本文將結(jié)合實(shí)際工作中的一些體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)，就ＢＧＡ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，特別對有有爭議的一種缺陷，空洞進(jìn)行較為詳細(xì)透徹的分析，并提出一些改善ＢＧＡ焊點(diǎn)質(zhì)量的工藝改進(jìn)的建議。

        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,ＢＧＡ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ＢＧＡ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)懷疑是ＢＧＡ的焊接質(zhì)量問題或ＢＧＡ本身芯片的原因，那么究竟什么樣的ＢＧＡ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)及可靠性等問題展開論述，特別對有爭議的一種缺陷空洞進(jìn)行較為透徹的分析。

１ＢＧＡ簡介

　?。拢牵潦且环N球柵陳封裝的器件，它出現(xiàn)于２０世紀(jì)９０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)達(dá)到0.3mm(12mil), 這對于組裝來講，無論從可制造性或器件焊接的可靠性都已經(jīng)達(dá)到了極限，出錯(cuò)的機(jī)會(huì)也越來越大。這時(shí)一種新型的球柵陣列封裝器件出現(xiàn)了，相對于同樣尺寸的ＱＦＰ器件，ＢＧＡ能夠提供多至幾倍的引腳數(shù)（對于ＢＧＡ來講其芯片下面的焊球就相當(dāng)于引腳）而引腳的間距還比較大，這對于組裝來講是件好事，可以大幅度地提高焊接合格率和一次成功率。

　　 通常塑料封裝的ＰＢＧＡ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１０Ｐb/90 Sn的非共晶焊料。隨著ＢＧＡ器件的不斷發(fā)展，在美國和日本都開發(fā)出了更小封裝的微型ＢＧＡ，其封裝尺寸只比芯片大不超過２０％，一般被子稱作μＢＧＡ（microBGA）或ＣＳＰ，它們的焊球最小已達(dá)到0.3mm（１２mil）,焊球間距最小已達(dá)到0.5mm(12mil)。實(shí)際上，對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。

        ２ＢＧＡ焊拉質(zhì)量的檢查對于ＢＧＡ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)是否存在其它缺陷或焊點(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)備比較便宜，但其缺點(diǎn)是在ＰＣＢ板的兩面的所有焊點(diǎn)都同時(shí)在一張照片上顯影，對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，也分不清是哪個(gè)層的問題。這樣，無法滿足精確地確定焊接缺陷的要求。我們使用的ＨＰ　５ＤＸ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)的檢查成本太高，但隨著ＢＧＡ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。

        ３ＢＧＡ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－Ａ－６１０Ｃ　12.2.12專門對ＢＧＡ焊點(diǎn)的接收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定義。優(yōu)選的ＢＧＡ焊點(diǎn)的要求是焊點(diǎn)光滑、圓、邊界清晰、無空洞，所有焊點(diǎn)的直徑、體積、灰度和對比度均一樣，位置對準(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。如位置對準(zhǔn)，允許ＢＧＡ焊點(diǎn)相對于焊盤有不超過２５％的偏移量，對于焊錫球也不是絕對不允許存在，但焊錫球不能大于相鄰最近的兩個(gè)焊球間距的２５％。

        ４ＢＧＡ焊點(diǎn)的典型缺陷ＢＧＡ的典型缺陷包括：連焊、開路、焊球丟失、大空洞、大焊錫球和焊點(diǎn)邊緣模糊。

５有爭議的一種缺陷

　　空洞目前尚存在爭議的一個(gè)問題是關(guān)于ＢＧＡ中空洞的接收標(biāo)準(zhǔn)?？斩磫栴}并不是ＢＧＡ獨(dú)有的。在通孔插裝及表面貼裝及通孔插裝元件的焊點(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)。那么空洞一定對ＢＧＡ的可靠性有負(fù)面影響嗎？不一定。有些人甚至說空洞對于可靠性是有好處的。ＩＰＣ－７０９５標(biāo)準(zhǔn)“實(shí)現(xiàn)ＢＧＡ的設(shè)計(jì)和組裝過程”詳述了實(shí)現(xiàn)ＢＧＡ和的設(shè)計(jì)及組裝技術(shù)。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于可靠性是有好處的，但是多大的尺寸應(yīng)該有一個(gè)界定的標(biāo)準(zhǔn)。

         5.1空洞的位置及形成原因在ＢＧＡ的焊點(diǎn)檢查中在什么位置能發(fā)現(xiàn)空洞呢？ＢＧＡ的焊球可以分為三個(gè)層，一個(gè)是元件層（靠近ＢＧＡ元件的基板），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?？斩词鞘裁磿r(shí)候出現(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表面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出，冷卻后就形成了空洞。焊盤的鍍層不好或焊盤表面有污染都可能是在焊盤層出現(xiàn)空洞的原因。通常發(fā)現(xiàn)空洞機(jī)率最多的位置是在元件層，也就是焊球的中央到ＢＧＡ基板之間的部分。這有可能是因?yàn)椋校茫律厦妫拢牵恋暮副P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)ＢＧＡ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，空氣氣泡和助焊劑中揮發(fā)的氣體來不及逸出，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，再流溫度曲線是形成空洞的種原因。共晶焊料６３n/37Pb的ＢＧＡ最易出現(xiàn)空洞，而成分為１０Ｓn/90Pb的非法共晶高熔點(diǎn)焊球的ＢＧＡ，熔點(diǎn)為３０２℃，一般基本上沒有空洞，這是因?yàn)樵诤父嗳刍脑倭骱附舆^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申的過分間，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。ＩＰＣ－７０９５中規(guī)定空洞的接收／拒收標(biāo)準(zhǔn)主要考慮兩點(diǎn)：就是空洞的位置及尺寸。空洞不論是存在在什么位置，是在焊料球中間或是在焊盤層或元件層，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５０％，那么空洞所占的面積是焊球的面積的２５％。ＩＰＣ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１０％的焊球面積，也即空洞的直徑不能超過３０％的焊球直徑。當(dāng)焊盤層空洞的面積超過焊球面積的２５％時(shí)，就視為一種缺陷，這時(shí)空洞的存在會(huì)對焊點(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１０％～２５％的焊球面積時(shí)，應(yīng)著力改進(jìn)工藝，消除或減少空洞。

６結(jié)論

　　減少ＢＧＡ缺陷的工藝改進(jìn)建議共晶焊料的ＢＧＡ在焊接過程形成焊點(diǎn)時(shí)，ＰＣＢ板上涂覆的焊膏和元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，元件塌下來，第二個(gè)階段是元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，元件放置的位置準(zhǔn)確。

（2） 對于塑料封裝的PBGA要在焊接前以100℃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。否則將會(huì)由于溫度不夠形成冷焊點(diǎn)，焊點(diǎn)表面粗糙，或第二次塌落階段沒有充分熔化，PCB表面的焊膏與元件本身的焊錫中間出現(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70~80%，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)秸液线m的PCB制造廠，在該焊盤的位置鉆孔，而不能因?yàn)殂@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避免在焊接時(shí)空氣從下面進(jìn)來形成空洞，同時(shí)也可以避免焊錫從通孔中流出。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，因?yàn)檫^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是迫不得已的辦法，雖然有可能修復(fù)一片焊接失敗的BGA芯片，但修復(fù)一片BGA要費(fèi)較長的時(shí)間，還必須有合適的焊球和能夠精確對位的返修工具。植球的方法已經(jīng)有不少論文在介紹了，但實(shí)際操作時(shí)植球的成功率通常不是很高。有時(shí)為了返修一片BGA要花費(fèi)至少半天的時(shí)間，由此造成的資源浪費(fèi)是顯而易見的。即使修復(fù)好了再焊接上去，這個(gè)芯片已經(jīng)承受了至少4次的回流周期，這肯定會(huì)影響焊接的可靠性，比如會(huì)加速疲勞和蠕變失效?？傊诤附覤GA之前做好充分的準(zhǔn)備，完全有可能實(shí)現(xiàn)高的一次通過率，增加一次成功的把握。 盡量減少或消除缺陷，不返修，這才是我們所追求的目標(biāo)