前言

随着電(diàn)子産(chǎn)品向小(xiǎo)型化、便攜化、網絡化和高性能(néng)方向的發展，對電(diàn)路組裝(zhuāng)技(jì )術和I／O 引線(xiàn)數提出了更高的要求，芯片的體(tǐ)積越來越小(xiǎo)，芯片的管腳越來越多(duō)，給生産(chǎn)和返修帶來了困難。

原來在SMT中(zhōng)廣泛使用(yòng)四邊扁平封裝(zhuāng)QFP，封裝(zhuāng)間距的極限尺寸停留在0．3 mm，這種間距的引線(xiàn)容易彎曲、變形或折斷，對SMT組裝(zhuāng)工(gōng)藝、設備精(jīng)度、焊接材料的要求較高，且組裝(zhuāng)窄、間距細的引線(xiàn)QFP缺陷率最高可(kě)達6000 ppm，使大範圍應用(yòng)受到制約。而球栅陣列封裝(zhuāng)BGA器件，由于芯片的管腳分(fēn)布在封裝(zhuāng)底面，将封裝(zhuāng)外殼基闆原四面引出的引腳變成以面陣布局的鉛／錫凸點引腳，就可(kě)容納更多(duō)的I／O數，且用(yòng)較大的引腳間距（如1．5、1．27 mm）代替QFP的0．4、0．3 mm間距，很(hěn)容易使用(yòng)SMT與PCB上的布線(xiàn)引腳焊接互連，不僅可(kě)以使芯片在與QFP相同的封裝(zhuāng)尺寸下保持更多(duō)的封裝(zhuāng)容量，又(yòu)使I／O引腳間距較大，從而大大提高了SMT組裝(zhuāng)的成品率，缺陷率僅為(wèi)0．35 ppm，方便了生産(chǎn)和返修，因而BGA在電(diàn)子産(chǎn)品生産(chǎn)領域獲得了廣泛使用(yòng)。

為(wèi)提高BGA焊接後焊點的質(zhì)量和可(kě)靠性，就BGA焊點的缺陷表現及可(kě)靠性等問題進行研究。

2

BGA焊接質(zhì)量及檢驗BGA的焊點在晶片的下面，焊接完成後，用(yòng)肉眼難判斷焊接質(zhì)量。在沒有(yǒu)檢測設備下，可(kě)先目視芯片外圈的塌陷是否一緻，再将晶片對準光線(xiàn)看，如果每排每列都能(néng)透光，則以初步判斷沒有(yǒu)連焊。但用(yòng)這種方法無法判斷裏面焊點是否存在其他(tā)缺陷或焊點表面是否有(yǒu)空洞。要想更清楚地判斷焊點的質(zhì)量，必須運用(yòng)X光檢測儀器。

常用(yòng)的X光檢測儀器有(yǒu)二維X射線(xiàn)直射式照像儀和X電(diàn)路闆檢測儀。傳統的二維X射線(xiàn)直射式照像設備比較便宜，缺點是在PCB闆兩面的所有(yǒu)焊點都同時在一張照片上投影，對于在同一位置兩面都有(yǒu)元件的情況下，這些焊錫形成的陰影會重疊起來，分(fēn)不清是哪個面的元件，如果有(yǒu)缺陷的話，也分(fēn)不清是哪層的問題，無法滿足精(jīng)确地确定焊接缺陷的要求。

X電(diàn)路闆檢測儀是專門用(yòng)來檢查焊點的X射線(xiàn)斷層掃描設備，不僅能(néng)檢查BGA，而且可(kě)以檢查PCB闆上所有(yǒu)封裝的焊點。該設備采用(yòng)的是X射線(xiàn)斷層照相，通過它可(kě)以把錫球分(fēn)層，産(chǎn)生斷層照相效果。X斷層照片能(néng)根據CAD原始設計資料和用(yòng)戶設置參數進行比對，從而能(néng)适時得出焊接合格與否的結論。其缺點是價格太昂貴。

2．1

BGA焊點的接收标準 不管用(yòng)何設備檢查，判斷BGA焊點的質(zhì)量是否合格都必須有(yǒu)标準。IPC－A－610C中(zhōng)12．2．12對合格的BGA焊點的接收标準定義：焊點光滑、圓潤、邊界清晰、無空洞，所有(yǒu)焊點的直徑、體(tǐ)積、灰度和對比度一樣，位置對準，無偏移或扭轉，無焊錫球。焊接完成後，判斷焊點合格與否優選的方案是滿足上面的要求，但實際檢驗時可(kě)稍微放寬标準。如位置對準，允許BGA焊點相對于焊盤有(yǒu)不超過25％  的偏移量，對于焊錫球也不是不允許存在，但焊錫球不能(néng)大于相鄰最近的2個焊球間距的25％。

2．2

BGA焊接常見缺陷BGA焊接常見缺陷：連錫、開路、焊球缺失、空洞、大焊錫球和焊點邊緣模糊。空洞并不是BGA獨有(yǒu)的，在表面貼裝(zhuāng)及通孔插裝(zhuāng)元件的焊點通常都可(kě)通過目視看到空洞，而不用(yòng)X射線(xiàn)檢查。但在BGA焊接中(zhōng)，由于焊點隐藏在封裝(zhuāng)的下面，隻有(yǒu)使用(yòng)Ｘ射線(xiàn)才能(néng)檢查到這些焊點是否有(yǒu)空洞。甚至認為(wèi)空洞對可(kě)靠性有(yǒu)利。IPC－7095委員會認為(wèi)有(yǒu)些尺寸非常小(xiǎo)、不能(néng)完全消除的空洞可(kě)能(néng)對于可(kě)靠性有(yǒu)好處，但是多(duō)大的尺寸應該有(yǒu)一個界定的标準。

3

空洞形成機理(lǐ)BGA的焊球包括元件層（靠近BGA元件的基闆）、焊盤層（靠近PCB的基闆）和中(zhōng)間層。根據不同的情況，空洞可(kě)發生在這3個層中(zhōng)的任何層。BGA焊球中(zhōng)可(kě)能(néng)在焊接前就帶有(yǒu)空洞，這樣在回流焊過程完成後就形成了空洞，這可(kě)能(néng)是由于焊球制作(zuò)中(zhōng)引入了空洞，或是PCB表面塗敷的焊膏材料問題導緻的。

另外，PCB的設計也是形成空洞的主要原因。例如，把過孔設計在焊盤的下面，在焊接的過程中(zhōng)，外界的空氣通過過孔進入熔融狀态的焊球，焊接完成冷卻後焊球中(zhōng)就會留下空洞。焊盤層中(zhōng)出現的空洞可(kě)能(néng)是由于焊盤上面印刷的焊膏中(zhōng)的助焊劑在回流焊接過程中(zhōng)揮發，氣體(tǐ)從熔化的焊料中(zhōng)逸出，冷卻後就形成了空洞。

焊盤的鍍金層不好或焊盤表面有(yǒu)污染物(wù)都會引起空洞的産(chǎn)生。通常發現空洞機率最多(duō)的位置是在元件層，即焊球的中(zhōng)央到BGA基闆之間的部分(fēn)。這可(kě)能(néng)是因為(wèi)PCB 上面BGA的焊盤在回流焊接的過程中(zhōng)，存在空氣氣泡和揮發的助焊劑氣體(tǐ)，當BGA的共晶焊球與所施加的焊膏在回流焊過程中(zhōng)融為(wèi)一體(tǐ)時形成空洞。如果再回流焊溫度曲線(xiàn)在回流區(qū)時間不夠長(cháng)，空氣氣泡和揮發的助焊劑氣體(tǐ)來不及逸出，熔融的焊料已經進入冷卻區(qū)變為(wèi)固态，便形成了空洞。所以，回流焊溫度曲線(xiàn)設定是空洞形成的重要原因。

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提高BGA焊接可(kě)靠性的工(gōng)藝改進建議

1） 電(diàn)路闆、芯片預熱，去除潮氣，對托盤封裝(zhuāng)的BGA要在焊接前以120℃烘烤4～6 h。

2） 清潔焊盤，将留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理(lǐ)掉。

3） 塗焊錫膏、助焊劑必須使用(yòng)新(xīn)鮮的輔料，塗抹均勻，焊膏必須攪拌均勻，焊膏黏度和塗抹的焊膏量必須适當，才能(néng)保證焊料熔化過程中(zhōng)不連焊。

4） 貼片時必須使BGA芯片上的每一個焊錫球與PCB上每一個對應的焊點對正。

5） 在回流焊過程中(zhōng)，要正确選擇各區(qū)的加熱溫度和時間，同時應注意升溫的速度。一般，在100℃前，最大的升溫速度不超過6℃／s，100℃以後最大的升溫速度不超過3℃／s，在冷卻區(qū)，最大的冷卻速度不超過6℃／s。因為(wèi)過高的升溫和降溫速度都可(kě)能(néng)損壞PCB和芯片，這種損壞有(yǒu)時是肉眼不能(néng)觀察到的。同時，對不同的芯片、不同的焊錫膏，應選擇不同的加熱溫度和時間；對免洗焊膏，其活性低于非免洗焊膏，因此，焊接溫度不宜過高，焊接時間不宜過長(cháng)，以防止焊錫顆粒的氧化。

6） 在進行PCB設計時，PCB上BGA的所有(yǒu)焊點的焊盤應設計成一樣大，如果某些過孔必須設計到焊盤下面，也應當找合适的PCB廠家，确保所有(yǒu)焊盤大小(xiǎo)一緻，焊盤上焊錫一樣多(duō)且高度一緻。5結束語随着電(diàn)子産(chǎn)品體(tǐ)積小(xiǎo)型化的主流發展趨勢，BGA封裝(zhuāng)的物(wù)料引腳設計會越來越密，焊接難度會越來越大，針對BGA的焊接可(kě)靠性則是永遠(yuǎn)探讨的課題。

參考文(wén)獻

［1］  BGA 空洞形成的機理(lǐ)及對焊點可(kě)靠性的影響

［2］ IPC－國(guó)際電(diàn)子工(gōng)業聯接協會． IPC－A－610D 印制闆組裝(zhuāng)件驗收條件