BGA焊點(diǎn)的缺陷分析與工藝改進(jìn)

1、BGA焊點(diǎn)的缺陷分析與工藝改良摘要:本文將結(jié)合實(shí)際工作中的一些體會(huì)和經(jīng)驗(yàn),就B G A焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)、缺陷表現(xiàn)及可靠性等問題展開論述,特別對(duì)有有爭(zhēng)議的一種缺陷空洞進(jìn)行較為詳細(xì)透徹的分析,并提由一些改善B GA焊點(diǎn)質(zhì)量的工藝改良的建議.A bstract :The acceptable criterions, solder defects and reliability of BGA solder joint are discussed here. Es-pecially a disputed defect behave, void,will be analuzed detailed. Some

2、 suggestions of improving BGA soldetjoint quality will be also put forward.BGA器件的應(yīng)用越來越廣泛,現(xiàn)在很多新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)大量地應(yīng)用這種器件, 由于眾所周知的原因,BG A的焊接后焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性如何是令很多設(shè) 計(jì)開發(fā)人員、組裝加工人員頗為頭痛的問題.由于無法用常規(guī)的目視檢查B GA焊點(diǎn)的質(zhì)量,在調(diào)試電路板發(fā)現(xiàn)故障時(shí),他們經(jīng)常會(huì)疑心是BGA的焊接質(zhì)量問題或B GA本身芯片的原因,那么究竟什么樣的B GA焊點(diǎn)是合格 的,什么樣的缺陷會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效或引起可靠性問題可靠性問題呢？本文將 就BGA焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)、缺陷表現(xiàn)及可

3、靠性等問題展開論述,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.1 .B G A簡(jiǎn)介BGA是一種球柵陳封裝的器件,它由現(xiàn)于2.世紀(jì)9.年代初,當(dāng) 時(shí)由于有引線封裝的器件引腳數(shù)越來越多,引線間距越來越小,最小的器件 間距已經(jīng)到達(dá) 0.3mm(12mil),這對(duì)于組裝來講,無論從可制造性或器件焊接 的可靠性都已經(jīng)到達(dá)了極限,由錯(cuò)的時(shí)機(jī)也越來越大.這時(shí)一種新型的球柵 數(shù)組封裝器件由現(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來講其芯片下面的焊球就相當(dāng)于引腳)而引腳的 間距還比擬大,這對(duì)于組裝來講是件好事,可以大幅度地提升焊接合格率和 一次成功率.通常塑料封裝的P

4、 B GA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1 0 P b/90 Sn的非共晶焊料.隨著BGA 器件的不斷開展,在美國(guó)和日本都開發(fā)由了更小封裝的微型BGA,其封裝 尺寸只比芯片大不超過2 0%, 一般被子稱作以BG A ( microBGA )或.SP ,它 們的焊球最小 已到達(dá) 0.3mm (1 2 mil ),焊球間距 最小已達(dá) 到 0.5mm(12mil),實(shí)際上,對(duì)于印制板制造廠來講,在如此小焊球間距間制作過 孔是一項(xiàng)難度非常高的工作.2 .B G A焊拉質(zhì)量的檢查對(duì)

5、于B GA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(zhì) 量.在沒有檢查設(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光,那么可以斷定沒有連焊, 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 在其他缺陷或焊點(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光焊點(diǎn)檢查儀.傳統(tǒng)的二維X射線直射式照相設(shè)備比擬廉價(jià),但其缺點(diǎn)是在P C B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組件的情況 下,這些焊錫形成的陰影會(huì)重迭起來,分不清是哪個(gè)面的組件,如果有缺陷 的話,也分不清是哪個(gè)層的問題.這

6、樣,無法滿足精確地確定焊接缺陷的要求.另外一種H P5 DX電路板檢查儀是專門用來檢查焊點(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,用來進(jìn)行焊點(diǎn)的檢查本錢太高, 但隨著B GA器件的應(yīng)用越來越廣泛,人們已經(jīng)能接受這種昂貴的設(shè)備了.HP 5 DX采用的是X射線斷層照相,通過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)C D A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的兩面的所有組件的所有焊點(diǎn)進(jìn)行精確的比

7、照分析,得由焊接合格與否的結(jié)論.為什么斷層掃描的X射線照相能夠得到清楚度非常高的效果呢？這是由其工作原理決定的.HP5 DX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2 2 0 V升至1 6 OKV,電流為1 0 0mA.在高電壓下產(chǎn)生的電子束照射到金屬鴇上會(huì)產(chǎn)生X射線.這一束X射線斜著射下來,以7 6.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.一般來講金屬,錫、鉛等重金屬X光不會(huì)透過,會(huì)形成深色的景象,而 一般的物質(zhì)那么被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

8、置上聚集,由現(xiàn)一個(gè)聚集平面,聚集平面上的物體或圖像會(huì)在閃爍器 平臺(tái)上形成一個(gè)清楚的圖像,但不在聚集平面上的物體或圖像在閃爍器平臺(tái) 上那么被子虛掉了,只有一個(gè)陰影.X射線的斷定層成像原理如下圖.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)由來.這個(gè) 清楚的照片會(huì)由設(shè)備下面的X光照相機(jī)拍下來.3 .B G A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 A6 1 0 C12.2.12專門對(duì)B GA焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義.優(yōu)選的BG A焊點(diǎn)的要求是焊點(diǎn)光滑、圓、邊界清楚、無

9、空洞,所有焊點(diǎn)的直 徑、體積、灰度和比照度均一樣,位置對(duì)準(zhǔn),無偏移或扭轉(zhuǎn),無焊錫球.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 2 5 %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2 5 %.4 .BG A焊點(diǎn)的典型缺陷BG A的典型缺陷包括：連焊、開路、焊球喪失、大空洞、大焊錫球和焊點(diǎn) 邊緣模糊.下面列舉一張實(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)問題是關(guān)于B GA中空洞的接收標(biāo)準(zhǔn).空洞問題并不是B

10、GA獨(dú)有的.在通孔插裝及外表貼裝及通孔插裝組件的焊點(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由來.那么空洞一定對(duì)BGA的可靠性有負(fù)面影響嗎？不一定.有些人甚至說空洞對(duì)于可靠性是有好處的.I P C 7 0 9 5標(biāo)準(zhǔn)“實(shí)現(xiàn)B GA的設(shè)計(jì)和組裝過程詳述了實(shí)現(xiàn)B GA和的設(shè)計(jì)及組裝技術(shù).I P C 7 0 9 5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)

11、界定的標(biāo)準(zhǔn).5.1 空洞的位置及形成原因在B GA的焊點(diǎn)檢查中在什么位置能發(fā)現(xiàn)空洞呢？ B GA的焊球可以分為三個(gè)層,一個(gè)是組件層靠近BGA組件的基板,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)候由現(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外表涂覆的焊膏材料的問題導(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,把過孔設(shè)計(jì)在焊盤的下面,在焊接的 過程中,外界的空氣通過過孔進(jìn)入熔溶狀態(tài)的焊球,焊接完成冷卻后焊

12、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 過程中揮發(fā),氣體從熔深的焊料中逸由,冷卻后就形成了空洞.焊盤的鍍層 不好或焊盤外表有污染都可能是在焊盤層由現(xiàn)空洞的原因.通常發(fā)現(xiàn)空洞機(jī)率最多的位置是在組件層,也就是焊球的中央到B GA基板 之間的局部.這有可能是由于P C B上面B GA的焊盤在再流焊接的過程中, 存在有空氣氣泡和揮發(fā)的助焊劑氣體,當(dāng)BG A的共晶焊球與所施加的焊膏 在再流焊過程中熔為一體時(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)的氣體來不及逸由,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

13、曲線是形成空洞的種原因.共 晶焊料6 3 n/37Pb的B GA最易由現(xiàn)空洞,而成分為1 0 Sn/90Pb的非法共晶高熔點(diǎn)焊球的BGA,熔點(diǎn)為3 0 2 C, 一般根本上沒有空洞,這是由于 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(biāo)準(zhǔn)空洞中的氣體存在可能會(huì)在熱循環(huán)過程中產(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中的過分間,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.I P C- 7 0 9 5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

14、位置及尺寸.空洞不管是存在在什么位置,是在焊料球中間或是在焊盤層或 組件層,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5 0%,那么空洞所占的面積是焊球的面 積的2 5 %.IP C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1 0 % 的焊球面積,也即空洞的直徑不能超過3 0 %的焊球直徑.當(dāng)焊盤層空洞的 面積超過焊球面積的2 5 %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1 0 %2 5 %的焊 球面積時(shí),應(yīng)著力改良工藝,消除

15、或減少空洞.6 .結(jié)論減少B G A缺陷的工藝改良建議共晶焊料的B GA在焊接過程形成焊點(diǎn)時(shí),PCB板上涂覆的焊膏和組件本 揣的錫球要熔為一體,這個(gè)過程分為兩個(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,組件塌下來,第二個(gè)階段是組件本身的錫球也熔 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,組件放置的位置準(zhǔn)確.(2)對(duì)于塑料封裝的 PBGA要在焊接前以100c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.在焊接過程中,要保

16、證焊接曲 線過渡自然,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. 否那么將會(huì)由于溫度不夠形成冷焊點(diǎn),焊點(diǎn)外表粗糙,或第二次塌落階段沒有 充分熔化,PCB外表的焊膏與組件本身的焊錫中間由現(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7080%,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,如果某些過也民必須設(shè)計(jì)到焊盤的下面,也應(yīng)當(dāng)?shù)秸疫m宜的PCB制造廠,在該焊盤的位置鉆孔,而不能由

17、于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(qiáng)調(diào)一點(diǎn)是關(guān)于 PCB制作時(shí)的阻焊膜問題.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的另一面就沒用了. 加阻焊膜的目的是為防止在焊接時(shí)空氣從下面進(jìn)來形成空洞,同時(shí)也可以防止焊錫從通孔中流由.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,由于過孔 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