BGA焊点的缺陷分析与工艺改进

[摘要]：本文将结合实际，就ＢＧＡ焊点的接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述，特别对有争议的一种缺陷-空洞进行较为透彻的分析，并提出一些改善ＢＧＡ焊点质量的工艺改进的建议。

１.ＢＧＡ简介

　ＢＧＡ是一种球栅陈封装的器件，它出现于２０世纪９０年代初，当时由于有引线封装的器件引脚数越来越多，引线间距越来越小，最小的器件间距已经达到0.3mm(12mil), 这对于组装来讲，无论从可制造性或器件焊接的可靠性都已经达到了极限，出错的机会也越来越大。这时一种新型的球栅阵列封装器件出现了，相对于同样尺寸的ＱＦＰ器件，ＢＧＡ能够提供多至几倍的引脚数（对于ＢＧＡ来讲其芯片下面的焊球就相当于引脚）而引脚的间距还比较大，这对于组装来讲是件好事，可以大幅度地提高焊接合格率和一次成功率。　　

通常塑料封装的ＰＢＧＡ是应用在通信产品和消费产品上最多的一种器件，它的焊球成分是普通的63n/37Pb,共晶焊料。军品上有时应用陶瓷封装的ＣＢＧＡ器件，它的焊球是一种高温的１０Ｐb/90 Sn的非共晶焊料。随着ＢＧＡ器件的不断发展，在美国和日本都开发出了更小封装的微型ＢＧＡ，其封装尺寸只比芯片大不超过２０％，一般被子称作μＢＧＡ（microBGA）或ＣＳＰ，它们的焊球最小已达到0.3mm（１２mil）,焊球间距最小已达到0.5mm(12mil).实际上，对于印制板制造厂来讲，在如此小焊球间距间制作过孔是一项难度非常高的工作。

２.ＢＧＡ焊接质量的检查

对于ＢＧＡ来讲由于焊球在芯片的下面，焊接完成之后很难去判断其焊接质量。在没有检查设备的情况下，先目视观察最外面一圈焊的塌陷是一致，再将芯片对着光看，如果每一排每一列都能透过光，那么可以断定没有连焊，有时尺寸大一点的焊锡也能看见。但用这种方法判断是否里面的焊点是否存在其它缺陷或焊点里面是否有空洞。要想更清楚地判断焊点的质量，还必须使用Ｘ-RAY检查仪。

传统的二维Ｘ射线直射式照相设备比较便宜，但其缺点是在ＰＣＢ板的两面的所有焊点都同时在一张照片上显影，对于在同一位置两面都有元件的情况下，这些焊锡形成的阴影会重叠起来，分不清是哪个面的元件，如果有缺陷的话，也分不清是哪个层的问题。这样，无法满足精确地确定焊接缺陷的要求。

我们X-ray电路板检查仪是专门用来检查焊点的Ｘ射线断层扫描检查设备。当然它不仅能够检查ＢＧＡ，电路板上所有封装的焊点它都可以检查。虽然以前人们认为这种设备太昂贵，用来进行焊点的检查成本太高，但随着ＢＧＡ器件的应用越来越广泛，人们已经能接受这种昂贵的设备了。

 X-Ray采用的是Ｘ射线断层照相，通过它可以把焊接球分层，产生断层照相的效果。Ｘ射线断层照相的图片能够根据ＣＤＡ原始设计数据和用户设置的参数进行自动分析焊点，它实时地进行断层扫描，能够在几十秒或２分钟之内（视电路板焊点的数量及复杂程度不同）对ＰＣＢ的两面的所有元件的所有焊点进行精确的对比分析，得出焊接合格与否的结论。为什么断层扫描的Ｘ射线照相能够得到清晰度非常高的效果呢？这是由其工作原理决定的。X-ray系统的Ｘ射线是由位于设备上端的一个Ｘ射线管产生的。工作时，必须将电压从２２０Ｖ升至１６０ＫＶ，电流为１００　mA。在高电压下产生的电子束照射到金属钨上会产生Ｘ射线。这一束Ｘ射线斜着射下来，以７６０转／秒的速度高速旋转。同时在下面还不一个闪烁器平台也以同样的速度与Ｘ射线同步旋转。闪烁器平台实际上是一个对Ｘ光敏感的接收器。一般来讲金属，锡、铅等重金属Ｘ光不会透过，会形成深色的景象，而一般的物质则被Ｘ光穿透，什么都看不到。Ｘ光在光源与闪烁器平台之间的某一位置上聚集，出现一个聚集平面，聚集平面上的物体或图象会在闪烁器平台上形成一个清晰的图像，但不在聚集平面上的物体或图像在闪烁器平台上则被子虚掉了，只有一个阴影。Ｘ射线的断定层成像原理如图所示。于是对于ＰＣＢ上高度不同的焊点进行断层，想要检查某一层的焊接情况，只要将这一层调整到聚集平面的位置，就会很清楚地将扫描结果展现出来。这个清晰的照片会由设备下面的Ｘ光照相机拍下来。

３.ＢＧＡ焊点的接收标准

不管用哪种检查设备进行检查，判断焊点的质量是否合格都必须有依据。ＩＰＣ－Ａ－６１０Ｃ专门对ＢＧＡ焊点的接收标准进行了定义。优选的ＢＧＡ焊点的要求是焊点光滑、圆、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊锡球。

焊接完成后，优选的标准是追求的目标，但作为合格焊点的判据，还可以比上述标准要求稍微放松。如位置对准，允许ＢＧＡ焊点相对于焊盘有不超过２５％的偏移量，对于焊锡球也不是绝对不允许存在，但焊锡球不能大于相邻最近的两个焊球间距的２５％。

４.ＢＧＡ焊点的典型缺陷

ＢＧＡ的典型缺陷包括：连焊、开路、焊球丢失、大空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。下面列举实际工作中遇到的Ｘ射线照片，包含了上述的大部分缺陷。

５.有争议的一种缺陷-空洞

目前尚存在争议的一个问题是关于ＢＧＡ中空洞的接收标准。空洞问题并不是ＢＧＡ独有的。在通孔插装及表面贴装及通孔插装元件的焊点通常都可以用目视检查看到空洞，而不用Ｘ射线。在ＢＧＡ中，由于所有的焊点隐藏在封装的下面，只有使用Ｘ射线才能检查到这些焊点。当然，用Ｘ射线不仅可以检查ＢＧＡ的焊点，所有的各种各样的焊点都可以检查，使用Ｘ射线，空洞很容易就可以检查出来。

那么空洞一定对ＢＧＡ的可靠性有负面影响吗？不一定。有些人甚至说空洞对于可靠性是有好处的。ＩＰＣ－７０９５标准“实现ＢＧＡ的设计和组装过程”详述了实现ＢＧＡ和的设计及组装技术。ＩＰＣ－７０９５委员会认为有些尺寸非常小，不能完全消除的空洞可能对于可靠性是有好处的，但是多大的尺寸应该有一个界定的标准。

5.1空洞的位置及形成原因

在ＢＧＡ的焊点检查中在什么位置能发现空洞呢？ＢＧＡ的焊球可以分为三个层，一个是元件层（靠近ＢＧＡ元件的基板），一个是焊盘层（靠近ＰＣＢ的基板），再有一个就是焊球的中间层。根据不同的情况，空洞可以发生在这三个层中的任何一个层。

空洞是什么时候出现的呢？ＢＧＡ焊球中可能本身在焊接前就带有空洞，这样在再流焊过程完成后就形成了空洞。这可能是由于焊球制作工艺中就引入了空洞，或是ＰＣＢ表面涂覆的焊膏材料的问题导致的。另外电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如，把过孔设计在焊盘的下面，在焊接的过程中，外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。

焊盘层中发生的空洞可能是由于焊盘上面印刷的焊膏中的助焊剂在再流焊接过程中挥发，气体从熔深的焊料中逸出，冷却后就形成了空洞。焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染都可能是在焊盘层出现空洞的原因。

通常发现空洞机率最多的位置是在元件层，也就是焊球的中央到ＢＧＡ基板之间的部分。这有可能是因为ＰＣＢ上面ＢＧＡ的焊盘在再流焊接的过程中，存在有空气气泡和挥发的助焊剂气体，当ＢＧＡ的共晶焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时形成空洞。如果再流温度曲线在再流区时间不够长，空气气泡和助焊剂中挥发的气体来不及逸出，熔溶的焊炒已经进入冷却区变为固态，便形成了空洞。所以，再流温度曲线是形成空洞的种原因。共晶焊料６３n/37Pb的ＢＧＡ最易出现空洞，而成分为１０Ｓn/90Pb的非法共晶高熔点焊球的ＢＧＡ，熔点为３０２℃，一般基本上没有空洞，这是因为在焊膏熔化的再流焊接过程中ＢＧＡ上的焊球不熔化。

5.2空洞的接收标准

空洞中的气体存在可能会在热循环过程中产生收缩和膨胀的应力作用空洞存在的地方便会成为应力集中点，并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。

但是空洞的存在由于减小了焊料球所申的过分间，也就减小了焊料球上的机械应力。具体减小多少还要视空洞的尺寸、位置、形状等因素而定。

ＩＰＣ－７０９５中规定空洞的接收／拒收标准主要考虑两点：就是空洞的位置及尺寸。空洞不论是存在在什么位置，是在焊料球中间或是在焊盘层或元件层，视空洞尺寸及数量不同都会造成质量和可靠性的影响。焊球内部允许有小尺寸的焊球存在。空洞所占空间与焊球空间的比例可以按如下方法计算：例如空洞的直径是焊球直径的５０％，那么空洞所占的面积是焊球的面积的２５％。ＩＰＣ标准规定的接收标准为：焊盘层的空洞不能大于１０％的焊球面积，也即空洞的直径不能超过３０％的焊球直径。当焊盘层空洞的面积超过焊球面积的２５％时，就视为一种缺陷，这时空洞的存在会对焊点的机械或电的可靠性造成隐患。在焊盘层空洞的面积在１０％～２５％的焊球面积时，应着力改进工艺，消除或减少空洞。

６结论　减少ＢＧＡ缺陷的工艺改进建议

共晶焊料的ＢＧＡ在焊接过程形成焊点时，ＰＣＢ板上涂覆的焊膏和元件本揣的锡球要熔为一体，这个过程分为两个阶段的塌落。第一个阶段的塌落是ＰＣＢ板上的焊膏先熔化，元件塌下来，第二个阶段是元件本身的锡球也熔化并与ＰＣＢ板上的熔化的焊膏熔为一体，锡球再次塌落，形成一个扁圆形的焊点。

要形成完美的焊点，应注意以下几个方面：

（1） 使用新鲜的焊膏，保证焊膏搅拌均匀，焊膏涂覆的位置准确，元件放置的位置准确。

（2） 对于塑料封装的PBGA要在焊接前以100℃烘干6-8小时，有氮气条件的话更好。

（3） 回流温度曲线是一个非常重要的因素。在焊接过程中，要保证焊接曲线过渡自然，使器件均匀受热，尤其在焊接区，要保证所有焊点充分熔化。否则将会由于温度不够形成冷焊点，焊点表面粗糙，或第二次塌落阶段没有充分熔化，PCB表面的焊膏与元件本身的焊锡中间出现裂纹，造成虚焊或开焊。

（4） 涂覆的焊膏量必须适当，焊膏的粘度应起到对器件暂时固定的作用，还要保证在焊料熔化的焊接过程中不连焊。通常制作BGA模板时，BGA焊点的开孔尺寸通常为焊盘尺寸的70~80%，模板厚度通常为0.15mm(6mil)。

（5） 设计PCB上BGA的焊盘时一定要将所有焊点的焊盘设计成一样大，如果某些过也民必须设计到焊盘的下面，也应当到找合适的PCB制造厂，在该焊盘的位置钻孔，而不能因为钻不了那么小的过孔，就擅自将焊盘改大，这样的话焊接后大焊盘和小焊盘上的锡量不一样多，高度也不一致造成虚焊或开路。

（6） 此外，还要强调一点是关于PCB 制作时的阻焊膜问题。由于阻焊膜不合格造成的焊接失败已经很多了，所以在焊接BGA之前要先检查焊盘周围的阻焊膜是否合格，焊接面焊盘周围的过孔也一定要涂覆阻碍焊膜。如果制作时把阻焊膜加到了PCB的另一面就没用了。加阻焊膜的目的是为避免在焊接时空气从下面进来形成空洞，同时也可以避免焊锡从通孔中流出。如果在印刷焊膏时不得返工的话，也不会有多余的焊锡并不影响焊接质量，因为过孔本身就是电镀孔，但如果焊锡太多或产生拉尖、锡球之类的问题，就会留下短路的隐患，有人称其为“虚短”缺陷。返修BGA是迫不得已的办法，虽然有可能修复一片焊接失败的BGA芯片，但修复一片BGA要费较长的时间，还必须有合适的焊球和能够精确对位的返修工具。植球的方法已经有不少论文在介绍了，但实际操作时植球的成功率通常不是很高。有时为了返修一片BGA要花费至少半天的时间，由此造成的资源浪费是显而易见的。即使修复好了再焊接上去，这个芯片已经承受了至少4次的回流周期，这肯定会影响焊接的可靠性，比如会加速疲劳和蠕变失效。总之，在焊接BGA之前做好充分的准备，完全有可能实现高的一次通过率，增加一次成功的把握。尽量减少或消除缺陷，不返修，这才是我们所追求的目标。