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，芯片的體積越來越小，芯片的管腳越來越多，給生產(chǎn)和返修帶來了困難。原來在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BGA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，分不清是哪個(gè)面的元件，如果有缺陷的話，也分不清是哪層的問題，無(wú)法滿足精確地確定焊接缺陷的要求。X電路板檢測(cè)儀是專門用來檢查焊點(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)于焊盤有不超過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焊接常見缺陷BGA焊接常見缺陷：連錫、開路、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。焊盤層中出現(xiàn)的空洞可能是由于焊盤上面印刷的焊膏中的助焊劑在回流焊接過程中揮發(fā)，氣體從熔化的焊料中逸出，冷卻后就形成了空洞。焊盤的鍍金層不好或焊盤表面有污染物都會(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的焊盤在回流焊接的過程中，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)托盤封裝的BGA要在焊接前以120℃烘烤4～6 h。2) 清潔焊盤，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6℃/s，100℃以后最大的升溫速度不超過3℃/s，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過6℃/s。因?yàn)檫^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，焊接溫度不宜過高，焊接時(shí)間不宜過長(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)的焊盤應(yīng)設(shè)計(jì)成一樣大，如果某些過孔必須設(shè)計(jì)到焊盤下面，也應(yīng)當(dāng)找合適的PCB廠家，確保所有焊盤大小一致，焊盤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)越來越密，焊接難度會(huì)越來越大，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