片能夠根據ＣＤＡ原始設計數據和用戶設置的參數進行自動分析焊點，它實時地進行斷層掃描，能夠在幾十秒或２分鐘之內（視電路板焊點的數量及復雜程度不同）對ＰＣＢ的兩面的所有元件的所有焊點進行精確的對比分析，得出焊接合格與否的結論。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系統的Ｘ射線是由位于設備上端的一個Ｘ射線管產生的。工作時，必須將電壓從２２０Ｖ升至１６０ＫＶ，電流為１００　mA。在高電壓下產生的電子束照射到金屬鎢上會產生Ｘ射線。這一束Ｘ射線斜著射下來，以７６０轉／秒的速度高速旋轉。同時在下面還不一個閃爍器平臺也以同樣的速度與Ｘ射線同步旋轉。閃爍器平臺實際上是一個對Ｘ光敏感的接收器。一般來講金屬，錫、鉛等重金屬Ｘ光不會透過，會形成深色的景象，而一般的物質則被Ｘ光穿透，什么都看不到。Ｘ光在光源與閃爍器平臺之間的某一位置上聚集，出現一個聚集平面，聚集平面上的物體或圖象會在閃爍器平臺上形成一個清晰的圖像，但不在聚集平面上的物體或圖像在閃爍器平臺上則被子虛掉了，只有一個陰影。Ｘ射線的斷定層成像原理如圖所示。于是對于ＰＣＢ上高度不同的焊點進行斷層，想要檢查某一層的焊接情況，只要將這一層調整到聚集平面的位置，就會很清楚地將掃描結果展現出來。這個清晰的照片會由設備下面的Ｘ光照相機拍下來。

３.ＢＧＡ焊點的接收標準

不管用哪種檢查設備進行檢查，判斷焊點的質量是否合格都必須有依據。ＩＰＣ－Ａ－６１０Ｃ專門對ＢＧＡ焊點的接收標準進行了定義。優選的ＢＧＡ焊點的要求是焊點光滑、圓、邊界清晰、無空洞，所有焊點的直徑、體積、灰度和對比度均一樣，位置對準，無偏移或扭轉，無焊錫球。

焊接完成后，優選的標準是追求的目標，但作為合格焊點的判據，還可以比上述標準要求稍微放松。如位置對準，允許ＢＧＡ焊點相對于焊盤有不超過２５％的偏移量，對于焊錫球也不是絕對不允許存在，但焊錫球不能大于相鄰最近的兩個焊球間距的２５％。

４.ＢＧＡ焊點的典型缺陷

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

５.有爭議的一種缺陷-空洞

目前尚存在爭議的一個問題是關于ＢＧＡ中空洞的接收標準。空洞問題并不是ＢＧＡ獨有的。在通孔插裝及表面貼裝及通孔插裝元件的焊點通常都可以用目視檢查看到空洞，而不用Ｘ射線。在ＢＧＡ中，由于所有的焊點隱藏在封裝的下面，只有使用Ｘ射線才能檢查到這些焊點。當然，用Ｘ射線不僅可以檢查ＢＧＡ的焊點，所有的各種各樣的焊點都可以檢查，使用Ｘ射線，空洞很容易就可以檢查出來。

那么空洞一定對ＢＧＡ的可靠性有負面影響嗎？不一定。有些人甚至說空洞對于可靠性是有好處的。ＩＰＣ－７０９５標準“實現ＢＧＡ的設計和組裝過程”詳述了實現ＢＧＡ和的設計及組裝技術。ＩＰＣ－７０９５委員會認為有些尺寸非常小，不能完全消除的空洞可能對于可靠性是有好處的，但是多大的尺寸應該有一個界定的標準。

5.1空洞的位置及形成原因

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

空洞是什么時候出現的呢？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題導致的。另外電路板的設計也是形成空洞的一個主要原因。例如，把過孔設計在焊盤的下面，在焊接的過程中，外界的空氣通過過孔進入熔溶狀態的焊球，焊接完成冷卻后焊球中就會留下空洞。

焊盤層中發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程中揮發，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空洞的原因。

通常發現空洞機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。這有可能是因為ＰＣＢ上面ＢＧＡ的焊盤在再流焊接的過程中，存在有空氣氣泡和揮發的助焊劑氣體，當ＢＧＡ的共晶焊球與所施加的焊膏在再流焊過程中熔為一體時形成空洞。如果再流溫度曲線在再流區時間不夠長，空氣氣泡和助焊劑中揮發的氣體來不及逸出，熔溶的焊炒已經進入冷卻區變為固態，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最易出現空洞，而成分為１０Ｓn/90Pb的非法共晶高熔點焊球的ＢＧＡ，熔點為３０２℃，一般基本上沒有空洞，這是因為在焊膏熔化的再流焊接過程中ＢＧＡ上的焊球不熔化。

5.2空洞的接收標準

空洞中的氣體存在可能會在熱循環過程中產生收縮和膨脹的應力作用空洞存在的地方便會成為應力集中點，并有可能成為產生應力裂紋的根本原因。

但是空洞的存在由于減小了焊料球所申的過分間，也就減小了焊料球上的機械應力。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中規定空洞的接收／拒收標準主要考慮兩點：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，視空洞尺寸及數量不同都會造成質量和可靠性的影響。焊球內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標準規定的接收標準為：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３０％的焊球直徑。當焊盤層空洞的面積超過焊球面積的２５％時，就視為一種缺陷，這時空洞的存在會對焊點的機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，應著力改進工藝，消除或減少空洞。

６結論　減少ＢＧＡ缺陷的工藝改進建議

共晶焊料的ＢＧＡ在焊接過程形成焊點時，ＰＣＢ板上涂覆的焊膏和元件本揣的錫球要熔為一體，這個過程分為兩個階段的塌落。第一個階段的塌落是ＰＣＢ板上的焊膏先熔化，元件塌下來，第二個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，形成一個扁圓形的焊點。

要形成完美的焊點，應注意以下幾個方面：

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

（2） 對于塑料封裝的PBGA要在焊接前以100℃烘干6-8小時，有氮氣條件的話更好。

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

（4） 涂覆的焊膏量必須適當，焊膏的粘度應起到對器件暫時固定的作用，還要保證在焊料熔化的焊接過程中不連焊。通常制作BGA模板時，BGA焊點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） 設計PCB上BGA的焊盤時一定要將所有焊點的焊盤設計成一樣大，如果某些過也民必須設計到焊盤的下面，也應當到找合適的PCB制造廠，在該焊盤的位置鉆孔，而不能因為鉆不了那么小的過孔，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，還要強調一點是關于PCB 制作時的阻焊膜問題。由于阻焊膜不合格造成的焊接失敗已經很多了，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孔也一定要涂覆阻礙焊膜。如果制作時把阻焊膜加到了PCB的另一面就沒用了。加阻焊膜的目的是為避免在焊接時空氣從下面進來形成空洞，同時也可以避免焊錫從通孔中流出。如果在印刷焊膏時不得返工的話，也不會有多余的焊錫并不影響焊接質量，因為過孔本身就是電鍍孔，但如果焊錫太多或產生拉尖、錫球之類的問題，就會留下短路的隱患，有人稱其為“虛短”缺陷。返修BGA是迫不得已的辦法，雖然有可能修復一片焊接失敗的BGA芯片，但修復一片BGA要費較長的時間，還必須有合適的焊球和能夠精確對位的返修工具。植球的方法已經有不少論文在介紹了，但實際操作時植球的成功率通常不是很高。有時為了返修一片BGA要花費至少半天的時間，由此造成的資源浪費是顯而易見的。即使修復好了再焊接上去，這個芯片已經承受了至少4次的回流周期，這肯定會影響焊接的可靠性，比如會加速疲勞和蠕變失效。總之，在焊接BGA之前做好充分的準備，完全有可能實現高的一次通過率，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。