芯耀
与非AI
278
“这块板子功能测试怎么又失败了？又是BGA的问题？”
对于这种对话，大家都不陌生。BGA由于封装密度高、热匹配复杂，在电子产品制造过程中经常会出现各种焊接不良。很多时候，我们将锅甩给了“炉温曲线”，而忽略了PCB设计和焊盘处理上的隐形陷阱。
今天，我们就通过一些真实失效分析案例，复盘一下BGA不良背后的那些“真凶”。
1、阻焊膜限定造成的BGA焊接缺陷不良
BGA连接盘有两种方式：
1) 阻焊膜限定(SMD),连接盘尺寸大于阻焊膜开口，再流焊后熔融的BGA焊球接触阻焊膜。
2) 另一种设计BGA连接盘的方法称为蚀刻或非阻焊膜限定（NSMD），其阻焊膜开口大于铜连接盘，因此再流焊后焊球不会接触阻焊膜。
这种情况见1.1和1.2所示。
阻焊膜限定连接盘可用在相应的非关键或功能性针脚上，因为SMD连接盘可帮助最小化焊盘坑裂缺陷。但是阻焊膜限定连接盘会产生额外的应力起始点，需要避免在中介基板和印制板连接盘上使用。
1.1 阻焊膜限定与⾮限定连接盘
可能原因：BGA中介基板为阻焊膜限定，而PCB板为金属限定。两个面积 的差异较大时，应力不一致，裂纹就可能在阻焊膜限定一侧发 生。PCB板子连接连接盘图形过大就不容易发生裂纹。
潜在解决方案：BGA中介基板与PCB板连接区的状况应该相近或相同。因此，阻焊膜限定连接盘会产生额外的应力起始点，故应避免在BGA中介基板和PCB印制板连接盘上使用。
1. 2 产品板⼦上的阻焊膜限定连接盘
可能原因：阻焊膜在板子连接盘上侵入过多。这种情况会在焊球中产生应力，在温度变化期间扩展而产生裂纹。
潜在解决⽅案：设计产品板时始终只使用金属限定连接盘，除非需要用阻焊膜限定连接盘来减少焊盘坑裂的发生。
阻焊膜限定连接盘的主要缺点在于由SMD（阻焊膜限定）焊点产生的应力集中会成为焊点失效的起源并且降低了可靠性。这种情况如下第3点所示。对于相同的焊点高度，相对于SMD连接 盘，使用非阻焊膜限定（NSMD）时的疲劳寿命因子增加预计大约1.25至3倍，对于更严苛的负载条件下的焊点会有更大的改善。
SMD连接盘有三个主要缺点： • 更少的基板面使顶部脱开 • 接盘尺寸精确度损失• 降低的可靠性，因为它是焊点早期失效的起源
裂纹起始于焊料并最终传播下去并穿过⾦属间化合物IMC层。 阻焊膜下的镍堆积也明显。
可能原因：裂纹始于阻焊膜尖角的焊料处。这种状况是由于焊球内的应力而引起裂纹传播。
潜在的解决⽅案：设计产品板子时始终只使用金属限定（SMD）连接盘， 除非需要用阻焊膜限定连接盘来减少焊盘坑裂的发生。
2、过度塌陷BGA焊球状况
塑封BGA焊球通常会从其原始尺寸的750μm塌陷至大约625μm。封装焊接至板后，焊球塌陷至大约500μm。但是，如果封装内有用于散热的散热片或散热块， 焊球可能会塌陷低至300μm。当焊球变平时，由 于受限的焊料高度与焊点柔性，其可靠性就会降低。并且，焊球的伸展可能会超出期望的节距间隙。一个较好的近似值是初始再流减少了大约10%的高度；有散热片增加的重量时，这一数字可能会增加至原始高度的25%（焊球直径）。连接盘图形和阻焊膜间隙也在分析中扮演角色。这种情况的极端值如2.1至2.4所示。
2.1 ⽆散热块的BGA球形，500μm的托⾼⾼度
可能原因：BGA的重量不会过度塌陷焊球。这是目标条件，并且作为其他BGA或相同BGA上焊球的评测估量。
潜在解决⽅案：如需要更大的间隙采用垫片。同时也应该判断以检查焊球塌陷的变化。
2.2 有散热块的BGA球形，375μm的托⾼⾼度
可能原因：带有散热块的BGA重量引起焊球过度塌陷。这种形变也许 可接受，这取决于元器件节距，以使焊球不接触。
潜在解决⽅案：强制要求使用垫片以防止焊球塌陷。
2.3 有散热块的BGA球形，300μm的托⾼⾼度
可能原因：带有散热块的BGA重量引起焊球过度塌陷。这是确定的质量差的状况，应当纠正。
潜在解决⽅案：强制要求使用垫片以防止焊球塌陷。
2.4 关键的焊膏条件
沉积的焊膏量对塑封BGA连接是有帮助的，但对于良好焊点的形成并不是非常关键，因为焊球本身可以作为焊料的来源。但是如果是陶瓷BGA（CBGA），沉积足够的焊膏非常重要。对于890μm的CBGA，建议的焊膏量为0.12mm3，最少0.08 mm3 。如果没有沉积足够的焊膏，如3.1所示，焊点可靠性可能会有问题。焊料必须加给高温焊球或柱是因为封装端子的焊料体积对焊点没有贡献。
2.5 过厚锡膏沉积
可能原因：较厚的膏体目的在于陶瓷非塌陷焊球，而非塑封BGA焊球。 潜在解决⽅案：减少模板厚度；在BGA区域向下微蚀；减小模板开口。
2.6 通过X射线和切⽚确定空洞
传输X射线,可以探测空洞的存在（浅色区）及相关的X-Y位 置。这项技术也可探测焊球不均匀或缺失（各种 深色图像直径），此类情况的示例如2.7所示。但需要用切面X射线来确定焊点中空洞的垂直 （Z轴）位置。
2.7 空洞和⾮均匀焊球
可能原因
–焊球连接中过多的空洞。
– 连接盘上导通孔设计（按照IPC-A-610，与连接盘上导通孔相关的空洞不考虑是缺陷）。
–快速爬升的曲线。
–向前兼容情形（锡/铅BGA焊球用无铅焊膏）。
潜在解决⽅案
–通过热应力或显微切片评估连接点的结构强度。
–使用保温时间长的再流曲线。
–避免潜在原因中指出的情况。
BGA中空洞的形成有很多原因。虽然更多常见的空洞如2.7所展示，然而空洞的存在并不会造成任何可靠性风险。如2.8中所示的空洞可以承受1000次热循环（无冲击，0-100°C）。即便在某些测试中，空洞并未减少疲劳寿命结果， 焊点中过多空洞的存在是设计、工艺或材料出 现问题的指示。产品可靠性也应当验证。
2.8 蛋壳空洞
0.65mm的微导通孔1000次循环。 显⽰焊点塌陷，导致间歇性接触故障。 可能原因：再流焊时空气或其它气体残留。空气或其它气体可能通过PCB上的微导通孔形成。 潜在解决⽅案：拆除元器件用新的替换。
三、 BGA中介基板的⼸曲和扭曲
在正常的组装再流焊工艺中塑封BGA具有发生翘曲的倾向。翘曲会发生在BGA基板或产品PCB上。其结果是受到应力的焊点成为开路或短路状况。温度（再流焊曲线）、BGA结构、焊膏体积以及 冷却条件都会带来可能的缺陷。角落焊球短路是 BGA发生翘曲的迹象，此时BGA封装的角向内翘曲（哭脸BGA）
焊料短路是处于相邻和／或相对的BGA角由于基板向下弯曲（哭脸）造成的，并对角落焊球施加了应力。同样的现象会造成远离角落的焊球抬起远离安装基板，因为基板从哭脸变成了微笑，如3.1和3.2所示。随着BGA基板和芯片变得更薄，封装翘曲也在增加。为了有一个 稳健的SMT工艺，建议查看足够的焊膏是否已增加在连接盘上。应密切监控此过程以确保不会产生诸如焊料桥接、锡珠等额外的缺陷。
3.1 BGA中介基板翘曲
可能原因
–BGA翘曲由再流焊接期间热机械应力导致。
–检查其它角类似的情况。
–可能由哭脸BGA中介基板引起，此时角落会抬高。
潜在解决⽅案
– 增加角落焊球尺寸或使用胶点。在某些情况下，在再流焊过程中增加胶带。
–将封装退回给供应商。
–在再流温度下，使用阴影叠纹法来检查共面度。
角落焊球的开路是BGA翘曲的指示，此时封装角向上抬起。这种开路，如3.2所示，可以通过使用额外的焊膏量将其最小化。
施加过量的焊膏不是此问题的解决方法。确定根本原因及处理异常原因对于建立稳健的工艺更重要。仅当某工艺或元器件状况不可改变情况下，修改模板开口以使焊膏沉积在板子上， 应作为解决角落开路的方案，如再流焊工艺已得到优化、BGA封装或BGA中介基板无法重新设计，或者产品板子无法重新设计。另外，异常很可能会持续发生，在进行任何工艺变更前，焊料和元器件库存应该加以考虑。如果决定使用过量的焊膏来纠正角落焊球开路，应密切监控此过程以确保不会产生诸如焊料桥接、锡珠等额外的缺陷。
3.2 由于中介基板翘曲导致的焊点开路
可能原因
–失效似乎是由于膏体从模板不充分释放或不足的焊球尺寸。
–封装翘曲（微笑BGA），角落焊球抬起。
潜在解决⽅案
–在组装前检查来料焊球。
–将封装退回给供应商。
–实行进料检查和/或来源审核。
–在角落连接盘上施加额外的焊膏。
四、焊点条件
接下来讨论与安装结构和元器件中介基板有关联的焊球条件。每个例 子中，给出了关于此状况发生原因的说明。
4.1 ⽬标焊接条件
可能原因：焊球呈现一致的形状和纹理，且对称地对齐在连接位置 上，展示出BGA焊球顶部与底部均发生了塌陷。 潜在解决⽅案：标准化工艺参数并保持稳定的工艺。
4.2 过度氧化的焊球
可能原因：由于暴露于多次再流焊循环（顶面或底面）中，会形成焊球氧化物。
潜在解决⽅案：通过正确助焊剂的选择，将产品再流焊次数减至两次，并且在再流焊之间不清洗PWB，可以显著地减少此现象。
4.3 退润湿迹象
可能原因：焊料在接触界面的退润湿可能是由于连接盘过度氧化、有机物污染。电镀不良也会造成这种情况。EIG出现于很多系统，如高磷和低磷系统。EIG的退润湿是由于镍隔离层氧化而非表面磷含量过高。
潜在解决⽅案：开发工艺效果受控试验以确定哪种属性是退润湿主因。
4.4 斑点状况
可能原因: 焊球表面的状况最有可能是再流焊接过程中的过热或过多/ 重复暴露液相线温度之上的结果。
潜在解决⽅案: 评估再流工艺以确定适当的焊球特性。
4.5 锡/铅焊球评估
可能原因：焊膏再流应能形成合适的焊球形状。
潜在解决⽅案：维持工艺效果标准化。
4.6 SAC合⾦
可能原因: 锡-银-铜合金外观有轻微斑点。
潜在解决⽅案: 通过实验确定焊膏和焊球特性。
4.7 冷焊点
可能原因：焊球触点在连接位置没有完全润湿。这种情况是由焊膏印刷不良或连接位置污染不能接受润湿造成的。 潜在解决⽅案：检查模板和印刷工艺以确定充足的焊膏沉积。
4.8 由连接盘污染引起的不完整连接
可能原因：有机物污染或PCB连接盘氧化会对在焊球和PCB连接盘表面形成均匀、完整的连接产生负面影响。在焊膏施加之前， PCB连接盘没有充分清洁以促进适当的润湿。
潜在解决⽅案：将清洁度测试作为工艺的一部分。实行适当的PCB存储和 操作程序以防止污染以及暴露于促进氧化的条件中。
4.9 变形焊球造成的污染
可能原因：焊球变形发生是由于再流焊过程中元器件的移动（封装翘 曲或板翘曲）和／或当连接盘图形几何不正确时。
潜在解决⽅案：避免过热，以免引起中介基板质量不一致。
4.10 变形焊球
可能原因：焊球变形（柱状）会由于再流焊过程中封装基板的临时翘 曲而导致。封装基板角在较高温度下会向上移动远离板子表面。在此情况下，焊料合金冷却至凝固时就成为柱状。 这就是所谓的动态翘曲，因为翘曲会随着再流温度而增大。 当冷却时，如果不受已固化焊料的阻碍，封装会恢复为原有形状。
潜在解决⽅案：这是由于封装或板子材料之间CTE不匹配引起的。尽管这种问题的消除超出了SMT工艺的范围，但通过避免中介基板和板子过热可以使影响最小。
4.11 对合适连接点形成⽽⾔焊料和助焊剂不⾜
可能原因：焊球悬于空中是由于缺少焊料和助焊剂。这种情况是由于模板印刷过程焊料漏印。评估左边的焊球界面，发现其两种材料没有达到完全的液相条件。
潜在解决⽅案：检查模板和焊料沉积以及焊膏内含的助焊剂。
4.12 端⼦接触⾯积减少
可能原因：这种情况可能是由于所示区域封装向上翘起。中间三个连 接点已拉伸成柱，而相邻接触点保持某种程度的球形状。
潜在解决⽅案：BGA焊球固化过程中移动和再流焊过程中过热。
4.13 焊料桥接
可能原因：触点之间的焊料桥接很可能是由在焊料印刷过程中的焊膏 残留转移或因为制程中模板没有牢固地安装到板表面所致。
潜在解决⽅案：检查模板开口，避免过量焊膏沉积。
4.14 不完全焊料再流
可能原因：基板上的焊球和板子上的焊膏在再流焊接过程中没有达到完全液态条件。
潜在解决⽅案：确定再流焊曲线以确认连接所使用的焊膏。
4.15 空焊
可能原因：此情况是封装在PCB连接盘上缺少焊膏沉积的结果。焊膏 沉积对于形成BGA焊点是必要的。沉积的焊膏在再流焊过 程中会熔化并与熔化的BGA焊料融合形成焊点。
潜在解决⽅案：检查模板开孔是否堵塞焊膏。此外，确保模板对于PCB上每个SMT连接盘的每个开孔都正确设计。
4.16 不润湿焊点开路
可能原因：
模板开口被堵塞，BGA翘曲和焊膏类型的交互作用。
潜在解决⽅案：
–使用自动检测系统来监控焊膏量。
–选择适合的焊膏材质/配方以克服缺陷。
–在风险区域（BGA封装角落）套印焊膏。–最小化板翘曲（例如，使用托板）。
4.17 枕头效应焊点（HoP）
可能原因BGA和PCB翘曲的交互作用，再流焊中的TAL不足。 潜在解决⽅案–在风险区域（BGA封装角落）套印焊膏。–减小元器件间温度差并增加峰值温度和再流焊液相线以上的时间（TAL）。–在氮气（2）环境中进行再流。–选择合适的焊膏材质/配方以克服缺陷。–减小板翘曲（例如，使用托板）。
参考资料：IPC-7095((球栅阵列的设计与组装过程的实施)
