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   電路板調(diào)試過程中，會出現(xiàn)“BGA器件外力按壓有信號，否則沒有信號”的現(xiàn)象，我們稱之為“虛焊”。本文通過對這種典型缺陷進(jìn)行原因分析認(rèn)為：焊接溫度曲線、焊膏量、器件及PCB板焊盤表面情況以及印制板設(shè)計等因素對“虛焊”的產(chǎn)生有較大影響。在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的控制措施，使得表面組裝焊點少缺陷甚至零缺陷，從而保證產(chǎn)品的長期可靠性。

 

1．前言

 

      BGA，球柵陣列器件，大幅度提高了印制板的組裝密度，其應(yīng)用越來越廣泛。常用的幾種BGA器件包括PBGA、CBGA、TBGA等。

 

      隨著BGA器件的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用的微型BGA有uBGA及CSP，其封裝尺寸比芯片尺寸最多大20%，焊球最小為0.3mm，焊球最小間距為0.5mm。

 

      并且目前隨著印制板的集成度越來越高，這種芯片級封裝器件的應(yīng)用也會越來越多，再加上BGA焊點的特殊性，其焊點檢測只能借助X光來完成， 并且一旦有缺陷，返修會比較麻煩，不僅降低了生成效率，增加了生產(chǎn)成本，還不能保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此給表面組裝技術(shù)提出更高的要求。

 

2.BGA焊點“虛焊”原因分析

 

2.1“虛焊”現(xiàn)象及其X光形貌

 

      在產(chǎn)品調(diào)試時會出現(xiàn)“BGA器件外力按壓有信號，否則沒有信號”的現(xiàn)象。我們認(rèn)為這是典型的“虛焊”現(xiàn)象，這也是現(xiàn)在業(yè)界普遍存在的問題。

 

      從焊點的形貌方面分析，BGA焊點的接收標(biāo)準(zhǔn)在IPC-A-610D中的定義為：優(yōu)選的BGA經(jīng)X光檢測，焊點光滑、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，位置準(zhǔn)確，無偏移或扭轉(zhuǎn)，無焊錫球，如圖1所示。

 

      實際經(jīng)驗得出明顯的虛焊焊點形狀不規(guī)則或圓形四周不光滑或焊點尺寸小，如圖2所示。

 

 

2.2“虛焊”形成的原因分析

 

      對實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，認(rèn)為形成“虛焊”可能的原因有如下幾點。

 

2.2.1 焊球及焊盤表面氧化

 

      若器件焊球氧化或PCB板焊盤氧化，焊料很難與焊盤之間形成牢固的冶金結(jié)合，從而不能提供持續(xù)可靠的電氣性能，即表現(xiàn)為“虛焊”現(xiàn)象。

 

2.2.2 焊點裂紋

 

      若BGA焊點在界面處出現(xiàn)裂紋，從而導(dǎo)致機(jī)械及電氣性能失效，我們也稱之為“虛焊”。BGA焊點裂紋主要是因為PCB基板和元器件的基膨脹系數(shù)不匹配（FR4的CTE為18ppm/℃，而硅芯片的CTE為2.8ppm/℃），焊點中存在殘余應(yīng)力而導(dǎo)致的。

 

      研究表明：BGA焊點（無論是SnPb還是SnAgCu焊點）裂紋絕大多數(shù)都是出現(xiàn)在焊球與器件的基板之間，即封裝一側(cè)，并且裂紋非?？拷庋b一側(cè)的金屬間化合物。軟件模擬與試驗結(jié)果是吻合的。個人認(rèn)為這種結(jié)論在一定程度上暴露了器件本身存在的質(zhì)量問題。如圖3、4為BGA焊點的金相分析圖及光學(xué)檢測圖，裂紋出現(xiàn)在器件上端。

 

 

      IPC-A-610D中指出：只要裂紋底部不深入到焊點內(nèi)部影響電氣及力學(xué)性能就能判定為合格。但如果焊點中有裂紋，可能暫時不會影響整機(jī)的電氣性能，但是在高低溫循環(huán)或沖擊的載荷下裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展使焊點斷開，則會導(dǎo)致整機(jī)失效。因此在實際生產(chǎn)中，尤其是軍品，BGA焊點是不允許出現(xiàn)裂紋的。

 

2.2.3 冷焊焊點

 

      在回流階段，如果焊料在液相線以上溫度時間過短，焊料與焊球還沒有充分融合到一起隨即進(jìn)入冷卻區(qū)，這樣就會出現(xiàn)冷焊焊點，這種焊點表面粗糙，長期可靠性差，很容易引起焊點失效，形成“虛焊”。

 

2.2.4 其他

 

      主要體現(xiàn)在印制板設(shè)計及印制板制造方面。如果BGA焊盤和過孔之間的阻焊焊膜質(zhì)量不過關(guān)或被破壞掉或者過孔設(shè)計在焊盤下面，則焊膏在加熱時很容易流到過孔里面使得該焊點處的焊膏量變少，進(jìn)而使得整個BGA器件的焊球不共面，成為“虛焊”的隱患。

 

3.改進(jìn)措施

 

3.1器件的保存及預(yù)處理

 

      BGA器件是一種高度濕度敏感器件（尤其是PBGA），所以BGA必須在恒溫干燥的條件下保存。一般來說，BGA較理想的保存環(huán)境為20℃~25攝氏度，濕度為小于10%RH。表中為元器件濕度敏感的等級分類，它表明在裝配過程中，一旦密封包裝被打開，元器件必須被用于安裝、焊接的相應(yīng)時間。一般來說BGA屬于5級以上。

 

 

      但就我們的生產(chǎn)流程來看，元器件的包裝被打開后無法在相應(yīng)時間內(nèi)完成安裝、焊接。為了元器件具有更好的可焊性及避免吸潮后受高溫發(fā)生“爆米花”現(xiàn)象，需要對BGA器件進(jìn)行烘烤。烘烤溫度一般為125℃，相對濕度≤60%RH（氮氣保護(hù)），烘烤時間見下表：

 

 

3.2焊膏量

 

      為了得到良好的印刷效果，生產(chǎn)中使用新鮮的焊膏，并且在印刷之前攪拌均勻，印刷位置準(zhǔn)確，這些是形成良好焊點的前提條件。同時為了保證BGA焊點的焊接質(zhì)量及其長期可靠性，焊膏量也是一個重要的影響因素。但是模板厚度及模板開孔大小應(yīng)滿足如下比例要求才能得到良好的脫模效果。

 

      引腳寬度開孔大小/模板厚度≥1.5

 

       開孔面積/側(cè)面積≥0.66

 

3.3焊接溫度曲線

 

      熱分對流再焊接溫度曲線由預(yù)熱、保溫、回流、冷卻四個部分組成。預(yù)熱區(qū)的作用是將印制板預(yù)熱，保溫區(qū)的作用是將印制板進(jìn)一步加熱，并且使得焊膏中的助焊劑活化，去除氯化物，使得焊膏能夠在焊盤上成分鋪展，同時以期使得印制板上所有點的溫差最小，回流區(qū)焊膏融化，對SMD進(jìn)行焊接，發(fā)生冶金反應(yīng)，形成可靠連接，冷卻區(qū)使焊點快速凝固，形成焊點。任何一個溫度設(shè)定不合理都會導(dǎo)致不良焊點產(chǎn)生。

 

      對于BGA焊點，邊緣與中心焊球的溫差△T是影響其焊點質(zhì)量的關(guān)鍵因素。若溫差較大，內(nèi)部焊球得不到充分融化，很容易出現(xiàn)“虛焊”。

 

      因此，在進(jìn)入回流區(qū)之前，應(yīng)使得△T盡量小，最好在5℃以內(nèi)，這樣才能保證所有焊點同時進(jìn)入熔斷狀態(tài)；在液相線以上時間合理，不能過長或過短，最好有一個“平頂”，在保證所有焊球△T盡量小的同時使焊球充分熔化，這樣才能形成可靠的冶金連接。

 

      冷卻速率也是影響焊點質(zhì)量的一個重要因素。冷卻速率過快會形成擾動焊點，使焊點產(chǎn)生裂紋；冷卻速率過慢則會使焊點表面粗糙，晶粒粗大，可靠性差。

 

      應(yīng)根據(jù)不同的印制板厚度、組裝密度、器件特點分別制定不同的溫度曲線。

 

3.4 汽相焊

 

      對于一些特殊的產(chǎn)品，尤其在軍品中，隨著集成度的提高，布線密度的增加，印制板層數(shù)增多，這種“功能強(qiáng)大”的印制板熱容量很大。

 

      此時，熱風(fēng)對流再流焊接顯得有點力不從心，因為在同一塊印制板上不同的地方的器件溫差比較大，會出現(xiàn)過熱或過冷的現(xiàn)象。

 

      并且當(dāng)需要改變溫度曲線的時候，熱風(fēng)對流系統(tǒng)需要較長的轉(zhuǎn)換時間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而汽相再流焊則不存在這些問題，它不需要調(diào)節(jié)溫度曲線，印制板的最高溫度與所用液體的沸點相當(dāng)，比較適合大熱容量組件的焊接。

 

3.5 可制造性分析

 

      可借助Valor軟件對設(shè)計圖紙進(jìn)行可制造性分析，使設(shè)計與生產(chǎn)良好銜接，同時又做到工藝優(yōu)化，使得生產(chǎn)制造更加科學(xué)合理化，從而提高良品率。

 

4.BGA返修

 

      BGA焊點“虛焊”的返修方法有如下兩種。

 

4.1非破壞性返修

 

      針對這種典型的“BG器件外力按壓有信號，否則沒有信號”現(xiàn)象，我們認(rèn)為可能是少量的焊點成形不好，有缺陷。因此從器件四周注入助焊劑，然后對其進(jìn)行重熔。這種方法有時會使上述“虛焊”現(xiàn)象消失，能夠滿足電氣性能的要求。

 

4.2破壞性返修

 

      通常采用的返修方法即將有“虛焊”的BGA器件加熱強(qiáng)行拆下來，然后進(jìn)行植球或換新的器件進(jìn)行焊接。

 

      以上兩種返修過程一般在BGA返修臺完成，但若返修臺的加熱系統(tǒng)不能進(jìn)行準(zhǔn)確的充分加熱的話，則需要采用回流焊爐來完成返修，但付出的代價是整塊板上的所有器件再進(jìn)行一次熱沖擊，可能會對一些器件造成損壞?？傊敌藓蟛灰欢芡耆ＷC產(chǎn)品質(zhì)量。

 

5.總結(jié)

 

      總之，BGA器件比一般的表面貼裝器件的焊接工藝復(fù)雜，影響焊點質(zhì)量的因素也較多。本文通過對典型“虛焊”缺陷進(jìn)行原因分析認(rèn)為：焊接溫度曲線、焊膏量、器件及印制板焊盤表面狀況以及印制板設(shè)計等因素對“虛焊”的產(chǎn)生有較大影響。

 

      隨著電路設(shè)計的更加集成化，印制板組裝密度將會更高，會使用更多的uBGA及CSP。因此在以后的實際生產(chǎn)中，要從上述提出的改進(jìn)方法入手，綜合考慮各方面因素，嚴(yán)格控制組裝工藝，追求零缺陷、無返修的最終目標(biāo)。