電子產品設計中的bga焊點空洞問題詳解

隨著電子技術的發展，用戶對電子產品要求的進一步提高，電子產品朝小型化、多功能化方向發展；這就要求電子元件朝著小型化、密集與高集成化發展。BGA具備上述條件，所以被廣泛地應用，特別是高端電子產品。BGA元件進行焊接時，會不可避免的產生空洞；空洞對BGA焊點造成的影響會降低焊點的機械強度，影響焊點的可靠性與壽命；所以必須控制空洞現象的產生。

通過X-Ray檢查出的空洞現象，如圖1、2。

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

1 空洞產生機理:

1.1 空洞形成的機理：

材料中的濕氣（水分）和錫膏中的有機物（助焊劑等）經過高溫產生氣體，BGA焊點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焊球層的組成：

BGA焊球層可分為三層，一層是組件層（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。根據不同的情況，空洞可以發生在這三層中的任何一層?？斩磳盖蛭：ψ畲蟮氖墙M件層與焊盤層，因為它們直接影響焊球與PCB和BGA本體的連接；見下圖。

BGA焊球結構圖

2 空洞的驗收標準

空洞中的氣體存在可能會在熱循環過程中產生收縮和膨脹的應力，作用在空洞存在的地方便會形成應力集中點，并有可能成為產生應力裂紋的根本原因。

空洞的接收/拒收標準主要考慮兩點：就是空洞的位置及尺寸?？斩床徽撌谴嬖谑裁次恢?，視空洞尺寸及數量不同都會造成質量和可靠性的影響。焊球內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標準規定的接收標準為：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。當焊盤層空洞的面積超過焊球面積的25%時，就視為一種缺陷，這時空洞的存在會對焊點的機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，當使用有鉛錫膏進行焊接時；二者間熔點不同，所以它們之間的水分、氣體（有機物經高溫產生的氣體）等物質揮發時間也不同，BGA焊點形成前不能在相同的時間段內揮發完；造成較多空洞的形成。使用無鉛錫膏則會避免該情況的發生，并能有效的減少空洞的形成。無鉛錫膏焊接BGA時，工藝窗口調整的范圍會更寬，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：

對PCB烘烤能有效的去除PCB水分，但烘烤溫度過高、時間過長易破壞焊盤表層的抗氧化膜，當抗氧化膜破壞后焊點暴露在空氣中易造成焊點氧化，其次會造成PCB的形變。PCB的烤溫度為100 ℃、時間2 h較合適。烘烤前對PCB進行風槍除塵作業，防止雜質殘留在焊盤上（見下圖）；接觸PCB時必須戴手套，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小時內使用完。

雜質殘留在PCB，已烤焦

3.2.2 BGA的管控與烘烤注意事項：

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進入回流焊時，受到的熱沖擊對BGA的影響；但烘烤溫度不宜超過125℃。在對BGA進行烘烤時，BGA的尺寸、厚度都會影響BGA的烘烤溫度與時間；BGA尺寸在10×10～30×30 mm之間、厚度在1.4～2.0 mm之間；當BGA為真空包裝時，烘烤溫度為110 ℃、時間12h；當BGA為非真空包裝（未使用完的BGA）烘烤溫度為110 ℃、時間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小時內使用完。未使用完的BGA應該存放于防潮柜。

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助焊劑的活性，當FLUX的活性較強時，去除焊接表面的污物和氧化物就強，此時待焊表面露出干凈的金屬層，錫膏就會有很好的擴散性和潤濕性，焊接中的可焊性就會增強，那么助焊劑的殘留物被包圍的機率就不大了，空洞產生的機率就會減少。當錫膏從冰箱中取出時至少要放在室溫（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行錫膏回溫。

（2）、錫膏在上線使用之前一定要進行攪拌，其目的使合金粉末和助焊劑均勻的攪拌，在攪拌的過程中時間不能太長（大約3 min）,攪拌的力不能太大，如果時間太長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，回流焊之后產生空洞的機率將大大的增加。攪拌時使用膠刮刀，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小時之內），應該盡快進行貼片、回流作業，否則錫膏吸入太多的水分會導致空洞產生的機率增加，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

當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，因為PAD氧化程度越大，需要極強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驅趕走，氧化物就會停留在被焊接物的表面，此時氧化物就會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，此時就會產生縮錫（拒焊）現象，當表面氧化比較嚴重時，有機物經高溫分解的氣體就會藏在合金粉末中，空洞就會自然形成了，如果要避免此類現象的產生，就必須避免錫膏和焊盤表面被氧化。

3.5 焊盤中盲孔的設計造成焊點中的空洞

隨著回流溫度的的爬升，助焊劑得到慢慢揮發，而殘留于盲孔中的助焊劑因為埋在錫膏底部，揮發速度相對比較慢，在液相線溫度到來之前讓助焊劑充分揮發；當沒有充分揮發時來自堵塞通孔化合物的膨脹，不能沖破錫膏熔融狀態下的張力，如果回流時間不足很容易會被熔化的焊錫固化期間被夾住，因為夾陷的空氣泡和蒸發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間讓受夾陷的空氣或蒸發的助焊劑跑出來，空洞就會在回流曲線的冷卻區焊錫固化的時候形成。

3.6 與回流曲線的關系

回流曲線是實現BGA良好焊接的關鍵所在，也能防止空洞的形成；其中恒溫區是助焊劑揮發與去除氧化物的階段，此時氣體的逃逸會有效的減少空洞的形成；通常恒溫區的時間（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 ℃是相當好的。當然進行溫度控制的同時，要注意不同BGA的溫度控制是不一樣的；應根據BGA封裝的方式，大小尺寸，BGA錫球的工藝而定，這樣設置溫度才算是正確合理的。在設置曲線時還應特別應注意，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的BGA做實驗；未做工藝改進焊接的BGA空洞數量較多、空洞面積較大（見圖3）；而做了工藝改進焊接的BGA空洞數量較少、空洞面積較?。ㄒ妶D4）。

圖3：X-RAY檢測未做工藝改進焊接的BGA空洞

過多過大的空洞存在對焊點可靠性必然有影響，影響到底有多大目前業內還沒有一個完全的定論，個人認為空洞的存在至少對于BGA抗機械應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，所以在檢驗標準上設定一個合理的界限，通過分析我們看到空洞可以通過優化工藝參數和材料的調整來減少空洞的發生，使用合理的工藝參數可以滿足空洞面積比＜15%的要求。當然，空洞面積越小越好，更小的空洞面積需要更強的工藝去支持。