電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的bga焊點(diǎn)空洞問題詳解

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)電子產(chǎn)品要求的進(jìn)一步提高，電子產(chǎn)品朝小型化、多功能化方向發(fā)展；這就要求電子元件朝著小型化、密集與高集成化發(fā)展。BGA具備上述條件，所以被廣泛地應(yīng)用，特別是高端電子產(chǎn)品。BGA元件進(jìn)行焊接時(shí)，會(huì)不可避免的產(chǎn)生空洞；空洞對(duì)BGA焊點(diǎn)造成的影響會(huì)降低焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度，影響焊點(diǎn)的可靠性與壽命；所以必須控制空洞現(xiàn)象的產(chǎn)生。

通過X-Ray檢查出的空洞現(xiàn)象，如圖1、2。

圖(1)： X-RAY垂直BGA面檢測(cè)空洞 圖(2)： BGA面傾斜X-RAY檢測(cè)空洞

1 空洞產(chǎn)生機(jī)理:

1.1 空洞形成的機(jī)理：

材料中的濕氣（水分）和錫膏中的有機(jī)物（助焊劑等）經(jīng)過高溫產(chǎn)生氣體，BGA焊點(diǎn)形成前沒有很好的排出，氣體被包圍在合金粉末中形成空洞。

空洞切片圖

1.2 BGA焊球?qū)拥慕M成：

BGA焊球?qū)涌煞譃槿龑樱粚邮墙M件層（靠近BGA組件的基板），一層是焊盤層（靠近PCB的基板），再有一層就是焊球的中間層。根據(jù)不同的情況，空洞可以發(fā)生在這三層中的任何一層?？斩磳?duì)焊球危害最大的是組件層與焊盤層，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懞盖蚺cPCB和BGA本體的連接；見下圖。

BGA焊球結(jié)構(gòu)圖

2 空洞的驗(yàn)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，作用在空洞存在的地方便會(huì)形成應(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。

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?？斩床徽撌谴嬖谑裁次恢?，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)部允許有小尺寸的空洞存在?？斩此伎臻g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，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(duì)焊點(diǎn)的機(jī)械或電的可靠性造成隱患。

3 空洞的不同成因

3.1 無鉛錫膏焊接有效減少空洞的形成：

因BGA錫球是無鉛錫膏制成，當(dāng)使用有鉛錫膏進(jìn)行焊接時(shí)；二者間熔點(diǎn)不同，所以它們之間的水分、氣體（有機(jī)物經(jīng)高溫產(chǎn)生的氣體）等物質(zhì)揮發(fā)時(shí)間也不同，BGA焊點(diǎn)形成前不能在相同的時(shí)間段內(nèi)揮發(fā)完；造成較多空洞的形成。使用無鉛錫膏則會(huì)避免該情況的發(fā)生，并能有效的減少空洞的形成。無鉛錫膏焊接BGA時(shí)，工藝窗口調(diào)整的范圍會(huì)更寬，利于BGA的制程。

3.2 材料中的水分，造成空洞的形成：

空洞形成還因材料中的水分未能很好的排出造成，所以減少、消除材料中的水分是非常重要的；其中包括PCB與BGA。

3.2.1 PCB的烘烤與注意事項(xiàng)：

對(duì)PCB烘烤能有效的去除PCB水分，但烘烤溫度過高、時(shí)間過長(zhǎng)易破壞焊盤表層的抗氧化膜，當(dāng)抗氧化膜破壞后焊點(diǎn)暴露在空氣中易造成焊點(diǎn)氧化，其次會(huì)造成PCB的形變。PCB的烤溫度為100 ℃、時(shí)間2 h較合適。烘烤前對(duì)PCB進(jìn)行風(fēng)槍除塵作業(yè)，防止雜質(zhì)殘留在焊盤上（見下圖）；接觸PCB時(shí)必須戴手套，防止汗水與焊盤接觸，避免造成焊盤氧化。烘烤完成等待PCB自然冷卻后使用，為了防止PCB再度吸收空氣中的水分，要求PCB在冷卻后2小時(shí)內(nèi)使用完。

雜質(zhì)殘留在PCB，已烤焦

3.2.2 BGA的管控與烘烤注意事項(xiàng)：

BGA來料必須是真空包裝，開封后未使用完的BGA，必須存放在防潮柜中，防止吸收空氣中的水分。

對(duì)BGA的烘烤不僅能有效的去除BGA的水分，還能提高BGA的耐熱性，減少BGA進(jìn)入回流焊時(shí)，受到的熱沖擊對(duì)BGA的影響；但烘烤溫度不宜超過125℃。在對(duì)BGA進(jìn)行烘烤時(shí)，BGA的尺寸、厚度都會(huì)影響B(tài)GA的烘烤溫度與時(shí)間；BGA尺寸在10×10～30×30 mm之間、厚度在1.4～2.0 mm之間；當(dāng)BGA為真空包裝時(shí)，烘烤溫度為110 ℃、時(shí)間12h；當(dāng)BGA為非真空包裝（未使用完的BGA）烘烤溫度為110 ℃、時(shí)間24 h。烘烤完成等待BGA自然冷卻后使用，為了防止BGA再度吸收空氣中的水分，要求BGA在冷卻后12小時(shí)內(nèi)使用完。未使用完的BGA應(yīng)該存放于防潮柜。

3.3 錫膏的正確使用，減少空洞的形成

（1）、錫膏回溫目的是恢復(fù)助焊劑的活性，當(dāng)FLUX的活性較強(qiáng)時(shí)，去除焊接表面的污物和氧化物就強(qiáng)，此時(shí)待焊表面露出干凈的金屬層，錫膏就會(huì)有很好的擴(kuò)散性和潤(rùn)濕性，焊接中的可焊性就會(huì)增強(qiáng)，那么助焊劑的殘留物被包圍的機(jī)率就不大了，空洞產(chǎn)生的機(jī)率就會(huì)減少。當(dāng)錫膏從冰箱中取出時(shí)至少要放在室溫（25 ℃±3 ℃）中回溫4h，在錫膏回溫中切記不能提前打開錫膏的封蓋，也不能以加溫的方式進(jìn)行錫膏回溫。

（2）、錫膏在上線使用之前一定要進(jìn)行攪拌，其目的使合金粉末和助焊劑均勻的攪拌，在攪拌的過程中時(shí)間不能太長(zhǎng)（大約3 min）,攪拌的力不能太大，如果時(shí)間太長(zhǎng)力量太大合金粉末很可能被粉碎，造成錫膏中的金屬粉末被氧化，如果錫膏粉末氧化，回流焊之后產(chǎn)生空洞的機(jī)率將大大的增加。攪拌時(shí)使用膠刮刀，也可防止將錫膏中的合金粉末粉碎。

（3）、錫膏印刷后不能放在空氣中太久（通常在2小時(shí)之內(nèi)），應(yīng)該盡快進(jìn)行貼片、回流作業(yè)，否則錫膏吸入太多的水分會(huì)導(dǎo)致空洞產(chǎn)生的機(jī)率增加，由此可以看出錫膏的正確使用是非常重要的，一定要按照錫膏的正確使用方法去執(zhí)行，否則PCBA回流之后的焊接缺陷將大大的增加，所以正確的使用錫膏將是保證各種焊接質(zhì)量的前提條件，必須高度重視

3.4 與焊盤表面的氧化程度有關(guān)

當(dāng)焊盤表面的氧化程度和污物程度越高，焊接后生成的空洞也就越多，因?yàn)镻AD氧化程度越大，需要極強(qiáng)的活性劑才能趕走被焊物表面的氧化物，如果焊盤表面氧化物不能被及時(shí)驅(qū)趕走，氧化物就會(huì)停留在被焊接物的表面，此時(shí)氧化物就會(huì)阻止合金粉末與被焊接的金屬表面接觸，從而形成不良的IMC，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生縮錫（拒焊）現(xiàn)象，當(dāng)表面氧化比較嚴(yán)重時(shí)，有機(jī)物經(jīng)高溫分解的氣體就會(huì)藏在合金粉末中，空洞就會(huì)自然形成了，如果要避免此類現(xiàn)象的產(chǎn)生，就必須避免錫膏和焊盤表面被氧化。

3.5 焊盤中盲孔的設(shè)計(jì)造成焊點(diǎn)中的空洞

隨著回流溫度的的爬升，助焊劑得到慢慢揮發(fā)，而殘留于盲孔中的助焊劑因?yàn)槁裨阱a膏底部，揮發(fā)速度相對(duì)比較慢，在液相線溫度到來之前讓助焊劑充分揮發(fā)；當(dāng)沒有充分揮發(fā)時(shí)來自堵塞通孔化合物的膨脹，不能沖破錫膏熔融狀態(tài)下的張力，如果回流時(shí)間不足很容易會(huì)被熔化的焊錫固化期間被夾住，因?yàn)閵A陷的空氣泡和蒸發(fā)的助焊劑在回流期間是往上跑的。如果回流曲線周期不允許足夠的時(shí)間讓受夾陷的空氣或蒸發(fā)的助焊劑跑出來，空洞就會(huì)在回流曲線的冷卻區(qū)焊錫固化的時(shí)候形成。

3.6 與回流曲線的關(guān)系

回流曲線是實(shí)現(xiàn)BGA良好焊接的關(guān)鍵所在，也能防止空洞的形成；其中恒溫區(qū)是助焊劑揮發(fā)與去除氧化物的階段，此時(shí)氣體的逃逸會(huì)有效的減少空洞的形成；通常恒溫區(qū)的時(shí)間（150 ℃～180 ℃）控制在60 s～120 s，峰值溫度控制在235 ℃～240 ℃之間，特別是控制在240 ℃是相當(dāng)好的。當(dāng)然進(jìn)行溫度控制的同時(shí)，要注意不同BGA的溫度控制是不一樣的；應(yīng)根據(jù)BGA封裝的方式，大小尺寸，BGA錫球的工藝而定，這樣設(shè)置溫度才算是正確合理的。在設(shè)置曲線時(shí)還應(yīng)特別應(yīng)注意，大尺寸的BGA四周溫度與中心溫度有一定的差異，一般而論四周溫度會(huì)高于中心溫度5 ℃左右。

BGA回流曲線圖

通過以上工藝能有效的減少空洞的形成。我們使用同一種型號(hào)的BGA做實(shí)驗(yàn)；未做工藝改進(jìn)焊接的BGA空洞數(shù)量較多、空洞面積較大（見圖3）；而做了工藝改進(jìn)焊接的BGA空洞數(shù)量較少、空洞面積較小（見圖4）。

圖3：X-RAY檢測(cè)未做工藝改進(jìn)焊接的BGA空洞

過多過大的空洞存在對(duì)焊點(diǎn)可靠性必然有影響，影響到底有多大目前業(yè)內(nèi)還沒有一個(gè)完全的定論，個(gè)人認(rèn)為空洞的存在至少對(duì)于BGA抗機(jī)械應(yīng)力沖擊有比較大的影響，我們不能完全消除空洞但將它減到最小是可能的，所以在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)上設(shè)定一個(gè)合理的界限，通過分析我們看到空洞可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)和材料的調(diào)整來減少空洞的發(fā)生，使用合理的工藝參數(shù)可以滿足空洞面積比＜15%的要求。當(dāng)然，空洞面積越小越好，更小的空洞面積需要更強(qiáng)的工藝去支持。