BGA焊点缺陷分析及工艺改进

介绍

球栅阵列 (BGA) 封装自 1990 世纪 0.3 年代初推出以来，已成为电子行业的一项关键技术。随着传统引线封装中器件引脚数量的增加，导致引脚间距显著减小，这种封装方法变得不可或缺。这给器件焊接过程中的可制造性和可靠性带来了挑战，最小引脚间距甚至可低至 12 毫米 (XNUMXmil)。为了解决这些问题，BGA 技术应运而生，与类似尺寸的四方扁平封装 (QFP) 相比，BGA 技术可以容纳更多的引脚。

BGA器件依靠芯片下方的焊球作为引脚。这些焊球的间距较大，使组装更容易，从而显著提高焊接合格率和一次成功率。

两种常见的 BGA 封装类型是塑料 BGA（PBGA），常用于消费和通信产品，以及陶瓷 BGA(军用封装（例如CBGA）通常采用军用封装。PBGA器件的共晶焊料通常含有63%的锡（Sn）和37%的铅（Pb），而CBGA器件则采用10%的铅（Pb）和90%的锡（Sn）组成的高温非共晶焊料。BGA技术的发展也促进了微型BGA（又称微型BGA，μBGA）或芯片级封装（CSP）的发展，其焊球间距甚至更小，低至0.3毫米（12密耳），焊球间距低至0.5毫米（12密耳）。

本文探讨了BGA焊点的验收标准、缺陷表现和可靠性，并重点关注一个颇具争议的缺陷——空洞。此外，我们还将提出一些旨在提高BGA焊点质量的工艺改进建议。

BGA焊接质量检测

检测球栅阵列（BGA）焊点的质量是确保电子设备可靠性和功能性的关键环节。由于BGA封装的特殊性——焊球位于芯片下方——传统的目视检测方法不足以满足需求。本节将深入探讨各种检测技术及其面临的挑战。 BGA焊接 质量。

BGA焊点检测的挑战

1. 难以接近的焊点： 主要挑战在于BGA焊点难以接近。与焊点暴露的通孔或表面贴装元件不同，BGA的焊球隐藏在元件下方。这使得无法直接目视检查焊点。
2. 空间有限： BGA 的紧凑设计几乎没有给检测工具和技术留下任何空间。焊球之间的间距非常小，使得接触和检测单个焊点变得非常困难。
3. 复杂： 电子设备通常包含多个BGA，每个BGA又包含大量焊点。全面高效地检测所有这些焊点可能是一项艰巨的任务。
4. 缺陷识别： 识别 BGA 焊点内的缺陷（例如裂缝、空隙或不完全润湿）需要专门的设备和专业知识。

确保BGA焊点的质量和可靠性需要有效的检测技术。更多详情，请参阅…… 利用数字显微镜进行焊缝检测的必要性：检测方法详解 | 主动波数字显微镜.

BGA焊点检测技术

为了克服这些挑战，已经开发了各种检测技术和工具来评估BGA焊点的质量。这些方法包括：

1.X射线检查：

X射线检测是评估BGA焊点质量最常用的方法。它能够以非破坏性的方式观察BGA封装内部并评估焊点的完整性。X射线检测主要有两种类型：

• 2D X射线照相术： 该技术可以捕获BGA组件的二维X射线图像。它经济高效，并且可以识别诸如空洞和焊料不足等问题。然而，当PCB两侧都有元件时，焊料阴影可能会重叠，这使得准确定位缺陷变得非常困难。
• X射线断层扫描： X射线断层扫描（也称为3D X射线或计算机断层扫描 (CT)）提供了更先进的解决方案。它可以创建BGA的横截面图像，从而可以对焊点进行三维详细分析。该技术可提供卓越的缺陷检测和定位能力。

2.光学检查：

光学检测方法包括使用相机、显微镜或内窥镜来目视评估BGA焊点。虽然光学检测不如X射线检测那么强大，但它对于识别表面缺陷和不规则性很有价值。然而，它们可能无法检测到焊点内部隐藏的缺陷。

3.超声波检测：

超声波检测技术利用声波评估BGA焊点的结构完整性。超声波可以穿透封装并提供有关内部结构的信息，包括是否存在空洞或分层。这种方法对于检测影响焊点机械强度的缺陷特别有用。

4.热成像：

红外热像仪可以检测回流焊过程中BGA组件的温度变化。温度曲线异常可能表明存在焊料不足或冷焊点等缺陷。虽然这种方法在制造过程中有效，但可能不适用于焊后检测。

自动检测设备的作用

自动化检测设备已成为现代电子制造中不可或缺的一部分，尤其是在处理复杂的 BGA 组件时。这些机器可以快速扫描和分析多个 BGA，确保一致的质量控制。自动化 BGA 检测设备的主要功能包括：

• 高速扫描： 自动化系统可以快速检查大量 BGA，从而减少生产时间和成本。
• 缺陷识别： 先进的机器视觉系统可以高精度地识别和分类缺陷，包括空隙、裂缝和焊球不规则性。
• 数据分析： 自动检测设备可生成全面的报告和数据，使制造商能够跟踪缺陷、识别趋势并改进其焊接工艺。
• 易于集成： 这些系统可以无缝集成到生产线中，简化检查流程。
• 质量保证： 自动化检测最大限度地减少了人为错误的风险，并确保了所有 BGA 的质量一致。

BGA焊点的验收标准

为了准确评估BGA焊点的质量，明确的验收标准至关重要。IPC-A-610C为BGA焊点的验收提供了具体的指导原则。理想的BGA焊点应具备以下特性：光滑、圆润、边界清晰、无空洞。所有焊点的直径、体积、灰度和对比度应一致，位置对齐，无偏移、扭曲或焊锡球。

虽然优选标准设定了较高的门槛，但对于合格焊点的要求略有放宽。对于对齐的位置，BGA焊点相对于焊盘的偏移量最高可达25%。焊球的间距不应超过最近焊球之间距离的25%。

BGA焊点的典型缺陷

尽管符合验收标准，BGA焊点仍可能出现各种缺陷。这些缺陷包括：

1. 焊点：当焊料未正确粘合时，就会发生这种情况，从而导致断路或连接不良。
2. 开路：焊点完全断裂会导致断路，破坏电气连接。
3. 焊球缺失：焊球不完整或缺失会导致连接不可靠。
4. 大空隙：焊点内的空隙会削弱其结构完整性并可能导致故障。
5. 大焊球：过大的焊球会造成不规则的连接并干扰邻近的组件。
6. 模糊边缘：焊点边界不清晰可能表明焊接效果不佳。

有争议的缺陷——无效

BGA 焊点中仍然存在争议的一个方面是空洞的可接受标准。空洞是指焊点内部的空隙或空腔。虽然空洞并非 BGA 独有，并且会影响其他封装类型的焊点，但它们对 BGA 构成了特殊的挑战。与其他封装不同，所有 BGA 焊点都隐藏在芯片下方，因此 X 射线检测是检测空洞的主要方法。

空洞对BGA可靠性的影响尚不确定且存在争议。有人认为，微小且不可避免的空洞实际上可能会提高可靠性。IPC-7095标准（题为“实现BGA的设计和装配工艺”）承认了限制空洞的潜在优势，但强调需要制定明确的标准来确定可接受的空洞尺寸。

空洞的位置和原因

BGA焊点中的空洞主要表现在三个层面：

1. 组件层：这一层最靠近BGA元件，在回流焊接过程中，经常会因气泡或助焊剂气体挥发而出现空洞。
2. 焊盘层：此层出现空洞，可能是由于焊盘上涂抹的焊膏中的助焊剂挥发，冷却后导致气体逸出而形成空洞。
3. 焊球层：焊球空洞可能在焊接之前出现，这可能是由于焊球制造工艺、焊膏材料问题或电路板设计造成的。

例如，如果焊盘下方设计了通孔，焊接过程中外部空气可能会通过通孔进入熔融的焊球。一旦焊接过程完成且焊料冷却，这就会造成焊球内部出现空隙。

焊接过程中的回流温度曲线对空洞的形成至关重要。63% 锡和 37% 铅等共晶焊料成分更容易产生空洞，而高熔点成分的焊球（例如 10% 铅和 90% 锡，熔点为 302°C）往往较少出现空洞，因为它们在流动焊接过程中不会熔化。

无效验收标准

焊点内的空隙会在热循环过程中产生应力，从而可能导致收缩和膨胀。空隙的位置和大小会影响焊点的可靠性。然而，空隙也可以通过在焊点内提供额外的空间来降低机械应力。

IPC-7095 概述了空洞的具体验收标准，同时考虑了空洞的位置和大小。无论空洞位于焊球、焊盘层还是元件层内，其大小和数量都决定了其对质量和可靠性的影响。焊球内部允许存在小空洞，但空洞相对于焊球空间的占比是一个关键因素。例如，如果空洞的直径为焊球直径的 50%，则其面积占焊球面积的 25%。

IPC 标准规定，焊盘层中的空洞面积不得超过焊球面积的 10%。超过 25% 的空洞将被视为缺陷，会对机械和电气可靠性造成风险。对于 10% 至 25% 范围内的空洞，建议改进工艺以消除或减少空洞。

结论和工艺改进建议

成功实现BGA焊接涉及几个关键因素并遵循最佳实践。为了提高焊点质量并最大限度地减少缺陷，应考虑以下建议：

1. 焊膏质量：确保使用新鲜、搅拌均匀的焊膏，并准确定位焊膏和元件。
2. 组件准备：对于塑料封装的 PBGA 器件，焊接前最好先在 100°C 下预干燥 6-8 小时，使用氮气，这样会很有帮助。
3. 回流温度曲线：精心设计回流焊温度曲线，确保加热均匀，焊料完全熔化。温度曲线不合适会导致焊点冷焊或熔化不完全。
4. 焊膏应用：考虑粘度，涂抹适量的焊膏，以暂时固定设备并防止焊锡桥接。
5. 均匀垫设计：BGA 封装的 PCB 焊盘应设计成统一的尺寸，并避免在焊盘下方设计工艺。如果需要在焊盘下方进行工艺设计，请选择合适的 PCB 制造商，并确保导通孔设计合理，以防止大焊盘和小焊盘之间的锡量和高度差异。
6. 阻焊层质量：BGA 焊接前，请检查焊盘周围的阻焊膜质量，并确保过孔已覆盖阻焊膜。在生产过程中在 PCB 的另一侧添加阻焊膜是无效的，可能会导致虚短路和短路等问题。

通过遵循这些建议并在BGA焊接前做好充分准备，可以最大限度地减少缺陷，并实现较高的合格率。最终目标是在不进行返工的情况下消除缺陷，确保BGA焊点达到最高的质量和可靠性。

如果此要求影响采购或生产发布，请将其与以下情况进行比较： PCB质量保证流程 和 微孔和HDI设计 在将最终文件发送审核之前。