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PCB焊点失效以及无铅BGA返修工艺分析

发布时间：2015-12-08 14:35:40 来源：文档文库

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摘要：以实际工作经验和测试为基础，就 BGA 焊点缺陷表现、形成原因及检测方法等问题展开论述。通过典型案例对焊接中出现的裂纹形成原因进行了分析和归纳，并对改善 BGA 焊点质量提出了一些建议。

随着高密度电子组装的发展,BGA的面积越来越大,引脚数不断增加,广泛地应用到PCB的组装中,从而对电子组装工艺提出了更高的要求,特别是对于无铅BGA的返修。因为BGA返修台是一个相对开放的系统,而且无铅焊接需更高的温度,因此需要更高的工艺要求才能保证BGA的返修质量。从无铅焊接工艺和BGA返修台结构的角度,介绍了一种适用于BGA返修的方法。

关键词：BGA；回流焊接；无铅焊接；返修

Analysis of PCB solder joint failure and lead-free BGA rework process

ZHAO Shuai-feng

(Guilin University of Electronic Technology, Electromechanical engineering college, Guilin)

Abstract: Based on the production and testing experience, the BGA solder joint defects , their causes of detection methods were discussed.Typical cases were analyzed and summarized for the causes of BGA solder joint void and head-in-pillow (HIP). The suggestions were given to improve the performance of BGA solder joint.

During high-density electronic assembly developmen, The BGA is used in PCB assembly widely which area is more and more large and solderballs are increased continuously. Electronic assembly process ismore strictly than ever to assure the BGA soldering quality, especially lead free BGA rework process. Because BGA rework is a relative open system and lead free soldering need higher temperature. Introduce an adaptway of lead free BGA rework by lead free soldering process and BGA rework instru-ment structure.

Key words: BGA；reflow soldering；Lead free soldering；Rework
1 PCB焊点失效分析

1.1 PCB焊点失效分析发展背景

随着电子产品向小型化、便携化、网络化和高性能方向的发展，对电路组装技术和 I/O 引线数提出了更高的要求，芯片的体积越来越小，芯片的管脚越来越多，给生产和返修带来了困难。原来在（Surface Mounting Technology）SMT 中广泛使用四边扁平封装（Quad Flat Pockage）QFP，封装间距的极限尺寸停留在 0.3 mm，这种间距的引线容易弯曲、变形或折断，对 SMT 组装工艺、设备精度、焊接材料的要求较高，且组装窄间距细引线的 QFP缺陷率最高可达 6 000 ppm，使大范围应用受到制约。近年出现的球栅阵列封装（Ball Grid ，BGA）器件，由于芯片的管脚分布在封装的底面，将封装外壳基板原四面引出的引脚变成以面阵布局的 Pb／Sn凸点引脚，就可容纳更多的 I/O 数，且用较大的引脚间距（如 1.5、1.27 mm）代替 QFP 的0.4、0.3 mm 间距，很容易使用 SMT 与 PCB 上的布线引脚焊接互连，不仅可以使芯片在与 QFP 相同的封装尺寸下保持更多的封装容量，又使 I/O 引脚间距较大，从而大大提高了 SMT 组装的成品率，缺陷率仅为 0.35 ppm，方便了生产和返修，因而 BGA在电子产品生产领域获得了广泛使用。为提高 BGA焊接后焊点的质量和可靠性，就 BGA 焊点的接收标准、缺陷及可靠性等问题进行研究。

在2008年电子科技大学林军秀，汪洋等，分析了BGA焊点失效的原因。文章通过对BGA焊点失效实例的分析，介绍了对BGA焊接失效的分析过程与分析方法，同时得出了引起该BGA焊点失效的主要原因，展现了失效分析对BGA封装的质量控制作用。

在2012年江苏一家公司施纪红等对BGA失效分析以及改善提出了一些建议，以实际工作经验和测试为基础，就 BGA 焊点缺陷表现、形成原因及检测方法等问题展开论述。通过两个典型生产案例对焊接中出现的空洞和枕头效应的形成原因进行了分析和归纳，并对改善 BGA 焊点质量提出了一些建议。

中国兵器工业第五八研究所在2010年BGA 焊接可靠性分析及工艺改进。结合实际工作中的体会和经验，就 BGA 焊点接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述，特别对焊接中出现空洞的原因和空洞形成机理进行分析和归纳，并提出一些改善 BGA 焊点质量的建议。结果表明，其归纳科学、正确，对研究和从事电子产品焊接技术具有较好的参考作用。

电子科学研究院电子电路柔性制造中心李民等，结合实际工作中的一些体会和经验,就BGA焊点的接收标准、缺陷表现及可靠性等问题展开论述,特别对有争议的一种缺陷。空洞进行较为详细透彻的分析,并提出一些BGA焊点质量的工艺改进的建议。

1.2 失效原因及规律

球栅阵列技术是上世纪90年代发展起来的微电子技术，它的出现解决了四边引线扁平封装所面临的增加I/O数和精细节距带来的成本与可靠性问题，同时还具有更小封装尺寸、更低故障失效率的特征，适应了电子产品朝着便携式小型化、网络化和多媒体化方向发展的趋势，成为目前安装技术的主流。然而，由于BGA封装器件的焊点都隐藏在器件体下，焊点缺陷的检测以及失效分析都比较困难，使得焊点的可靠性问题成为了BGA技术发展的关键。

焊点失效取决于各种因素，大多失效是由于焊点内部裂纹产生和扩展造成的。而裂纹的萌生位置、特征则是由焊点的构形、金属间化合物结构、应力程度以及温度范围决定。

焊点失效典型案例如图1所示。

图1 焊点裂纹

其中界面上的金属间化合物（IMC）是影响焊点可靠性的一个关键因素。IMC 是在焊接过程中熔融的焊料与焊接衬底接触时，由于高温在界面上形成的，其形成不但受回流焊温度、时间的控制，而且在后期使用过程中厚度会随时间增加，也正是IMC使得焊料和焊盘之间形成有效的机械连接。IMC的高硬度和高脆性同时并存。如若焊盘和焊料之间未形成良好的 IMC，则会使焊接强度不够，使用过程中容易产生裂缝，可靠性变差，而过厚的IMC层的存在会严重导致焊点断裂、韧性和抗低疲劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降低。因此，控制好IMC厚度对焊点可靠性起关键作用。

空洞是由于焊料中的有机物经高溫后产生的气泡无法及时逸出所导致的。严重的空洞现象会影响焊点的电气连接。焊球制作过程中夹杂的空洞、焊点合金的晶体结构、PCB 板的设计、印刷时焊膏的沉积量、回流焊工艺参数、物料的保管等等都会引起 BGA 焊点空洞。

图2 典型空洞案例

一般而言，焊点失效具有如下规律：

（1）裂纹通常萌生于高应力区域，而裂纹的扩展方向则由焊点形状、拉应力和剪切应力之比决定。

（2）焊点内高应力导致更多焊点器件界面的断裂，而这高应力是由于焊料膏的应变速率或抗蠕变引起的。

（3）界面断裂通常和金属间化合物焊料粘结强度差，金属间化合物脆性或金属间化合物附近的焊料不连续相关。

（4）空洞、桥接、不对准、虚焊、漏焊等等

1.3 对失效的分析方法

1.3.1 X射线测试分析

X射线检测仪是检测BGA焊点的常用仪器，它可以检测出焊点的桥连、空洞、虚焊、缺球、错位等缺陷。

下面将用一个实例来说明，X射线下BGA如图4所示。

从X射线照片上可以看出：本样品的BGA 焊点中除可接受的空洞外，均未发现其他的明显异常，排除了焊接过程中焊料中产生的大空洞或回流不充分等焊接缺陷导致焊点互连失效的可能。

图3 X射线下的BGA器件焊点

1.3.2 金相切片分析

精密切割样品的 BGA 部分，通过镶嵌、打磨、抛光、微蚀对BGA边缘两排焊点进行金相切片，运用金相显微镜进行观测，观测效果如下图：

图4 焊点金相切片1 图5 焊点金相切片2

由上图所示开裂焊点焊料与焊盘间均形成了连续的较厚的金属间化合物（IMC），开裂焊点中，焊盘边缘开裂源于焊料中间或 IMC 本身，焊盘中间位置的开裂存在IMC与焊盘间。

1.3.3 SEM&EDS分析

在进项切片分析基础上，采用 EDS 对特征开裂焊点中的IMC和焊料层进行成分分析。用扫描电镜SEM分析样品边缘排中开裂焊点，进一步发掘焊点开裂的原因。

图6 SEM下焊点情况1 图7 SEM下焊点情况2

从上图片中可以看出，开裂焊点焊料与焊盘间均形成了连续的较厚的金属间化合物（IMC），开裂焊点中，焊盘边缘开裂源于焊料中间或IMC本身，焊盘中间位置的开裂存在IM C与焊盘间。形成的IMC厚度在2.87µm 至25.75µm 间不等。

在此基础上，采用EDS对特征开裂焊点中的IMC和焊料层进行成分分析，分析图片如下图所示。

图8 EDS分析图1 图9 EDS分析图2

从 EDS 图中可以看出，IMC 主要由锡铜合金以及锡银合金组成。以上可以看出，BGA失效的原因有很多种，这里也总结了三种方法来进行焊点的失效分析，并且在最后的方法中可以看出，不仅能够判断出焊点失效的原因，且在失效点的成分也能有效地分析出来，为以后的BGA返修创造了条件，并且在返修之前，设计人员就可以针对性的设计好返修工艺。

2 无铅BGA返修工艺分析

2.1无铅BGA返修难点

传统的锡铅焊料熔点为138度，回流温度在210~230之间，而电子元件以及印刷版的极限温度为250度，两则之间存在40度的工艺窗口，组装和返修工艺难度相对较低。与之相比，无铅回流焊接难度将会增大。无铅回流曲线最低峰值温度要求230度，所以工艺窗口只有20度，在这种情况下，焊接时极易发生小元件温度过高损坏，而大元件温度不足冷焊的现象。因此，采用传统的回流曲线很容易造成BGA焊接的缺陷。在无铅回流焊工艺中，为使电路板上大小元件的焊接温度趋于一致，将温度曲线的峰值设定为平顶波形是最为有效的方法。同样的，在BGA返修过程中也应该采用平顶波形的设置形式。回流温度曲线如下图所示。

图10 无铅焊接平顶曲线

由于BGA特殊的封装结构，其焊点位于整个封装体底部，使得焊点受热困难，只能使用专用设备进行安装，回流炉是一种整板回流设备，电路板上所有元器件同时进行回流焊，而返修工作台是一种局部回流焊设备，仅对电路板上需要返修的某一个器件进行回流焊接。返修系统按加热方式可分为热风加热返修和红外加热返修两种。

2.2 返修前保护设施

任何元器件的修复操作都可能导致印刷版的可靠性问题，无铅BGA的返修由于温度更高，为了保证返修的高可靠性，更应该特别注意避免对印制板和周边元件的损坏，所以对于耐热性能较差的接插件和小元件必须采取的热防护措施。

根据红外加热的原理，可利用红外加热的“阴影效应”进行热防护，在实际操作中，一般采用锡箔控制加热窗口以达到热防护的目的。此种方法可以有效的对返修部位以外的进行热防护，但是也存在一定的问题，导致红外测量的温度可能低于显示温度，导致返修接收的热量远低于设置温度，从而导致返修失败。

2.3 无铅BGA返修工艺

精确合理的温度曲线是成功返修BGA的关键。不同的BGA,材料、厚度、大小都不同,因而它对热量的吸收和传递也不同,这会影响BGA焊球的预热。所以返修时,应结合BGA、PCB以及BGA在PCB上所处的位置等因素进行温度曲线的设定。

由于无铅焊料的熔点较高,所以无铅返修的时间更长一些。与Sn/Pb返修温度曲线一样,无铅返修温度曲线也分为预热、活化、回流和冷却四个阶段,只是各个阶段的温度跨度稍大,工艺参数也略有不同。

预热区:预热的主要目的是蒸发焊膏中过多的溶剂,防止回流过程中产生锡珠和气孔。

活化区:为了进一步蒸发焊膏中的溶剂,以及除去锡膏、焊盘表面和BGA焊球表面的氧化层,保证焊接质量。

回流区:经过活化阶段后,PCB焊盘和BGA焊球表面比较洁净,此时应设定温度,使BGA底部温度高于焊料熔点温度达到回流。

BGA的无铅返修相对于锡铅焊料的返修有如下特点: (1)高温。 (2)表面张力大,润湿性差。由于润湿性变差,焊料熔化后流动性大大降低,自对中能力也相应降低,为了保证元件焊接位置的正确性,需要提高贴装精度; (3)工艺窗口小,质量控制难度大。由于元器件和PCB所能承受最大温度有限,无铅焊接温度的提高,造成焊接工艺窗口变窄。

可见,无铅工艺返修无论从难度和复杂程度都比以往大很多,采用理想的设备、合理的工艺,是保证高的返修率以及可靠的焊接效果的关键。

3 总结

本文通过对常用PCB焊点的失效分析，并且以实例分析了焊点失效的检测方法以及焊点失效的原因，包括对焊点金属件化合物的成分分析。焊点中较普遍的存在开裂是导致BGA互连失效的主要原因。开裂位置主要发生在IMC与PCB焊盘间，焊盘边缘开裂发生在焊料或IMC间。造成焊点开裂的原因主要是过厚过粗的锡铜、锡银合金层降低了焊点的机械强度，当受到外力作用时发生开裂。根据以上失效原因，建议优化回流焊接工艺，避免过厚、过粗的IMC的形成；避免焊接过程中骤热骤冷，降低热应力的产生。

另外，本文通过对无铅BGA封装器件的返修比通常焊点返修困难性分析,总结了无铅BGA的返修难点，以及返修前的保护措施等，并且制造了完好的无铅BGA返修工艺流程。最后以达到良好的无铅BGA返修效果。