BGA器件在SMT焊接工艺中的控制对策Control strategy of BGA device in SMT welding process

BGA器件在SMT焊接工艺中的控制对策Control strategy of BGA device in SMT welding process

黄楠,熊定贵

中国电子科技集团公司第五十研究所

摘要：随着国内不断引进国外先进表面贴装设备、我国表面贴装技术自主研发的不断推进，在我国电子制造行业内表面贴装制造工艺已经不是一个高不可攀的工艺难点。然而随着BGA封装器件在表面贴装技术中应用的增多以及大众对于设备小型化、微型化所带来的BGA焊球间距逐步缩小的现状，对表面贴装工艺又带来了新的挑战。从可能影响BGA焊接的各个方面着手，针对性的找出控制对策进行质量管控，从根本上解决问题并提高BGA的焊接可靠性。

关键词：BGA；印制电路板；回流焊温度曲线；印刷工艺

引言

随着科学技术的日新月异，各种各样复杂化、精细化和小型化的设计思路逐步被应用在各类新型产品上，电子产品逐渐向着外观轻、薄、短、小以及多功能集成的方向进化。在整个SMT生产焊接过程中，发现哪些因素会对BGA焊接产生影响，从而采取有针对性的措施来有效的保证焊接质量以及产品的可靠性是生产者迫切需要解决的问题。

1.BGA封装技术

BGA 封装方式是在器件外壳底面或上表面焊有许多球状凸点(焊球)，通过这些焊料凸点实现封装体与基板之间互连的一种先进封装技术，其具有封装面积小、引脚数目多、焊接时能自行对中、电性能好、可靠性高和整体成本低等特点。

在SMT表面贴装生产过程中，由于在高温状态下的情况下BGA芯片的焊球会呈现熔融状态，因此基本消除了器件在焊接中由于引线而引起的共面性差和翘曲等问题。然而因BGA的焊接位置位于封装体的下面其所带来的缺点也很明显，其焊接质量的好坏无法依靠原有的可见焊点的外观形状来进行判断，给BGA焊点检测和返修带来了不小的困难。

2.在生产过程中影响BGA焊接质量的因素汇总

SMT表面贴装焊接BGA的生产过程和影响BGA焊接质量的相关因素我们可以用图1所示的鱼骨分析图来形象表示。

图1 SMT表面贴装BGA的鱼骨分析图

从鱼骨分析图上我们可以看出，影响SMT表面贴装BGA的因素有以下几点：印制电路板焊盘设计、印制电路板板材选取和保护、BGA封装选取和保护、印刷工艺、回焊炉温度曲线设定与控制等。

2.1 印制电路板的设计因素

2.1.1 BGA在印制板上的布局位置

BGA焊接虽然采用了焊球与焊盘直接锡焊的焊接方式，对印制板弯曲的影响有一定改良和校正作用，但是如果印制电路板在回流焊过程中由于各种因素而导致变形量过大，依然可能造成BGA焊点不良，如图2所示。

易造成短路                      易造成空焊                    易造成短路

图2 印制板弯曲导致的焊接不良

该问题一般为设计BGA焊盘位置不当而导致。印制电路板的制造直到今天依然采用的是曝光显影工艺，通过去除不需要的铜而在印制板上形成焊盘和印制线。由于印制板的电路设计上无法做到100%的平均分布印制线，导致印制电路板不同位置的铜含量不一致，而有铜区域和无铜区域的印制电路板基材所受的热应力是不等的，必然会造成印制电路板上的形变。

2.1.2 BGA的焊盘设计

随着电子产品日趋小型化、微型化，BGA封装焊球间距从1.27 mm逐步降低到了0.4 mm，印制电路板焊盘尺寸也随之调整。BGA封装间距减缩小，首先带来SMT表面贴装中出现的短路问题。在高温加热过程中，BGA的焊球和印制电路板的焊料会呈现熔融状态，由于BGA自重的影响，焊球会表现为扁平向外扩张状态，导致间距很小的相邻焊球容易融在一起，从而造成焊接短路，如图3所示。

图3 SMT表贴加热前后所受重力影响示意图

印制电路板焊盘尺寸调整带来的第二个隐患：BGA焊点开路问题(即BGA与印制电路板焊盘未可靠焊接)。由于印制电路板上焊盘的变小，焊盘和印制电路板基材的结合力同样会有所降低，焊盘上焊料的使用量也对应减少，最终造成焊点强度变低，存在质量隐患。

2.2 印制电路板的加工及表面保护因素

2.2.1 印制电路板表面油墨

印制电路板表面丝印的油墨处理看似与SMT表面贴装的质量没有关联，但在BGA焊盘四周的丝印油墨若控制不良，则极有可能造成分布于各焊盘周围的油墨不均匀。这不仅仅将导致油墨原有的防短路效果失效，还会造成锡焊的焊料沿油墨缺口流动造成焊料短路的状况发生。

2.2.2 印制电路板过孔处理

由于印制电路的设计需要，一般印制电路板上会放置众多过孔来贯穿连接印制电路板的各层印制线路。从后续印制板SMT表面贴装的需要而言，应该对那些临近焊盘的过孔进行塞孔处理，以避免在SMT表面贴装过程中出现焊接不良的现象。若临近各贴装焊盘的过孔没有进行塞孔处理或者处理不良时，必然会导致过孔漏锡或热风干扰的现象发生，从而令BGA焊接质量不可控。

2.2.3 印制电路板焊盘镀层

印制电路板的焊盘材质是铜，为了防止铜层表面氧化而造成焊盘可焊性差的问题，所有的焊盘表面都必须加保护涂层或进行镀层处理。焊盘保护涂层的种类很多，如纯锡、纯银、纯铋、合金锡银、锡铋、锡铜、锡镍、钯和钯合金以及有机涂层等。

2.2.4 印制电路板焊盘保护

除了焊盘表面镀层材质的影响外，焊盘自身的表面清洁度和被氧化程度也是影响印制电路板SMT表贴的重要因素。若印制电路板的焊盘在焊接前已经被氧化或者表面保护不良而受到了酸碱物质的腐蚀，则极有可能造成虚焊等不良状况的发生。

2.3 BGA器件的保护因素

2.3.1 BGA器件焊球氧化

印制板焊盘的氧化等问题会造成SMT表贴的不良品发生，同样BGA待焊器件的焊球若被氧化同样会造成类似焊接不良问题的发生。

2.3.2 BGA器件的受潮问题

BGA器件受潮尤其是BGA焊球受潮，当受潮器件进入SMT表贴受热后，器件受潮所含的水分会以气态的形式被挥发出来。气态水分极易对熔融状态的焊球造成爆米花效应而导致焊盘间的短路现象发生。器件体挥发出的水分由于分布不均则会造成器件本体的形变，也会造成焊接不良的现象，严重时甚至可能导致器件的电子线路爆裂，从而导致器件封装内部的短路等状况发生。

2.4 生产工艺技术的影响因素

2.4.1 SMT表贴锡膏印刷不良

在SMT表贴过程中，前端的锡膏印刷是非常重要的环节之一。表1为锡膏印刷不良及其造成原因的对应关系。

表1 锡膏印刷不良和造成不良原因的对应关系

2.4.2 SMT表贴贴装不良

SMT表贴过程中，由于设备长期运行后造成的贴装精度下降等硬件原因，同样有可能令BGA器件的焊接质量不佳。

2.4.3 SMT表贴温度曲线设定不当

SMT表贴的焊接温度曲线设定不恰当是造成BGA焊接不良的最重要的原因。SMT表贴时存在四种状态：印制电路板焊盘镀层为有铅状态及BGA器件为有铅状态、镀层为有铅状态及BGA为无铅状态、镀层为无铅状态及BGA为有铅状态、镀层为无铅状态及BGA为无铅状态。状态的不同导致了表贴温度不可能由一种曲线“包打天下”。

3.保障BGA焊接质量的工艺应对措施

3.1 消除设计过程对BGA焊接影响的应对措施

3.1.1 BGA在设计阶段的布局要点

满足设计需求的情况下，一般性应避免将BGA焊盘放置在需要切割的印制板位置上或印制板的对角线上，也不要将BGA焊盘放置在印制线路密度较高的区域或者大区域的接地焊盘周边。这样可以相对减少印制电路板由于热应力所带来的形变。

3.1.2 BGA焊盘设计要点

如前文所述，BGA焊球和焊盘尺寸设计应控制精确，这样可以从根源上部分消除由于焊球和焊盘小型化后带来的短路或开路问题。表2为不同BGA焊球直径对应的焊盘设计值。

表2 不同BGA焊球直径对应的焊盘设计

3.2 印制电路板的加工及表面保护过程的控制措施

3.2.1 加强印制电路板的外观检验

对印制电路板的加工过程，除了按人机料法环的原则进行监控外，在印制板加工完成后的外观检验也应重点控制。严格按设计图纸的丝印示意图及相关加工要求对印制板外观进行检验，将BGA丝印焊盘作为检验印制板的必查项可以杜绝由于丝印油墨所造成的焊接不良的发生。

3.2.2 对印制电路板通孔加工严格工艺要求

由于通孔不塞孔或塞孔不良所造成的焊接问题，只有从印制板加工工艺进行着手。在任何印制板加工前，明确相关BGA焊盘周边的通孔加工要求；同时在检验加强检查丝印油墨的同时，也需要对通孔塞孔情况加强检验，同样将BGA焊盘四周的通孔塞孔作为检验印制板的必查项来对待。

3.2.3 印制电路板焊盘镀层的选择

虽然印制电路板焊盘镀层种类繁多，但其中应用最广的是OSP（有机保护膜）、镍金和浸银这三类。从可靠性和可焊性的角度来说，浸银应该作为优先选择的镀层处理方式。

3.2.4 印制电路板的焊盘保护措施

为了防止印制电路板的焊盘表面污染，从印制板制作出厂后，应始终保持其处于真空保护的环境下。生产各环节人员应注意带白纱手套等隔离人体对印制板的污染；印制板检验完成后应尽快将印制板进行生产，以杜绝印制板应长期不使用后表面焊盘氧化等现象的发生。

3.3 BGA器件的管控对策

3.3.1 BGA焊球管控对策

BGA器件同样应保证其处于真空保护的环境，一旦开封使用后应尽快表贴。当管控失败时，最安全的方式是将BGA器件底部焊球进行重新植球，植球后同样需要尽快将其表贴；第二种方法是使用助焊剂帮助表贴的进行，利用助焊剂的高除氧化能力来降低焊接不良率。

3.3.2 BGA器件受潮管控对策

任何BGA芯片在开封外包装到表贴完成之间都会有一个过程。在这个过程中，如何保存BGA器件也需要仔细考量。表3是不同湿敏等级下器件的储存管控对应表。

表3 不同湿敏等级下器件的储存管控对应表

当管控失败时，表贴之前必须要对器件进行预热烘烤。表4是BGA器件的厚度与烘烤条件对应关系参照表。

表4 不同等级BGA器件的厚度与烘烤条件对应关系参照表

3.4 工艺过程控制

3.4.1 表贴锡膏印刷控制

为了保证BGA的焊接良品率，一般而言锡膏的印刷偏移量不得超过50%，锡膏的厚度则应结合印刷所使用的钢网模板而定。最佳厚度控制量应保证为钢网模板厚度±25.4μm，受限于印刷设备的自身因素，厚度控制量可适当放宽至钢网模板厚度±50.8μm。

3.4.2 表贴不良的应对及预防

对于设备长期使用造成的精度下降等问题，只有通过定期对设备进行校准、适当保养来进行管控和预防。

3.4.3 表贴温度曲线的设定

由于表贴温度曲线设定是否合理是影响BGA最终焊接良品率的最重要的因素，这一点必须要被严格控制。然而在材料、环境、状态以及器件的差异等因素综合考虑下，只能通过不断地小批量试制后，将温度曲线稳定固化。图4是无铅焊接的典型温度曲线控制示意图。

图4 无铅焊接的典型温度曲线控制示意图

4 BGA器件失效实例分析

明晰了影响BGA焊接的各项因素，了解了应对各项因素的对策或控制手段，接下来我们通过BGA生产实例来进行逐条分析，抽丝剥茧地找出实际生产中BGA所遇问题的原因并通过何种手段进行实际改进，从而达到提高BGA焊接良品率的最终目的。

4.1 BGA表贴失效实例

笔者将近年来遇到的BGA表贴失效实例进行了选择，从大量实际案例中选取了典型案例进行分析、讨论：

2017年初，某型设备的生产过程中，设备整机调试初测正常，应力筛选试验后对设备整机进行复测时发现设备输出指标无法达到预定值。通过互换试验等手段排查后，将失效点聚焦在某无线接口单元的BGA芯片处；

4.2 BGA表贴失效问题分析过程

1、将失效BGA器件的印制板放置在X射线检查设备内，对BGA芯片进行检查，确认BGA芯片是否由于焊点不良而造成失效，若焊点控制良好，则可以确定是BGA器件自身存在问题，反之，则说明不一定是BGA器件质量问题，则需要具体原因具体分析。图5是该印制板表贴BGA的焊点X射线检查图。

图5 失效BGA的焊点X射线检查图

从该X射线检查图上我们可以看出，浅粉色为BGA的焊球、深粉色为焊盘，而浅粉色区域内存在焊锡裂纹，因此可以断定由于该焊接裂纹导致BGA焊球焊接不良，影响到最终整机设备的调试复测指标，结合设备及印制电路板初测均良好的测试结果，排除BGA器件质量问题；

2、根据从结果倒推过程的顺序，首先对BGA表贴过程进行仔细的检查，通过调取加工批次的SMT设备表贴温度曲线表、核对印制板焊盘镀层材料及BGA器件的焊球材料表明，焊接的温度控制曲线完全符合无铅焊接所需的温度控制曲线，因此将表贴温度控制不良的因素排除；

3、检查SMT设备的保养记录，发现设备保养时间是该批次印制板焊接前的3天，表贴印刷设备精度受控，因此将设备表贴不良因素也排除；

4、调取SMT表贴生产印刷过程检验记录，表明表贴过程的印刷结果受控，因此将表贴印刷因素排除；

5、调取生产前的物料领取记录、存储记录，表明生产用BGA器件、印制电路板的存储及使用均符合要求，至此将生产过程中可能影响焊接质量的相关要求均排除；

6、通过调取、检查还未焊接的印制电路板，确认BGA焊盘的通孔均塞孔良好，排除通孔塞孔因素；

7、BGA焊盘四周的油墨丝印清晰、无破损模糊的现象，因此将印制板加工因素排除；

8、检查印制电路板上的BGA焊盘镀层材质，为最常规的浸银焊盘，因此将镀层因素排除；

9、检查BGA焊盘与BGA器件焊球的尺寸比例，同样符合尺寸标准，因此将BGA焊盘尺寸设计因素排除；

10、检查BGA焊盘在印制电路板上的放置位置，该BGA焊盘被放置在了印制板的长边居中的位置上，该位置附近不存在受力点，也不在印制电路板的对角线上，同时BGA四周的印制电路走线分布也较为均匀，排除印制板焊盘位置设计因素。

经过上述排查分析，排查进入了怪圈，似乎不存在任何BGA焊接不良的因素。对此检查人员扩展了检查思路：从失效过程看，印制电路板的单板测试以及装入整机后的初步测试均指标良好，因此我们可以假定在前两个测试环节时，失效BGA还并未失效，真正失效是发生在整机设备的应力筛选过程中。

顺着这一检查思路，将印制电路板放入整机环境进行仔细的检查及思考后，发现导致BGA器件失效的因素可能定位在印制电路板间的装配配合上。该失效BGA的印制电路板长约22cm左右，其中一侧长边存在一个与其他印制电路板插接的连接器，另一侧长边没有，整个印制电路板的紧固螺钉被设置在印制板的四个直角位置上。当该印制电路板被插接紧固后，没有插接连接器的一侧长边相对于另一侧插接连接器的长边在应力筛选时较易收到弯曲应力，而恰好该失效BGA器件的焊盘就靠近无插接连接器一侧的印制板长边。这就导致了虽然印制板上BGA焊盘设计完全符合标准，但将其放置在整机环境下却依然导致BGA器件焊球与焊盘之间存在受到较大弯曲应力影响的缺陷。至此，我们可以初步将该BGA器件的失效原因定位于印制板与整机配合上存在设计不合理这一原因上。

4.3 BGA表贴失效问题解决过程

失效问题定位后，由工艺人员牵头、设计人员参与，试制加工了印制板长边加强条，将加强条装配在印制板没有连接器的长边上。通过金属构件支撑，保证印制电路板装配在整机内进行应力筛选时，未固定长边不再受到应力，从而减少BGA焊盘与BGA器件之间的弯曲应力。

该方案通过实验验证后，证实是完全可行的。印制板加装该金属构件后，通过应力筛选后不再出现整机调试无法通过的现象，问题得到解决。

5. 结束语

综上所述，影响BGA器件在SMT表面贴装生产过程内焊接质量的因素有很多，从设计布局、材料选择、工艺控制到BGA器件本身的质量管控等等因素。因此，将BGA器件表贴这一领域从设计到工艺中所有涉及的因素要点形成一套完整的管控质量体系，是非常有必要的。任何工作只有将细微之处做好、做完美，才有可能形成最终完美的结果，从而有效的保障BGA器件在SMT生产焊接的高可靠性。

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