BGA焊接工艺及可靠性分析

电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向的发展，对电路组装技术和I／O 引线数提出了更高的要求，芯片的体积越来越小，芯片的管脚越来越多，给生产和返修带来了困难。原来在SMT中广泛使用四边扁平封装QFP，封装间距的极限尺寸停留在0．3 mm，这种间距的引线容易弯曲、变形或折断，对SMT组装工艺、设备精度、焊接材料的要求较高，且组装窄、间距细的引线QFP缺陷率最高可达6000 ppm，使大范围应用受到制约。而球栅阵列封装BGA器件，由于芯片的管脚分布在封装底面，将封装外壳基板原四面引出的引脚变成以面阵布局的铅／锡凸点引脚，就可容纳更多的I／O数，且用较大的引脚间距（如1．5、1．27 mm）代替QFP的0．4、0．3 mm间距，很容易使用SMT与PCB上的布线引脚焊接互连，不仅可以使芯片在与QFP相同的封装尺寸下保持更多的封装容量，又使I／O引脚间距较大，从而大大提高了SMT组装的成品率，缺陷率仅为0．35 ppm，方便了生产和返修，因而BGA在电子产品生产领域获得了广泛使用。为提高BGA焊接后焊点的质量和可靠性，就BGA焊点的缺陷表现及可靠性等问题进行研究。
BGA焊接质量及检验BGA的焊点在晶片的下面，焊接完成后，用肉眼难判断焊接质量。在没有检测设备下，可先目视芯片外圈的塌陷是否一致，再将晶片对准光线看，如果每排每列都能透光，则以初步判断没有连焊。但用这种方法无法判断里面焊点是否存在其他缺陷或焊点表面是否有空洞。要想更清楚地判断焊点的质量，必须运用X光检测仪器。常用的X光检测仪器有二维X射线直射式照像仪和X电路板检测仪。传统的二维X射线直射式照像设备比较便宜，缺点是在PCB板两面的所有焊点都同时在一张照片上投影，对于在同一位置两面都有元件的情況下，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，也分不清是哪层的问题，无法满足精确地确定焊接缺陷的要求。X电路板检测仪是专门用来检查焊点的X射线断层扫描设备，不仅能检查BGA，而且可以检查PCB板上所有封裝的焊点。该设备采用的是X射线断层照相，通过它可以把锡球分层，产生断层照相效果。X断层照片能根据CAD原始设计资料和用户设置参数进行比对，从而能适时得出焊接合格与否的结论。其缺点是价格太昂贵。
2．1
BGA焊点的接收标准 不管用何设备检查，判断BGA焊点的质量是否合格都必须有标准。IPC－A－610C中12．2．12对合格的BGA焊点的接收标准定义：焊点光滑、圆润、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊锡球。焊接完成后，判断焊点合格与否优选的方案是满足上面的要求，但实际检验时可稍微放宽标准。如位置对准，允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25％ 的偏移量，对于焊锡球也不是不允许存在，但焊锡球不能大于相邻最近的2个焊球间距的25％。
2．2
BGA焊接常见缺陷BGA焊接常见缺陷：连锡、开路、焊球缺失、空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。空洞并不是BGA独有的，在表面贴装及通孔插装元件的焊点通常都可通过目视看到空洞，而不用X射线检查。但在BGA焊接中，由于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是否有空洞。甚至认为空洞对可靠性有利。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有好处，但是多大的尺寸应该有一个界定的标准。
3空洞形成机理BGA的焊球包括元件层（靠近BGA元件的基板）、焊盘层（靠近PCB的基板）和中间层。根据不同的情況，空洞可发生在这3个层中的任何层。BGA焊球中可能在焊接前就带有空洞，这样在回流焊过程完成后就形成了空洞，这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问题导致的。另外，PCB的设计也是形成空洞的主要原因。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融状态的焊球，焊接完成冷却后焊球中就会留下空洞。焊盘层中出现的空洞可能是由于焊盘上面印刷的焊膏中的助焊剂在回流焊接过程中挥发，气体从熔化的焊料中逸出，冷却后就形成了空洞。
焊盘的镀金层不好或焊盘表面有污染物都会引起空洞的产生。通常发现空洞机率最多的位置是在元件层，即焊球的中央到BGA基板之间的部分。这可能是因为PCB 上面BGA的焊盘在回流焊接的过程中，存在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回流焊过程中融为一体时形成空洞。如果再回流焊温度曲线在回流区时间不够长，空气气泡和挥发的助焊剂气体来不及逸出，熔融的焊料已经进入冷却区变为固态，便形成了空洞。所以，回流焊温度曲线设定是空洞形成的重要原因。
4
提高BGA焊接可靠性的工艺改进建议
1） 电路板、芯片预热，去除潮气，对托盘封装的BGA要在焊接前以120℃烘烤4～6 h。
2） 清洁焊盘，将留在PCB表面的助焊剂、焊锡膏清理掉。
3） 涂焊锡膏、助焊剂必须使用新鲜的辅料，涂抹均匀，焊膏必须搅拌均匀，焊膏黏度和涂抹的焊膏量必须适当，才能保证焊料熔化过程中不连焊。
4） 贴片时必须使BGA芯片上的每一个焊锡球与PCB上每一个对应的焊点对正。
5） 在回流焊过程中，要正确选择各区的加热温度和时间，同时应注意升温的速度。一般，在100℃前，最大的升温速度不超过6℃／s，100℃以后最大的升温速度不超过3℃／s，在冷却区，最大的冷却速度不超过6℃／s。因为过高的升温和降温速度都可能损坏PCB和芯片，这种损坏有时是肉眼不能观察到的。同时，对不同的芯片、不同的焊锡膏，应选择不同的加热温度和时间；对免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接温度不宜过高，焊接时间不宜过长，以防止焊锡颗粒的氧化。
6） 在进行PCB设计时，PCB上BGA的所有焊点的焊盘应设计成一样大，如果某些过孔必须设计到焊盘下面，也应当找合适的PCB厂家，确保所有焊盘大小一致，焊盘上焊锡一样多且高度一致。5结束语随着电子产品体积小型化的主流发展趋势，BGA封装的物料引脚设计会越来越密，焊接难度会越来越大，针对BGA的焊接可靠性则是永远探讨的课题。
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