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    3. 《電子技術應用》
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      BGA焊接工藝及可靠性分析

      BGA welding technology and reliability analysis
      2016-12-16
      作者:辛道軍 楊彬彬 李胡幫
      來源:惠州市金百澤電路科技有限公司
      關鍵詞: BGA smt

      作者簡介:

      辛道軍:現任金百澤科技SMT工程部主管,多年SMT制程改善經驗。

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      摘要:良好而堅固的工藝,意味著高成品率、高質量、高效率。追求良好而堅固的工藝,不僅是產品質量的要求,也是高密度組裝的客觀需要。本文主要針對BGA焊點缺陷表現及可靠性等問題展開論述,特別對焊接中出現空洞的原因和空洞形成機理進行分析和歸納,并提出一些改善BGA焊點質量的建議。

      Abstract:Good and strong technology, means that high yield, high quality, high efficiency.The pursuit of good and strong technology, is not only the requirements of the product's quality, is also the objective demand of the high density assembly.This paper is aimed at and discussing the problems such as performance and reliability of BGA solder joint defects, especially in the cause of the hole of the welding and hole forming mechanism was summarized and analyzed, and puts forward some Suggestions to improve the quality of BGA solder joints.

      關鍵詞:SMT   BGA焊接   空洞

      Key words:surface mounting technology;  BGA welding;  Inanition

      1  前言

      隨著電子產品向小型化、便攜化、網絡化和高性能方向的發展,對電路組裝技術和I/O 引線數提出了更高的要求,芯片的體積越來越小,芯片的管腳越來越多,給生產和返修帶來了困難。原來在SMT中廣泛使用四邊扁平封裝QFP,封裝間距的極限尺寸停留在0.3 mm,這種間距的引線容易彎曲、變形或折斷,對SMT組裝工藝、設備精度、焊接材料的要求較高,且組裝窄、間距細的引線QFP缺陷率最高可達6000 ppm,使大范圍應用受到制約。而球柵陣列封裝BGA器件,由于芯片的管腳分布在封裝底面,將封裝外殼基板原四面引出的引腳變成以面陣布局的鉛/錫凸點引腳,就可容納更多的I/O數,且用較大的引腳間距(如1.5、1.27 mm)代替QFP的0.4、0.3 mm間距,很容易使用SMT與PCB上的布線引腳焊接互連,不僅可以使芯片在與QFP相同的封裝尺寸下保持更多的封裝容量,又使I/O引腳間距較大,從而大大提高了SMT組裝的成品率,缺陷率僅為0.35 ppm,方便了生產和返修,因而BGA在電子產品生產領域獲得了廣泛使用。為提高BGA焊接后焊點的質量和可靠性,就BGA焊點的缺陷表現及可靠性等問題進行研究。

      2  BGA焊接質量及檢驗

      BGA的焊點在晶片的下面,焊接完成后,用肉眼難判斷焊接質量。在沒有檢測設備下,可先目視芯片外圈的塌陷是否一致,再將晶片對準光線看,如果每排每列都能透光,則以初步判斷沒有連焊。但用這種方法無法判斷里面焊點是否存在其他缺陷或焊點表面是否有空洞。要想更清楚地判斷焊點的質量,必須運用X光檢測儀器。常用的X光檢測儀

      器有二維X射線直射式照像儀和X電路板檢測儀。傳統的二維X射線直射式照像設備比較便宜,缺點是在PCB板兩面的所有焊點都同時在一張照片上投影,對于在同一位置兩面都有元件的情況下,這些焊錫形成的陰影會重疊起來,分不清是哪個面的元件,如果有缺陷的話,也分不清是哪層的問題,無法滿足精確地確定焊接缺陷的要求。X電路板檢測儀是專門用來檢查焊點的X射線斷層掃描設備,不僅能檢查BGA,而且可以檢查PCB板上所有封裝的焊點。該設備采用的是X射線斷層照相,通過它可以把錫球分層,產生斷層照相效果。X斷層照片能根據CAD原始設計資料和用戶設置參數進行比對,從而能適時得出焊接合格與否的結論。其缺點是價格太昂貴。

      2.1 BGA焊點的接收標準

      不管用何設備檢查,判斷BGA焊點的質量是否合格都必須有標準。IPC-A-610C中12.2.12對合格的BGA焊點的接收標準定義:焊點光滑、圓潤、邊界清晰、無空洞,所有焊點的直徑、體積、灰度和對比度一樣,位置對準,無偏移或扭轉,無焊錫球。焊接完成后,判斷焊點合格與否優選的方案是滿足上面的要求,但實際檢驗時可稍微放寬標準。如位置對準,允許BGA焊點相對于焊盤有不超過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??斩床⒉皇荁GA獨有的,在表面貼裝及通孔插裝元件的焊點通常都可通過目視看到空洞,而不用X射線檢查。但在BGA焊接中,由于焊點隱藏在封裝的下面,只有使用X射線才能檢查到這些焊點是否有空洞。甚至認為空洞對可靠性有利。IPC-7095委員會認為有些尺寸非常小、不能完全消除的空洞可能對于可靠性有好處,但是多大的尺寸應該有一個界定的標準。

      3  空洞形成機理

      BGA的焊球包括元件層(靠近BGA元件的基板)、焊盤層(靠近PCB的基板)和中間層。根據不同的情況,空洞可發生在這3個層中的任何層。BGA焊球中可能在焊接前就帶有空洞,這樣在回流焊過程完成后就形成了空洞,這可能是由于焊球制作中引入了空洞,或是PCB表面涂敷的焊膏材料問題導致的。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,外界的空氣通過過孔進入熔融狀態的焊球,焊接完成冷卻后焊球中就會留下空洞。焊盤層中出現的空洞可能是由于焊盤上面印刷的焊膏中的助焊劑在回流焊接過程中揮發,氣體從熔化的焊料中逸出,冷卻后就形成了空洞。焊盤的鍍金層不好或焊盤表面有污染物都會引起空洞的產生。通常發現空

      洞機率最多的位置是在元件層,即焊球的中央到BGA基板之間的部分。這可能是因為PCB 上面BGA的焊盤在回流焊接的過程中,存在空氣氣泡和揮發的助焊劑氣體,當BGA的共晶焊球與所施加的焊膏在回流焊過程中融為一體時形成空洞。如果再回流焊溫度曲線在回流區時間不夠長,空氣氣泡和揮發的助焊劑氣體來不及逸出,熔融的焊料已經進入冷卻區變為固態,便形成了空洞。所以,回流焊溫度曲線設定是空洞形成的重要原因。

      4  提高BGA焊接可靠性的工藝改進建議

      1) 電路板、芯片預熱,去除潮氣,對托盤封裝的BGA要在焊接前以120℃烘烤4~6 h。

      2) 清潔焊盤,將留在PCB表面的助焊劑、焊錫膏清理掉。

      3) 涂焊錫膏、助焊劑必須使用新鮮的輔料,涂抹均勻,焊膏必須攪拌均勻,焊膏黏度和涂抹的焊膏量必須適當,才能保證焊料熔化過程中不連焊。

      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,要正確選擇各區的加熱溫度和時間,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℃以后最大的升溫速度不超過3℃/s,在冷卻區,最大的冷卻速度不超過6℃/s。因為過高的升溫和降溫速度都可能損壞PCB和芯片,這種損壞有時是肉眼不能觀察到的。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,以防止焊錫顆粒的氧化。

      6) 在進行PCB設計時,PCB上BGA的所有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,也應當找合適的PCB廠家,確保所有焊盤大小一致,焊盤上焊錫一樣多且高度一致。

      5  結束語

      隨著電子產品體積小型化的主流發展趨勢,BGA封裝的物料引腳設計會越來越密,焊接難度會越來越大,針對BGA的焊接可靠性則是永遠探討的課題。

      參考文獻:

      [1]  BGA 空洞形成的機理及對焊點可靠性的影響

      [2] IPC-國際電子工業聯接協會. IPC-A-610D 印制板組裝件驗收條件


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