BGA 焊点缺陷分析与工艺改进

由于焊球位于芯片下方，检查 BGA 焊接质量具有挑战性。在没有检测设备的情况下，可目测最外层的焊接环是否一致，并对芯片进行逆光检测。如果每一行和每一列都能透光，则可以断定没有连续焊接。有时还能看到尺寸较大的焊料。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 射线直接放射成像设备相对便宜。但它也有一个缺点。印刷电路板两侧的焊点会在一张照片中同时显影。当元件出现在两面的同一位置时，它们的焊点阴影会重叠。这样就很难区分元件的侧面。如果存在缺陷，也不清楚问题出在哪一层。因此，无法满足准确确定焊接缺陷的要求。

我们的 X 射线电路板检查仪是专门用于检查焊点的 X 射线断层扫描检查设备。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。虽然以前认为这种设备太贵，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了。

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参数自动分析焊点。它实时执行断层扫描，可在几十秒或 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。为什么断层扫描 X 射线摄影可以获得非常高清晰度的结果？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 提高到 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 射线斜射而下，并以每秒 760 转的高速旋转。与此同时，下方的闪烁平台也以同样的速度与 X 射线同步旋转。

闪烁平台实际上是一个对 X 射线敏感的接收器。一般来说，金属、重金属（如锡和铅）不会穿过 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 射线聚集在光源和闪烁平台之间的某个位置，出现一个聚集平面。聚光面上的物体或图像会在闪烁平台上形成清晰的图像。而不在聚光平面上的物体或图像在闪烁平台上会变得模糊，只留下阴影。

 

X 射线判断层析成像的原理如图所示。因此，断层扫描是在 PCB 上不同高度的焊点上进行的。如果要检查某一层的焊接情况，只需将这一层调整到聚集平面的位置，扫描结果就会清晰地显示出来。这张清晰的照片将由设备下方的 X 射线摄像头拍摄。

无论使用哪种检测设备进行检测，都必须有判断焊点质量是否合格的依据。IPC-A-610C 明确规定了 BGA 焊点的验收标准。首选 BGA 焊点的要求是焊点光滑、圆形、边界清晰、无空隙。所有焊点的直径、体积、灰度和对比度相同，位置对齐，没有偏移或扭曲，也没有焊球。

完成后，将采用首选标准，但对合格焊点略有放宽。对于对齐位置，BGA 焊点相对于焊盘的偏移不能超过 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、开路、焊球缺失、大空洞、大焊球和焊点边缘模糊。以下是实际工作中遇到的 X 射线照片清单，其中包括上述大多数缺陷。

一个仍有争议的问题是 BGA 中空洞的验收标准。空洞问题并非 BGA 独有。通孔、表面贴装和通孔元件的焊点通常可以通过目测而不是 X 射线来检查是否存在空洞。在 BGA 中，由于所有焊点都隐藏在封装下面，因此只能通过 X 射线检查。当然，X 射线不仅可用于检查 BGA 焊点，还可用于检查所有类型的焊点。使用 X 射线可以轻松检测出空洞。

那么空洞一定会对 BGA 的可靠性产生负面影响吗？有人甚至说，空洞化对可靠性有好处。名为 "实现 BGA 的设计和装配工艺 "的 IPC-7095 标准为 BGA 设计和装配技术提供了详细的指导。IPC-7095 委员会承认，不可避免的小空隙可能有利于提高可靠性。但是，应该有一个明确的标准来确定可接受的空隙大小。

在 BGA 焊点检测中，哪里会出现空洞？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），另一层是焊球的中间层。根据具体情况，这三层中的任何一层都可能出现空洞。

空洞是何时出现的？BGA 焊球本身可能在焊接前就存在空洞，因此在回流焊接过程完成后会形成空洞。这可能是由于焊球制造过程中引入了空洞，也可能是涂在 PCB 表面的焊膏材料问题。此外，电路板的设计也是形成空洞的主要原因。

例如，如果在焊盘下方设计通孔，在焊接过程中，外部空气会通过通孔进入熔化的焊球，焊接完成并冷却后，焊球中会留下一个空腔。

焊盘层出现空洞的原因可能是在回流焊接过程中，焊盘上印刷的焊膏中的助焊剂挥发，气体从焊料深层逸出，冷却后形成空洞。焊盘电镀不良或焊盘表面污染也可能是焊盘层出现空洞的原因。

元件层通常是最容易出现空洞的区域，位于焊球中心和 BGA 基底面之间。这可能是由于在 PCB 上进行回流焊接时，BGA 焊盘上出现气泡和助焊剂气体挥发所致。合时形成空洞。如果回流焊温度曲线在回流焊区的时间不够长，气泡和助焊剂中挥发的气体来不及逸出，熔融的焊苗进入冷却区后变成固体，形成空洞。

因此，回流温度曲线是形成空洞的原因之一。共晶焊料 63n/37Pb 的 BGA 最有可能出现空洞，而由 10Sn/90Pb 非法共晶高熔点焊球组成的 BGA 熔点为 302°C，一般不会出现空洞。在流动焊接过程中，BGA 上的焊球不会熔化。

空腔中的气体可能会在热循环过程中产生收缩和膨胀应力。空腔位置将成为应力集中点，并可能成为产生应力裂纹的根本原因。
不过，空腔的存在会减少焊球所占的多余空间，从而降低焊球上的机械应力。具体的减小程度取决于空腔的大小、位置、形状和其他因素。

IPC-7095 中规定的空洞验收/拒收标准主要考虑两点：空洞的位置和大小。无论空洞存在于何处，是焊球中间还是焊盘层或元件层，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。空隙所占空间与焊球空间的比例可按下式计算：例如，空隙的直径为焊球直径的 50%，则空隙所占面积为焊球面积的 25%。

IPC 标准规定，焊盘层的空隙不得超过焊球面积的 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% 和 25% 之间的空隙，建议改进工艺以消除或减少空隙。

当共晶焊料的 BGA 在焊接过程中形成焊点时，涂在印刷电路板上的焊膏和元件中包含的焊球必须熔合在一起。这一过程分为两个塌陷阶段。第一个塌陷阶段是印刷电路板上的焊膏首先熔化，元件随之塌陷。在第二阶段，元件本身的焊球也会熔化，并与印刷电路板上熔化的焊膏融合，焊球再次塌陷，形成扁圆形焊点。

在焊接过程中，必须确保焊接曲线过渡自然，使设备受热均匀，尤其是在

在焊接区域，必须确保所有焊点都完全熔化。如果温度不够，可能会形成冷焊点，导致焊点表面粗糙或在第二坍落阶段熔化不完全。这可能导致 PCB 表面的焊膏与元件焊料之间出现裂缝，造成虚焊或开焊。

焊膏的粘度有助于在熔化过程中暂时固定器件并防止焊料桥接。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 0.15 毫米（6mil）。

如果必须在焊盘下设计某些工序，还应找到合适的 PCB 制造商。应在焊盘位置钻孔，避免擅自扩大焊盘。这是因为通孔不能钻得太小。因此，大焊盘和小焊盘焊接后的锡量和高度会有所不同。焊接或开路。

在焊接 BGA 之前，确保焊盘周围的阻焊层合格，通孔涂有阻焊薄膜。在生产过程中在印刷电路板的另一面添加阻焊膜是无效的。阻焊膜的作用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。

印刷锡膏无需返工，可避免过量焊料，提高焊接质量。通孔是电镀的，因此过量的焊料或焊接问题会导致虚拟短路缺陷和短路。BGA 返修是最后的手段，因为它需要很长时间。

要成功焊接 BGA，我们需要合适的焊球和返修工具。植球的成功率很低，而且浪费资源。返修芯片至少要经历 4 次回流焊，影响可靠性。焊接 BGA 前要做好充分准备，以尽量减少缺陷，实现高合格率。我们的目标是消除缺陷，而无需维修。