PCB電路板芯片焊接空洞及影響B(tài)GA空洞的因素分析

眾所周知，在焊接大平面和低托腳高度元件時會有空洞形成，如QFN 元件。這類元件的使用正在越來越多，為了滿足IPC 標準，空洞形成使許多PCB電路板設(shè)計師、PCBA焊接EMS代工廠商和質(zhì)量控制人員都倍感頭痛。優(yōu)化空洞性能的參數(shù)通常是焊膏化學成分、回流焊溫度曲線、基板和元件的涂飾以及焊盤和SMT鋼網(wǎng)模板優(yōu)化設(shè)計。然而，在實踐中，改變這些參數(shù)有明顯的局限性，盡管進行了很多努力進行優(yōu)化，但是仍然經(jīng)常看到過高的空洞率水平。

產(chǎn)生焊接空洞的根本原因為錫膏熔化后包裹在其中的空氣或揮發(fā)氣體沒有完全排出，影響因素包括錫膏材料、錫膏印刷形狀、錫膏印刷量、回流溫度、回流時間、焊接尺寸、結(jié)構(gòu)等。

IC芯片封裝技術(shù)類型 ：LGA、PGA、BGA

作為一名SMT工程師，如果不掌握SMT表面組裝組裝工藝，就很難去分析與改善工藝，而了解組裝工藝流程之前，需要掌握表面組裝元器件的封裝結(jié)構(gòu)，接下來我們深入淺出的針對封裝結(jié)構(gòu)與組裝工藝兩部分進行詳細解析。

SMT表面組裝元器件的封裝形式分類表面組裝元器件（SMD）的封裝是表面組裝的對象，認識SMD的封裝結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化SMT工藝具有重要意義。SMD的封裝結(jié)構(gòu)是工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，因此，在這里我們不按封裝的名稱而是按引腳或焊端的結(jié)構(gòu)形式來進行分類。按照這樣的分法，SMD的封裝主要有片式元件（Chip）類、J形引腳類、L形引腳類、BGA類、BTC類、城堡類，如下圖所示。

電子元器件SMD的封裝分類

▊BGA類封裝介紹 ：

1. BGA類封裝（Ball Grid Array），按其結(jié)構(gòu)劃分，主要有塑封BGA（P-BGA）、倒裝BGA（F-BGA）、載帶BGA（T-BGA）和陶瓷BGA（C-BGA）四大類，如下圖所示。

▊BTC類封裝介紹：

路板上的底部焊端類器件BTC(Bottom Terminal Component)應(yīng)用非常廣泛,比如焊球陣列器件(BGA/CSP/WLP/POP)及QFN/LLP等特殊器件，BTC類封裝在IPC-7093中列出的BTC類封裝形式有QFN（Quad Flat No-Lead package）、SON（SmallOutline No-Lead）、DFN（Dual Flat No-Lead）、LGA（land Grid Array）、MLFP（Micro Leadframe Package），如下圖所示。

其中，QFN 是一種無引腳封裝，呈正方形或矩形，封裝底部中央位置有一個大面積裸露焊盤用來導熱，通過大焊盤的封裝外圍四周焊盤導電實現(xiàn)電氣連結(jié)。由于無引腳，貼裝占有面積比 QFP小，高度 比 QFP 低，加上杰出的電性能和熱性能，這種封裝越來越多地應(yīng)用于在電子行業(yè)。

QFN熱沉焊盤空洞控制是QFN焊接工藝難題之一，也是業(yè)界的難題之一。

QFN元件三維剖視圖和實物外觀

由于小尺寸封裝攜帶高功率芯片的能力越來越強，像QFN這樣的底部終端元件封裝就越來越重要。隨著對可靠性性能的要求不斷提高，對于像QFN這種封裝中的電源管理元件，優(yōu)化熱性能和電氣性能至關(guān)重要。此外，要最大限度地提高速度和射頻性能，降低空洞對減少電路的電流路徑十分重要。隨著封裝尺寸的縮小和功率需求的提高，市場要求減少Q(mào)FN元件熱焊盤下面的空洞，因此必須評估產(chǎn)生空洞的關(guān)鍵工藝因素，設(shè)計出最佳的解決方案。

QFN 封裝具有優(yōu)異的熱性能，主要是因為封裝底部有大面積散熱焊盤，為了能有效地將熱量從芯片傳導到 PCB 上，PCB 底部必須設(shè)計與之相對應(yīng)的散熱焊盤以及散熱過孔，散熱焊盤提供了可靠的焊接面積，過孔提供了散熱途徑。因而，當芯片底部的暴露焊盤和 PCB 上的熱焊盤進行焊接時，由于熱過孔和大尺寸焊盤上錫膏中的氣體將會向外溢出，產(chǎn)生一定的氣體孔，對于 smt 工藝而言，會產(chǎn)生較大的空洞，要想消除這些氣孔幾乎是不可能的，只有將氣孔減小到最低量。

LGA全稱“l(fā)and grid array”，或者叫“平面網(wǎng)格陣列封裝”，即在底面制作有陣列狀態(tài)坦電極觸點的封裝，它的外形與 BGA 元件非常相似，由于它的焊盤尺寸比 BGA 球直徑大 2～3 倍左右，在空洞方面同樣也很難控制。并且它與 QFN 元件一樣，業(yè)界還沒有制定相關(guān)的工藝標準，這在一定程度上對電子加工行業(yè)造成了困擾。

BGA的全稱叫做“ball grid array”，或者叫“球柵網(wǎng)格陣列封裝”。目前，絕大部分的intel移動CPU都使用了這種封裝方式，例如intel所有以H、HQ、U、Y等結(jié)尾（包括但不限低壓）的處理器。

BGA可以是LGA、PGA的極端產(chǎn)物，和他們可以隨意置換的特性不同，BGA一旦封裝了，除非通過專業(yè)儀器，否則普通玩家根本不可能以正常的方式拆卸更換，但是因為是一次性做好的，因此BGA可以做的更矮，體積更小。

BGA芯片焊點主要缺陷有：空洞，脫焊（開路），橋接（短路），焊球內(nèi)部裂紋，焊點擾動，冷焊，錫球熔化不完全，移位（焊球于PCB焊盤不對準），焊錫珠等。

影響B(tài)GA空洞的因素 : BGA在焊接過程中形成焊點時，一般會經(jīng)歷二次塌陷的過程。第一個過程是焊膏先熔化，元件塌落下來；第二個過程是焊料球也熔化再次塌落，最終形成一個扁圓形的焊點。而從實際情況看，焊點空洞多發(fā)生于焊球底部與焊盤之間的位置，其受焊接過程中助焊劑揮發(fā)影響較多，因此，工藝曲線與焊膏是影響焊點空洞形成的兩個最為重要的因素。

BGA區(qū)域出現(xiàn)空洞的幾率一般比較高。PCB設(shè)計、焊料選擇、焊接工藝（尤其無鉛與混裝工藝）、回流氣氛（真空爐與氮氣）、回流參數(shù)等都會對空洞的形成與控制有不同程度的影響。

X射線在SMT行業(yè)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用于檢測BGA的氣泡大小、空洞率、最大氣泡尺寸。BGA空洞的驗收標準大部分是遵從IPC-A-610D(8.2.12.4 表面安裝陣列-空洞)，IPC標準明確規(guī)定了X射線檢測結(jié)果中任何焊料球的空洞大于25%視為缺陷。

審核編輯：郭婷