牛毅 姬娇
陕西黄河集团有限公司 陕西省西安市710043
摘要：随着封装技术的不断发展和用户需求的不断提高，BGA封装器件正朝着近距离、小型化的方向发展。目前常用的BGA间距已达到0.4pith，最小间距已达到0.3pith。芯片管脚越来越多，给电子安装工艺带来了新的挑战，BGA元器件在回流焊过程中控制难度越来越高，容易出现虚焊问题，给产品带来了严重的质量问题。本文在此背景下，分析了回流焊中BGA虚焊的几种主要原因，并提出了相应的控制方法。
关键词：BGA；虚焊；质量
1前言
球栅阵列封装（BGA）技术是一种应用于集成电路中的表面粘附封装技术，由于其占用空间小、输入输出管脚多等特点，在电子产品中得到了广泛的应用。但由于焊盘位于设备的底部，在焊接和测试方面存在一些困难。因此，BGA芯片的焊接一直是电子产品生产中的一个难题。在BGA芯片的焊接故障中，最常见的故障是虚焊和桥接。相比之下，桥接容易通过X射线检测，而且不需要破坏器件。而虚焊问题的检测难度更大，原因也比较复杂。因此，为了解决BGA器件虚焊问题，必须对其形成机理进行分析。
2.常见的BGA虚焊不良问题
2.1虚焊原因分析
目前，虚焊实际上是焊盘失效的一种表现形式，表现为焊盘导电性差或焊盘强度差导致器件管脚与焊盘之间呈现一种开路现象。其根本原因在连接界面上未形成合适厚度（1.5～3.5）um的IMC层。实际上，造成虚焊的原因很多，包括热不足引起的冷焊、共面性差导致的脱焊、应力引起的焊盘裂纹等。在目前的电子产品生产中，BGA芯片主要采用回流焊的方式安装在PCB板上。因此，在锡膏印刷和安装良好的前提下，造成BGA焊盘虚焊的主要原因可分为三类：设计不良（DFM设计不良）、可焊性差（焊料质量不佳、器件引脚可焊性差、PCB焊盘可焊性差）和热利用不合理（热量过高、热量过低、炉温曲线控制不佳）。
2.2一种常见BGA虚焊不良详细分析
如图1所示，BGA封装的芯片焊接面使用高倍显微镜观察锡面灰暗，空洞很多。图中红框位置锡面灰暗应是焊锡高温氧化的迹象，这里的锡面氧化应是在焊接时的高温影响后发生。发生的原因与芯片植球不良或者芯片焊盘本体相关，并且这种虚焊在焊接时无法得到改善。如果芯片植球时已存在异常，导致植球与芯片接触面未初步形成有效的IMC（红色框），植球位置就会造成芯片在过炉后发生虚焊现象。
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图1 焊接面高倍显微镜显影结果
空洞较多也说明植球与芯片焊接面存在异常情况的发生。根据材质及焊接结合力、拉力分析：良好的植球与芯片形成良好的IMC，剥离芯片时大部分的芯片焊接面应被拉起脱落（下图2的蓝色框为芯片焊盘脱落示意图）。而对焊接合格的芯片进行拉力分析时发现，在芯片通过外力从PCB上剥离后，确实会造成焊盘100%脱落。
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图2 芯片剥离后焊接面观察图
3几种常见控制BGA虚焊不良问题的方法
3.1回流炉的焊接温度曲线设定
锡膏的成分决定了其活化温度和熔点，所以回流炉温度一般按照锡膏生产厂家推荐的温度曲线进行设定，并且需要生产线的专业工艺人员根据BGA元器件的尺寸、厚度、重量选择合适的的锡膏并调整锡膏使用量。
建议炉温设定：在预热阶段，PCB均匀加热。一般加热速度不宜过快，加热速度应控制在3℃/s以下，理想升温速率为2℃/s，时间控制在60s～90s之间。润湿阶段焊剂开始挥发，温度应保持在150℃～183℃之间30～60s，加热速率一般在0.55℃～1℃/s之间，以充分发挥助焊剂的作用。在回流阶段，温度已经超过了焊膏的熔点温度，锡膏受热融化成为液体，附着在BGA芯片的焊盘上。温度超过213℃的时间应控制在60～90s之间，时间过短或过长，均会造成焊接质量问题。同时，峰值温度应控制在210～235℃至少10s，可以增加焊膏的熔化时间，有利于焊膏的焊接。在冷却阶段，焊膏开始凝固，元件固定在电路板上。冷却速度不能太快，一般控制在4℃/s以下，理想的冷却速度为3℃/s。因为过快的冷却速度会造成电路板的冷变形，会导致BGA外圈引脚虚焊。
3.2 BGA元器件焊球和PCB焊盘的可焊性
BGA元器件和PCB焊盘受到物理污染或者发生氧化，会直接降低BGA元器件焊球和PCB焊盘的可焊性，因此必须控制BGA和PCB的来源，选择合格的供应商，做好入库检验，禁止焊盘表面发生氧化的元器件和PCB投入生产线；在储存过程中，经常会遇到元器件开封后在相应的时间内无法使用，暴露时间超过了湿敏元件湿敏等级规定的时间，为了使组件在下次使用前具有良好的可焊性，建议烘烤BGA器件和PCB组件。即将印制板在120±5℃条件烘烤8～12h，BGA类器件在120±5℃条件烘烤4～6h，以祛除湿气，保证其良好的可焊性。
3.3 印制板的焊盘设计及焊盘的质量
根据各元器件焊盘结构分析，为满足焊盘可靠性，PCB焊盘设计应保证元器件焊球与焊盘有匹配尺寸；绿油窗小于焊盘，导致焊盘面积小于焊盘或绿油高度高于焊盘，可能导致虚焊。如果焊盘太小，则会导致焊接不良，器件焊接应力不足，甚至造成器件连同焊盘一起脱落；焊盘过大容易造成焊接位置偏移，甚至造成部分焊盘连锡短路。
3.4 焊膏的质量
我司使用的焊锡膏合金成分为Sn63Pb37，此锡膏熔点183℃为所有电子产品共熔结晶点，适用范围广泛。此款锡膏可以在各种电子产品焊接工艺中使用，为了保证焊膏在印刷过程中具有良好的脱模效果，必须保证焊膏的粘度，设定合理的储存温度，通常在冰箱中5℃～8℃保存。使用前，先回温，回温时间大约为4h，必须先回温，再开封，严禁先开封，后回温，杜绝水汽凝结在焊膏表面。同时，焊膏开封后应在一周内用完，超过时间应报废。锡膏的粒度不利于印刷，不易脱模。一般情况下，开口方向5-7个锡球，垂直方向3-4个锡球，可以保证印刷的顺利进行。我们选择的焊膏粒度一般与安装元器件的尺寸和间距有关。PCB板上的焊膏残留物必须具有长期的电气可靠性，所选择的焊膏供应商必须有足够的支持能力，这样才能迅速解决生产中的问题。
4结论
随着表面贴装技术的迅速发展，表面贴装元件的焊接质量和焊接工艺越来越受到人们的关注。本文分析了BGA虚焊不良的主要原因，列举了焊接质量缺陷的几种常见原因及改进方法。在实际生产中，需要针对具体问题具体分析，不断改进和完善回流焊工艺，从而提高回流焊质量，保证产品合格率，提高电子产品的可靠性和质量。
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