BGA和CSP枕頭效應的形成機理和改善方向

深圳華秋電子（東莞工廠工程部） 李志求

摘要：近年來，隨著輕便便攜、多功能化、智能穿戴移動電子產品的發展趨勢，驅動電子元器件特別是集成電路（IC）輕薄化、多功能化發展，PCB的厚度也越來越薄。而且，消費電子產品組裝工藝已完全無鉛化。隨著無鉛焊料在消費電子產品中的推廣應用，給電子產品焊接組裝帶來巨大挑戰，特別是WLCSP/BGA/SIP封裝、POP封裝器件的批量導入SMT貼片加工生產。由于無鉛焊料液化溫度（217°C）遠高于錫鉛焊料（183°C），PCB和元器件在回流焊接過程中產生變形在所難免，BGA焊點錫球虛焊，又名“枕頭效應”（Head-in-Pillow）伴隨而來。

本文將系統、全面地介紹 BGA 和 CSP 封裝器件“枕頭效應”產生機理、原因分析、以及結合作者10多年來的現場實際改善案例經驗匯總，詳細講解“枕頭效應”的如何改善和預防的措施，希望此文能為電子裝聯的業界的朋友提供一些借鑒和參考作用，提升各自公司/工廠的SMT產線的CSP/BGA類器件的焊接工藝水平。

關鍵詞 枕頭效應 切片SEM分析 X-Ray檢測 爐溫曲線 錫球氧化 枕頭效應(Head-in-Pillow,HIP)

是指BGA類焊點的不良結構、現象從切片的剖面圖片來看，類似一個人的頭靠在枕頭上的形狀而得名。枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)最主要是用來描述電路板的BGA零件在回焊(Reflow)的高溫過程中，BGA載板或是電路板因為受不了高溫而發生板彎、板翹(War page)或是其他原因變形，使得BGA的錫球(Ball)與印刷在電路板上的錫膏分離，當電路板經過高溫回焊區后溫度漸漸下降冷卻，這時IC載板/本體與電路板的變形量也慢慢回復到變形前的狀況（有時候會回不去），但這時的溫度早已低于錫球與錫膏的熔錫溫度了，也就是說錫球與錫膏早就已經從熔融狀態再度冷卻回固態。當BGA的本體與電路板的翹曲慢慢恢復回到變形前的形狀時，已經變回固態的錫球與錫膏才又再次互相接觸，于是便形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊或假焊的焊接形狀。

枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)主要發生在BGA/CSP、POP封裝的器件上，從切片和染色實驗結果中可以看出，BGA錫球與PCB焊盤上的焊料雖然接觸，但存在明顯的界線，不能形成有效的電氣和機械連接。這種問題可能在線通過功能測試檢測出來（開路），但也可能檢測不出（微弱連接）而導致可靠性問題，影響產品的使用，對產品的使用壽命和可靠性上影響很大。

枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)集中在SMT工序的回流焊接工序發生，在IPC-7095《Design and Assembly Process Implementation for BGAs》的文件也有詳細介紹和定義。

枕頭效應的檢測和鑒定

按照上面的理論，枕頭效應(HIP)大部分一般發生在BGA & CSP 零件的邊緣和四角，尤其是角落的位置，因為那里的翹曲最嚴重，如果是這樣，就可以試著使用顯微鏡或是光纖內視鏡來觀察，但通常這樣只能看到最外面的兩排錫球，再往內就很難辨認了，而且這樣觀察BGA的錫球還得確保其旁邊沒有高零件擋住視線，以現在電路板的高密度設計，有一定的局限性。

另外，枕頭效應(HIP)一般也很難從現在的2D X-Ray檢查機發現得到，因為X-Ray大多只能由上往下檢查，看不出來斷頭的位置，如果有可以上下旋轉角度的X-Ray機臺設備，在枕頭效應明顯的情況下，BGA/CSP錫球焊點數量較少情況，或者已經明確知道焊點的缺陷位置，仔細采用2.5 D X-Ray去進一步分析才能發現重影有細微的差別，筆者近期內就遇到一起: 0.4 mm pitch CPU的600PCS+錫球的BGA器件，采用YXLON 的2D X-Ray反復去檢驗未有任何發現。

目前比較可靠可以分析HIP不良現象的方法是使用紅墨水染色試驗(Red Dye Penetration)，以及微切片分析(Cross Section)以及SEM分析，但這兩種方法都屬于破壞性檢測，所以非到必要不建議使用；一般此項方法用于枕頭效用的進一步分析來運用。

近年來【3D/5D X-Ray CT】的技術有了突破和發展，對BGA類的虛焊和焊點應力引起的系列問題，可以有效的檢查到這類缺陷，進行無損檢測，并能夠圖文并茂展示焊點缺陷。業界一般常見的3D/5D AOI有：偉特科技（Vitrox：原安捷倫技術）、YXLON（德國依科視朗）、鳳凰（PHOENIX）、達格（DAGE）、歐姆龍（Omron）、VISCOM、島津（SHIMADZU）等等

3D/5D X-RAY檢測圖

枕頭效應的形成機理

SMT業界認為，枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)的形成是因為無鉛焊料液化的過程中，無鉛制程工藝抬高了回流焊接溫度，相對于錫鉛焊料高20-30°C（錫鉛回流溫度210--230°C，無鉛回流溫度230—250°C）。在回流階段，BGA/CSP、POP封裝元件產生翹曲變形導致錫球與錫膏分離，高溫也導致錫膏中的助焊劑成分過度消耗，在冷卻恢復過程中，熔融焊料球表面覆蓋一層氧化膜導致其不能與PCB上錫膏完全熔融、焊接在一起而形成枕頭形狀?？梢悦黠@看出錫球與焊盤錫膏的分離狀態。

枕頭效應的產生原因

枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)雖然是在回流焊接期間產生的，但是其真正形成枕頭效應的原因則可以追溯到PCB、BGA/CSP材料不良、錫膏印刷的不良、貼片精度和穩定性問題、以及回流爐爐溫曲線和加熱穩定性、MSD器件防潮管控、PCB DFM設計和選材等方面的問題，從人、機、料、法、環等幾個方面分析，導致枕頭效應發生的潛在因素有很多：

1.鋼網開孔設計，開孔面積比小，導致錫膏印刷不良，錫膏在焊盤上分布不均；
2.錫膏印刷，印刷參數設置不當，錫膏在焊盤上分布不均；
3.貼裝精度，元件貼裝偏位，導致元件錫球不能與錫膏充分接觸進行焊接；
4.PCB變形，高溫階段發生變形，導致錫球與錫膏分離而接觸不充分；
5.BGA和CSP元件變形，高溫階段發生變形，導致錫球與錫膏分離而接觸不充分；
6.錫膏化學成分，助焊劑活性成分沸點低，回流時很容易消耗怠盡，失去活性；
7.回流曲線，回流時間過長，溫度過高，導致元件或PCB變形加劇及助焊劑成分過度消耗。

下文將結合筆者在實際工作過程遇到的案例進行逐一講解和介紹，形成枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)原因。

BGA/CSP/POP器件封裝(Package)和材料

如果同一個BGA/CSP/POP的封裝有直徑、高低大小不一的焊球(Solder Ball)存在，較小的錫球就容易出現枕頭效應的缺點。另外BGA封裝的本體載板耐溫不足時也容易在回流焊的時候發生本體載板翹曲變形的問題，進而形成枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)。

IPC相關標準規定，對于BGA/CSP/POP等底部焊球的器件的共面性有明確的定義，0.5mm pitch以下尺寸封裝的器件共面度一般要求控制在0.08mm以內，詳細內容可以查詢對應器件的技術規格書（Data sheet）,貼片機可以通過編程軟件的Vision Data數據庫來進行有效控制此類異常。

錫膏印刷(Solder paste printing)

錫膏印刷于焊盤上的錫膏量高度、體積差異太大，或是電路板上有所謂的導通孔在墊(Vias-in-Pad)，就會造成錫膏無法接觸到焊球的可能性，并形成枕頭效應。

如果錫膏印刷出現偏位現象，這通常發生在多拼板的PCBA時候，當錫膏熔融時將無法提供足夠的焊錫形成橋接，同樣會有機會造成枕頭效應。

目前業界印刷工藝之后一般都會配置SPI檢測設備，一般對于BGA/CSP/POP類的器件，都會重點檢驗其印刷品質，一般的錫膏厚度控制范圍：鋼網厚度-0.03mm---鋼網厚度+0.05mm；錫膏的體積和面積控制范圍：40%~180%，錫膏印刷的偏位Offset值一般控制在35%以內，如果是0.4mm pitch封裝尺寸以下CSP器件，則管控范圍應該縮小。

貼片機的精度不足(Pick & Placement)

貼片機如果精度不足、穩定性差或是貼裝時XY坐標位置及角度沒有調整好，也會發生BGA的焊球與焊盤錯位的問題；另外，貼片機放置IC零件于電路板上時都會稍微下壓一定的Z軸高度，以確保BGA的焊球與電路板焊墊上的錫膏有效接觸，這樣在經過回流焊時才能確保BGA焊球完美的焊接在電路板的焊墊。如果這個Z軸下壓的力量或行程不足，也有機會讓部份焊球無法接觸到錫膏，也有形成枕頭效應HIP的可能。

目前業界BGA/CSP、POP封裝類器件貼裝一般采用高精度的多功能貼片機，并且在爐前配有AOI，可以有效控制上述器件的貼裝精度，選擇的貼片機的精度和重復精度為：30μm@3σ，CPK/CMK為1.67以上，可以有效規避上述問題。

貼片偏位的BGA器件的焊接過程

回流焊溫度(Reflow Profile)和形變因素

當回流焊(Reflow)的溫度或升溫速度沒有設好時，就容易發生沒有融錫或是發生電路板及BGA載板板彎或板翹…等問題，這些都會形成枕頭效應。了解BGA本體載板與電路板因為CTE系數、或者PCB板材采用TG值偏低，回流焊接時形變的差異過大，以及回流時間TAL(Time Above Liquids)過長，而造成的PCB板彎板翹所形成的BGA空/虛焊及短路的分析。

筆者近期改善解決一個因WLCSP玻璃芯片在回流焊接時變形量偏大的HIP & NOW 焊接不良，不良狀況和圖片如下：

• 改善前后數據對比：
  1. 改善MOS空焊不良：1.2%（從去11月至今年4月份一直未得到有效改善，具體原因一直未調查清楚）；
  2. 改善后投入124000，不良數3PCS，不良率：0.0024%。

• 主要原因：
  1) 是該WLCSP 芯片在回流焊接時產生一定量形變，導致焊接時形成了空焊HIP & NOW現象；
  2) 送第三方實驗室分析，熱仿真陰影魚紋圖像數據，也初步證實MOS物料在回流焊接產生一定的形變；

3) 元件的厚度只有0.15~0.20mm,變形量0.03mm,已經達到16.7~20%,超過元件本體厚度的15%以上（業界一般要求控制在10%以內在回流焊接是變形量,研發物料選型的評估的時候應該關注此問題）。

• 爐溫參數：該物料的爐溫推薦曲線與我們實際生產爐溫曲線有一定區域；(WLCSP MOS芯片需要參考該物料推薦爐溫曲線進行爐溫參數設置)
  1． 該物料的推薦爐溫曲線如下：回流時間（即220℃以上時間只能小于60S）
  2． 實際爐溫參數設置，測出Profile曲線，回流時間220℃以上時間已經達到75S（參考客戶推薦SPEC和錫膏的推薦爐溫曲線）。

另外，要注意預熱區的溫度升溫如果太快的話容易驅使助焊劑過早揮發，這樣就容易形成焊錫氧化，造成潤濕不良。其次最高溫度(Peak Temperature)也最好不要調得過高及過久，建議最好參考一下BGA/CSP、POP封裝器件的溫度及時間的建議，并進一步結合錫膏廠家推薦爐溫曲線，二者有效結合，才能有效規避因爐溫設置不合理導致枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)

如下為：Indium8.9HF和Indium10.8HF錫膏推薦和建議的爐溫曲線，適當優化Soaking zone profile可以有效降低枕頭效應發生的幾率

BAG焊球氧化、臟污(Solder ball Oxidization and Dirty)

BGA/CSP、POP封裝器件在IC封裝廠完成后都會使用探針來接觸焊球作F/T功能測試，如果探針沒有及時清潔或者針頭有異物殘留，有機會將污染物粘污于BGA的焊球而形成虛焊、假焊、空洞等焊接不良。其次，如果BGA封裝未被妥善存放于溫濕度管控的環境內（MSD管理失控），也很有機會讓焊球氧化至影響焊錫的結合性。
筆者前文分享遇到的案例，根據對不良PCBA/PCM的SEM/EDS分析，焊接界面C、O元素有一定量偏高，詳細數據如下：

BGA/CSP、POP封裝器件都是MSD（Moisture Sensitive Devices）潮濕敏感器件，需要按照IPC/JEDEC J-STD-033A文件規定的內容進行管控，包括：使用壽命、車間壽命、包裝方式、烘烤方式等；因此SMT產線產生的此類散料、拋料等需要有效管控、確保其在有效的車間使用壽命內，如果超過車間使用壽命，則需要按文件規定烘烤處理后，重新真空包裝處理，并采用手工或者公司的系統記錄處理。如下表格為：各等級的MSD器件的開袋后的車間壽命

PCB材料選型和焊盤設計（PCB DFM）

目前，便攜式電子產品PCB的厚度越來越薄，如果PCB板材采用TG值偏低（中TG或者低TG值），PCB的熱膨脹系數CTE（Coefficient of thermal expansion）值偏大，即回流焊接時容易產生形變，增加了產生枕頭效用的風險，建議產品在立項評估階段時就需要謹慎評估PCB的板材，如果產品芯片BGA焊點錫球數量都是400PCS+以上，建議采用高TG值材質的PCB板材，減少PCB在無鉛回流焊接時候的熱形變因素。（Remarks: 一般TG的板材為130度以上，High-TG一般大于170度，中等TG約大于150度，基板的TG提高了，印制板的耐熱性，耐潮濕性，耐化學性，耐穩定性道等特征都會提高和改善。）

另外，PCB的阻焊開窗方式（Solder Mask）也會對枕頭效應和焊點的可靠性有一定的影響，一般BGA/CSP、POP封裝器件對應的PCB焊盤設計，強烈建議采用NSMD+Via，而且焊墊上的導通孔(via)必須鍍銅填孔塞平，最好還要盡量加大焊墊的尺寸，如果無法讓BGA所有焊墊都這樣執行，至少要讓BGA最外一排的焊墊這樣設計。下圖為SMD(Solder Mask Defined)與NSMD(Non-Solder Mask Defined)阻焊開窗方式的示意圖：

回流爐的熱穩定性和充氮、底部支撐( Reflow Stability and Fill N2 and Supporting Pin )

這是最容易忽視的一個因素，由于涉及到SMT工廠前期的投入和成本控制，從長遠角度和失效損失成本來看，采用熱穩定良好、熱均勻性良好、冷卻效果更佳的10溫區以上回流爐更能夠有效規避枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)等焊接異常的產生，如果對應BGA/CSP芯片的間距在0.5mm pitch以下、以及含有POP、Flip chip封裝器件，導入N2回流爐是一種優先考慮的選擇（條件允許的情況可以考慮真空回流焊）。如果前期投入回流爐設備的時候不考慮產品的升級換代、而一味考慮設備的成本問題的話，EMS工廠工藝、品質、設備人員會因為各種離奇的焊接缺陷問題，天天忙于救火的。整個SMT環節中，只有回流焊接過程是不可視的，涉及到復雜的物理和化學反應，以及微觀的變化；而SMT工藝人員只能通過爐溫曲線去監控回流爐運行狀況。

ERSA回流爐與一般回流爐內部加熱效果的對比

前面文章有描述的PCB材料變形因素、以及回流爐無鉛高溫熱沖擊引起的變形問題，這都是客觀存在問題，由于涉及的投入成本問題，不可能所有的產品SMT都采用使用過爐載具（Fixture）支撐輔助過爐焊接，因此回流爐軌道中央支撐技術應運而生，示意圖如下：

隨著焊接工藝技術的發展，回流設備的技術也越來越高，根據筆者10來年的從業經驗，目前業界焊接穩定性較好的回流焊國外品牌有：ERSA、Vitronic Soltec、REHM、BTU、Heller、ETA；國內的日東、勁拓的回流爐技術也在不斷發展。

目前，真空回流焊技術日趨成熟穩定，在國防軍工、醫療產品、汽車電子等高可靠性產品逐步推廣使用，使用真空回流焊接技術，在回流焊接時規避BGA焊盤和錫球的二次氧化，提高錫膏FLUX的活性確實也能有效規避枕頭效應HIP的產生。

總結與改善思路

1.電子產品中有BGA/CSP、POP封裝器件的元件確實容易產生枕頭效應也是常見現象，枕頭效應產生相關因素確實很多；
2.BGA/CSP的封裝和PCB基材的翹曲和以及錫膏中助焊劑的過快消耗容易導致枕頭效應的產生；
3.優化回流焊接曲線、采用高穩定性的回流爐、外加充N2輔助焊接，通過減低最高溫度和縮短190℃到220℃的升溫段的時間可以減少枕頭效應等焊接缺陷的產生；
4.使用具有抗高溫性和強防氧化保護能力助焊劑的錫膏能減少枕頭效應缺陷的發生，推薦使用業界具有消除枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)的錫膏品牌，例如：Indium10.8 HF Solder Paste；
5.SMT的印刷、貼裝、回流焊接的穩定性也會導致枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)的產生，需要提升工廠內部的SMT制程工藝水準；
6.BGA/CSP、POP封裝器件、錫膏等物料管控、先進先去（FIFO）、MSD器件的有效管理也是不可忽視的一個環節,PCB的選材和設計也是前期需要重點主管的問題；
7.工程人員的分析思維能力、嚴謹務實作風、以及輔助的分析工具和失效分析方法可以有效提升解決枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)的水平，并提供改善方向和思路。

簡而言之：工欲善其事，必先利其器，巧婦難為無米之炊等古語其實也在一定程度上描述解決和消除枕頭效應(Head-in-Pillow , HIP)的方法和思路，舉個不恰當例子：某個人由于起身體抵抗力、免疫力不強、體質差，容易感冒，冬天的時候冷空氣南下、晚上睡覺之前沒有開空調、又沒有蓋好被子，晚上睡一覺醒來之后，第二天出現感冒現象，很難說出來該人出現的感冒的根本原因和主要原因是什么，應該從：內部因素、外部因素、觸發因素、其他因素等多方面去分析和改善。

Some of IPC standards and References (IPC標準文件和參考資料)

IPC-7095B/C BGA的設計及組裝工藝的實施
IPC-2222 Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards
IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design
IPC JEDEC 9703 焊點.可靠性的機械沖擊測試指南
ANSI-J-STD-005 Requirements for soldering pastes
IPC JEDEC J-STD-033A 濕敏元件的控制文件
IPC-7527-2012 Requirements for Solder Paste Printing

IPC-9850 Surface Mount Equipment Characterization
IPC-A-610F/G 電子組件的可接受性 CN-2014
IPC-EIA-J-STD-002A 元件引線、端子、焊片、接線柱及導線可焊性試驗
銦泰科技（蘇州） 通過材料和工藝優化來消除枕頭缺陷 PPT/PDF
中國賽寶（廣州） 邱寶軍 BGA 焊點枕頭效應案例分析 PPT/PDF
鄒雅冰
善思科技（國際） 常 江 BGA枕頭效應2016 PPT/PDF

美信檢測（深圳） BGA枕頭效應的形成原因和觀察方法 HTML
銦泰科技（蘇州） Indium8.9HF、10.8HF Pb-Free Solder Paste
RODUCT DATA SHEET PDF/HTML
昇貿科技 Case Study BGA Head-in-Pillow defect issue PDF/HTML