1、前言

隨著電子產(chǎn)品向小型化、便攜化、網(wǎng)絡(luò)化和高性能方向的發(fā)展，對(duì)電路組裝技術(shù)和I/O引線數(shù)提出了更高的要求，芯片的體積越來(lái)越小，芯片的管腳越來(lái)越多，給生產(chǎn)和返修帶來(lái)了困難。原來(lái)在SMT中廣泛使用四邊扁平封裝QFP，封裝間距的極限尺寸停留在0.3 mm，這種間距的引線容易彎曲、變形或折斷，對(duì)SMT組裝工藝、設(shè)備精度、焊接材料的要求較高，且組裝窄、間距細(xì)的引線QFP缺陷率最高可達(dá)6000 ppm，使大范圍應(yīng)用受到制約。而球柵陣列封裝BGA器件，由于芯片的管腳分布在封裝底面，將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的鉛／錫凸點(diǎn)引腳，就可容納更多的I/O數(shù)，且用較大的引腳間距（如1.5、1.27 mm）代替QFP的0.4、0.3 mm間距，很容易使用SMT與PCB上的布線引腳焊接互連，不僅可以使芯片在與QFP相同的封裝尺寸下保持更多的封裝容量，又使I/O引腳間距較大，從而大大提高了SMT組裝的成品率，缺陷率僅為0.35 ppm，方便了生產(chǎn)和返修，因而B(niǎo)GA在電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛使用。為提高BGA焊接后焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性，就BGA焊點(diǎn)的缺陷表現(xiàn)及可靠性等問(wèn)題進(jìn)行研究。

2、BGA焊接質(zhì)量及檢驗(yàn) 

BGA的焊點(diǎn)在晶片的下面，焊接完成后，用肉眼難判斷焊接質(zhì)量。在沒(méi)有檢測(cè)設(shè)備下，可先目視芯片外圈的塌陷是否一致，再將晶片對(duì)準(zhǔn)光線看，如果每排每列都能透光，則以初步判斷沒(méi)有連焊。但用這種方法無(wú)法判斷里面焊點(diǎn)是否存在其他缺陷或焊點(diǎn)表面是否有空洞。要想更清楚地判斷焊點(diǎn)的質(zhì)量，必須運(yùn)用X光檢測(cè)儀器。常用的X光檢測(cè)儀器有二維X射線直射式照像儀和X電路板檢測(cè)儀。傳統(tǒng)的二維X射線直射式照像設(shè)備比較便宜，缺點(diǎn)是在PCB板兩面的所有焊點(diǎn)都同時(shí)在一張照片上投影，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(huà)，也分不清是哪層的問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足精確地確定焊接缺陷的要求。X電路板檢測(cè)儀是專(zhuān)門(mén)用來(lái)檢查焊點(diǎn)的X射線斷層掃描設(shè)備，不僅能檢查BGA，而且可以檢查PCB板上所有封裝的焊點(diǎn)。該設(shè)備采用的是X射線斷層照相，通過(guò)它可以把錫球分層，產(chǎn)生斷層照相效果。X斷層照片能根據(jù)CAD原始設(shè)計(jì)資料和用戶(hù)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而能適時(shí)得出焊接合格與否的結(jié)論。其缺點(diǎn)是價(jià)格太昂貴。2.1BGA焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn) 不管用何設(shè)備檢查，判斷BGA焊點(diǎn)的質(zhì)量是否合格都必須有標(biāo)準(zhǔn)。IPC-A-610C中12.2.12對(duì)合格的BGA焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)定義：焊點(diǎn)光滑、圓潤(rùn)、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，判斷焊點(diǎn)合格與否優(yōu)選的方案是滿(mǎn)足上面的要求，但實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)可稍微放寬標(biāo)準(zhǔn)。如位置對(duì)準(zhǔn)，允許BGA焊點(diǎn)相對(duì)于焊盤(pán)有不超過(guò)25%  的偏移量，對(duì)于焊錫球也不是不允許存在，但焊錫球不能大于相鄰最近的2個(gè)焊球間距的25%。2.2BGA焊接常見(jiàn)缺陷BGA焊接常見(jiàn)缺陷：連錫、開(kāi)路、焊球缺失、空洞、大焊錫球和焊點(diǎn)邊緣模糊?？斩床⒉皇荁GA獨(dú)有的，在表面貼裝及通孔插裝元件的焊點(diǎn)通常都可通過(guò)目視看到空洞，而不用X射線檢查。但在BGA焊接中，由于焊點(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)是否有空洞。甚至認(rèn)為空洞對(duì)可靠性有利。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)于可靠性有好處，但是多大的尺寸應(yīng)該有一個(gè)界定的標(biāo)準(zhǔn)。

3、空洞形成機(jī)理

BGA的焊球包括元件層（靠近BGA元件的基板）、焊盤(pán)層（靠近PCB的基板）和中間層。根據(jù)不同的情況，空洞可發(fā)生在這3個(gè)層中的任何層。BGA焊球中可能在焊接前就帶有空洞，這樣在回流焊過(guò)程完成后就形成了空洞，這可能是由于焊球制作中引入了空洞，或是PCB表面涂敷的焊膏材料問(wèn)題導(dǎo)致的。另外，PCB的設(shè)計(jì)也是形成空洞的主要原因。例如，把過(guò)孔設(shè)計(jì)在焊盤(pán)的下面，在焊接的過(guò)程中，外界的空氣通過(guò)過(guò)孔進(jìn)入熔融狀態(tài)的焊球，焊接完成冷卻后焊球中就會(huì)留下空洞。焊盤(pán)層中出現(xiàn)的空洞可能是由于焊盤(pán)上面印刷的焊膏中的助焊劑在回流焊接過(guò)程中揮發(fā)，氣體從熔化的焊料中逸出，冷卻后就形成了空洞。焊盤(pán)的鍍金層不好或焊盤(pán)表面有污染物都會(huì)引起空洞的產(chǎn)生。通常發(fā)現(xiàn)空洞機(jī)率最多的位置是在元件層，即焊球的中央到BGA基板之間的部分。這可能是因?yàn)镻CB 上面BGA的焊盤(pán)在回流焊接的過(guò)程中，存在空氣氣泡和揮發(fā)的助焊劑氣體，當(dāng)BGA的共晶焊球與所施加的焊膏在回流焊過(guò)程中融為一體時(shí)形成空洞。如果再回流焊溫度曲線在回流區(qū)時(shí)間不夠長(zhǎng)，空氣氣泡和揮發(fā)的助焊劑氣體來(lái)不及逸出，熔融的焊料已經(jīng)進(jìn)入冷卻區(qū)變?yōu)楣虘B(tài)，便形成了空洞。所以，回流焊溫度曲線設(shè)定是空洞形成的重要原因。

4、提高BGA焊接可靠性的工藝改進(jìn)建議

1) 電路板、芯片預(yù)熱，去除潮氣，對(duì)托盤(pán)封裝的BGA要在焊接前以120℃烘烤4～6 h。2) 清潔焊盤(pán)，將留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉。3) 涂焊錫膏、助焊劑必須使用新鮮的輔料，涂抹均勻，焊膏必須攪拌均勻，焊膏黏度和涂抹的焊膏量必須適當(dāng)，才能保證焊料熔化過(guò)程中不連焊。4) 貼片時(shí)必須使BGA芯片上的每一個(gè)焊錫球與PCB上每一個(gè)對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)對(duì)正。5) 在回流焊過(guò)程中，要正確選擇各區(qū)的加熱溫度和時(shí)間，同時(shí)應(yīng)注意升溫的速度。一般，在100℃前，最大的升溫速度不超過(guò)6℃/s，100℃以后最大的升溫速度不超過(guò)3℃/s，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過(guò)6℃/s。因?yàn)檫^(guò)高的升溫和降溫速度都可能損壞PCB和芯片，這種損壞有時(shí)是肉眼不能觀察到的。同時(shí)，對(duì)不同的芯片、不同的焊錫膏，應(yīng)選擇不同的加熱溫度和時(shí)間；對(duì)免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過(guò)高，焊接時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止焊錫顆粒的氧化。6) 在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，PCB上BGA的所有焊點(diǎn)的焊盤(pán)應(yīng)設(shè)計(jì)成一樣大，如果某些過(guò)孔必須設(shè)計(jì)到焊盤(pán)下面，也應(yīng)當(dāng)找合適的PCB廠家，確保所有焊盤(pán)大小一致，焊盤(pán)上焊錫一樣多且高度一致。5結(jié)束語(yǔ)隨著電子產(chǎn)品體積小型化的主流發(fā)展趨勢(shì)，BGA封裝的物料引腳設(shè)計(jì)會(huì)越來(lái)越密，焊接難度會(huì)越來(lái)越大，針對(duì)BGA的焊接可靠性則是永遠(yuǎn)探討的課題。

參考文獻(xiàn)

[1]  BGA 空洞形成的機(jī)理及對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

[2] IPC-國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì). IPC-A-610D 印制板組裝件驗(yàn)收條件