BGA焊点缺陷分析及工艺改进

由于焊球位于芯片下方，因此检查 BGA 焊接质量具有挑战性。 在没有检测设备的情况下，目视检查最外层焊环是否一致并对芯片进行对光检查。 如果每一行、每一列都能透光，那么就可以断定没有连续焊接。 有时也能看到尺寸较大的焊锡。 为了更清楚地判断焊点的质量，还必须使用X-RAY检测仪器。

传统的二维X射线直接射线照相设备相对便宜。 然而，它有一个缺点。 PCB 两侧的焊点在一张照片中同时显影。 当元件两侧出现相同位置时，它们的焊接阴影会重叠。 这使得很难区分组件的侧面。 如果有缺陷，也不清楚是哪一层有问题。 从而无法满足准确判断焊接缺陷的要求。

我们的X射线电路板检查机是专门用于检查焊点的X射线断层检查设备。 当然，它不仅可以检查BGA，还可以检查电路板上所有封装的焊点。 尽管之前人们认为这种设备太贵，但检查焊点的成本太高。 但随着BGA器件的应用越来越广泛，人们已经能够接受这种昂贵的设备。

X 射线使用 X 射线断层扫描。 通过它，焊球可以分层，产生断层扫描效果。 X射线断层扫描图像可用于根据CDA原始设计数据和用户设置的参数自动分析焊点。 它实时进行断层扫描，可以在几十秒或2分钟内（取决于电路板上焊点的数量和复杂程度）准确地比较和分析PCB两面所有元件的所有焊点。 得出焊接是否合格的结论。 断层摄影的X射线摄影为何能获得非常高清的结果？ 这是由其工作原理决定的。

X射线系统的X射线由位于设备上端的X射线管产生。 工作时，电压必须从220V升到160KV，电流为100mA。 高压产生的电子束照射金属钨，产生 X 射线。 这束X射线倾斜射下，并以每秒760转的高速旋转。 与此同时，下方的一个闪烁体平台也以同样的速度与X射线同步旋转。

闪烁体平台实际上是一个X射线敏感接收器。 一般来说，锡、铅等金属、重金属不会透过X射线，会形成暗景。 普通物质被X射线穿透后，什么也看不见。 X射线聚集在光源与闪烁体平台之间的某一位置，出现聚集面。 聚焦平面上的物体或图像在闪烁体平台上形成清晰的图像。 但不在聚集平面上的物体或图像在闪烁体平台上变得模糊，只留下阴影。

 

X射线判断断层摄影原理如图所示。 因此，对PCB上不同高度的焊点进行断层扫描。 如果要检查某一层的焊接情况，只需将该层调整到采集平面的位置，扫描结果就会清晰显示。 这张清晰的照片将由设备下方的 X 射线相机拍摄。

无论采用哪种检验设备进行检验，都必须有判断焊点质量是否合格的依据。 IPC-A-610C专门定义了BGA焊点的验收标准。 首选BGA焊点的要求是焊点光滑、圆润、边界清晰、无空洞。 所有焊点的直径、体积、灰阶、对比度均相同，位置对齐，无偏移、扭曲，无焊球。

完成后，追求首选标准，但对合格焊点稍放宽。 对于对齐位置，BGA 焊点相对于焊盘的偏移量不能超过 25%。 焊球不应超过最近焊球之间距离的 25%。

BGA的典型缺陷包括：焊点、断路、缺焊球、大空洞、大焊球、焊点边缘模糊等。 以下是实际工作中遇到的X射线照片列表，包括上述大部分缺陷。

仍然存在争议的一个问题是 BGA 中空洞的接受标准。 空洞问题并非 BGA 所独有。 通孔、表面贴装和通孔元件的焊点通常可以通过目视检查是否有空隙，而不是通过 X 射线检查。 在 BGA 中，由于所有焊点都隐藏在封装下方，因此只能通过 X 射线进行检查。 当然，X射线不仅可以用于检查BGA焊点，还可以用于检查各种焊点。 使用 X 射线，可以轻松检测到空隙。

那么空洞一定会对BGA的可靠性产生负面影响吗？ 不确定。 有些人甚至说空洞有利于可靠性。 IPC-7095 标准名为“实现 BGA 的设计和组装流程”，为 BGA 设计和组装技术提供了详细的指南。 IPC-7095 委员会承认，不可避免的小空隙可能有利于可靠性。 然而，应该有一个明确的标准来确定可接受的空隙尺寸。

BGA焊点检查哪里可以发现空洞？ BGA焊球可分为三层，一层是元件层（靠近BGA元件的基板），一层是焊盘层（靠近PCB的基板），三层是焊球的中间层。 根据具体情况，这三层中的任何一层都可能发生空洞。

虚空是什么时候出现的？ 在焊接之前，BGA 焊球本身可能存在空隙，因此在回流焊接过程完成后会形成空隙。 这可能是由于焊球制造过程中引入了空洞，或者是PCB表面涂覆的焊膏材料的问题。 另外，电路板的设计也是形成空洞的主要原因。

例如，如果过孔设计在焊盘下方，则在焊接过程中，外界空气通过过孔进入熔化的焊球，焊接完成并冷却后，焊球内会留下空腔。

焊盘层的空洞可能是由于回流焊过程中印在焊盘上的焊膏中助焊剂挥发，气体在深部渗透时从焊料中逸出，冷却后形成空洞。 焊盘镀层不良或焊盘表面污染可能是导致焊盘层出现空洞的原因。

元件层通常是最有可能出现空洞的区域，位于焊球中心和 BGA 基板之间。 这可能是由于 PCB 回流焊接期间 BGA 焊盘上存在气泡和挥发的助焊剂气体造成的。 结合时形成空心。 如果回流区的回流温度曲线不够长，助焊剂中的气泡和挥发的气体来不及逸出，熔化的焊料已进入冷却区并变成固体，形成空腔。

因此，回流温度曲线是空洞形成的一个原因。 共晶焊料63n/37Pb的BGA最容易出现空洞，而10Sn/90Pb非法共晶高熔点焊球组成的BGA熔点为302℃，一般无空洞。 BGA 上的焊球在波峰焊接过程中不会熔化。

空腔中气体的存在可能会导致热循环过程中收缩和膨胀的应力。 空腔的位置将成为应力集中点，并可能成为应力裂纹的根本原因。
然而，空隙的存在通过减少焊球所施加的多余空间来减少焊球上的机械应力。 具体减少量取决于空腔的大小、位置、形状等因素。

IPC-7095中规定的空洞的接受/拒绝标准主要考虑两点：空洞的位置和大小。 无论空洞存在于何处，无论是在焊球中间还是在焊盘层或元件层，根据空洞的大小和数量，都会影响质量和可靠性。 焊球内部允许有小焊球。 空隙所占的空间与焊球的空间之比可以计算如下：例如，空隙的直径为焊球直径的50%，则空隙所占的面积为25焊球面积的%。

IPC标准规定焊盘层中的空隙不应超过焊球面积的10%。 超过 25% 的空隙被视为缺陷，对机械和电气可靠性构成风险。 对于 10% 至 25% 之间的空隙，建议改进工艺以消除或减少它们。

当共晶焊料的BGA在焊接过程中形成焊点时，涂覆在PCB上的焊膏和元件中包含的焊球必须熔合在一起。 这个过程分为两个崩溃阶段。 塌陷的第一阶段是PCB上的焊膏首先熔化，元件塌陷。 第二阶段，元件本身的焊球也熔化并与PCB上熔化的焊膏熔合，焊球再次塌陷，形成扁圆形焊点。

焊接过程中，要保证焊接曲线过渡自然，使器件受热均匀，特别是在焊接过程中。

焊接区域，必须保证所有焊点都充分熔化。 如果温度不足，可能会形成冷焊点，导致焊点表面粗糙或在第二塌落阶段期间熔化不完全。 这会导致PCB表面的焊膏和元件的焊料之间出现裂纹，从而导致虚焊或开焊。

焊膏的粘度有助于暂时固定器件并防止熔化过程中出现焊料桥接。 对于 BGA 模板，焊点开口通常为焊盘尺寸的 70-80%，模板厚度通常为 0.15mm (6mil)。

如果某些工艺必须在焊盘下进行设计，还应该寻找合适的PCB制造商。 焊盘位置应钻孔，避免擅自扩大焊盘。 这是因为过孔不能钻得太小。 导致大、小焊盘焊接后锡量和高度都会不同。 虚焊或开路。

在焊接 BGA 之前，请确保焊盘周围的阻焊层合格，并且过孔上涂有阻挡膜。 生产时在PCB的另一面添加阻焊膜是无效的。 阻焊膜的目的是防止焊接过程中形成空气和空隙，以及防止焊料流过通孔。

无需返工即可印刷焊膏，避免了多余的焊料并提高了焊接质量。 通孔经过电镀，因此多余的焊料或焊接问题可能会导致虚拟短路缺陷和短路。 BGA返工是最后的手段，因为它需要很长时间。

为了成功焊接 BGA，我们需要合适的焊球和返修工具。 植球成功率低，而且浪费资源。 修复后的芯片至少要承受 4 次回流焊循环，影响可靠性。 焊接BGA前做好准备，以最大限度地减少缺陷并获得高合格率。 我们的目标是消除缺陷而不进行修复。