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标签: BGA

BGA的全称Ball Grid Array(焊球阵列封装),它是在封装体基板的底部制作阵列焊球作为电路的I/O端与印刷线路板(PCB)互接。采用该项技术封装的器件是一种表面贴装器件。

焊接

焊接,,也称作熔接、镕接,是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。 焊接通过下列三种途径达成接合的目的:

焊接技术BGA  注意事宜

文档内容节选

6220主板BGA空洞分析报告 一 背景资料 1 公司预引进新的检测设备X RAY,外出考察设备供应商并携带我司生产的6220主板前往试样,带回了实照的X RAY图片,图1发现空洞面积过大,于是引发对目前回流焊接过程中对空洞的关注 pic 2 为了进一步验证BGA的空洞面积大小问题,是否存在批量不达标的品质隐患,下午又组织 去拍了X RAY图片,并对采用不同锡膏品牌生产的主板进行了对比采用SP锡膏焊接图2,采用 YT锡膏焊接图3 pic pic 二 看图解析 1 从三组图片我们不难看出,不管SP锡膏还是YT锡膏,BGA存在的空洞数量和面积都相差不 多,空洞数量在20 24个之间CPU总球数为264个,SP空洞最大面积3873,YT空洞最大面积3800,空洞 直径022MM 2 从空洞的分布范围来看,使用两种不同品牌的锡膏焊接后,BGA空洞存在的位置基本相同 ,而空洞面积超大的几个点也主要集中在:E14,E15,K14,M4,O7,O8,P7位置,见 图4 pic 三 原因分析 1在分析之前我们先了解下空洞是如何产生的 A从锡球中带来的原有空洞,在锡球的制造工艺中已经形成 ......

6220主板BGA空洞分析报告 一、 背景资料 1、 公司预引进新的检测设备X- RAY,外出考察设备供应商并携带我司生产的6220主板前往试样,带回了实照的X- RAY图片,(图1)发现空洞面积过大,于是引发对目前回流焊接过程中对空洞的关注。 [pic] 2、 为了进一步验证BGA的空洞面积大小问题,是否存在批量不达标的品质隐患,下午又组织 去拍了X- RAY图片,并对采用不同锡膏品牌生产的主板进行了对比。采用SP锡膏焊接(图2),采用 YT锡膏焊接(图3)。 [pic] [pic] 二、 看图解析 1、 从三组图片我们不难看出,不管SP锡膏还是YT锡膏,BGA存在的空洞数量和面积都相差不 多,空洞数量在20- 24个之间(CPU总球数为264个),SP空洞最大面积38.73%,YT空洞最大面积38.00%,空洞 直径0.22MM。 2、 从空洞的分布范围来看,使用两种不同品牌的锡膏焊接后,BGA空洞存在的位置基本相同 ,而空洞面积超大的几个点也主要集中在:E14,E15,K14,M4,O7,O8,P7位置,见( 图4)。 [pic] 三、 原因分析 1、在分析之前我们先了解下空洞是如何产生的。 A、从锡球中带来的原有空洞,在锡球的制造工艺中已经形成; B、焊盘中的盲孔的设计肯定会造成焊接点中的一些空洞,来从堵塞的通孔的空气膨胀, 在焊盘下熔化的锡球内形成空洞。 C、PCB与锡球界面附近的空洞通常是由不适当的回流温度曲线造成的,在回流焊接中助 焊剂蒸发,在熔化的焊锡固化期间被夹陷所引起。 D、OSP膜过厚或焊盘下的污染也可能造成界面的空洞。 我们可以通过逐步排除的方法来进行验证。 第一、查看仓库BGA来料情况,全部为真空防静电袋包装,现有SMT车间环境满足包装上 的使用注意事项,拆封条件下满足48小时内贴装,BGA吸湿和锡球本身有空洞的可能性很 小,可以排除A项原因。 第二、在20倍显微镜下观察BGA PAD,我们可以明显的看到盲孔的分布情况(图5) [pic] 把我们所拍到的X- RAY焊接空洞图片与我们BGA焊盘中的盲孔位置进行比对,发现95%以上空洞产生的位置都 在有盲空的焊盘上, [pic] 空洞分布图 盲孔分布图 (图6) 从此对比图可以得出BGA焊盘上的盲孔是空洞产生的主要原因。 第三、随着回流温度的的爬升,助焊剂得到慢慢挥发,而残留于盲孔中的助焊剂因为埋 在锡膏底部,挥发速度相对比较慢,在液相线温度到来之前,让助焊剂充分挥发,一旦 到达183℃,如果过没有充分挥发,来自堵塞的通孔的化合物的膨胀,不能冲破锡膏熔融 状态下的张力,假如回流时间不足很容易会被熔化的焊锡固化期间被夹住,在主要原因 不能改善的情况下,回流工艺曲线参数的优化,就显得尤为重要。 通常,大多数空洞是在已回流焊接点的中部到顶部(球/BGA的界面)发现的。这正如所料 ,因为夹陷的空气泡和蒸发的助焊剂在回流期间是往上跑的。如果回流曲线周期不允许 足够的时间让受夹陷的空气或蒸发的助焊剂跑出来,空洞就会在回流曲线的冷却区焊锡 固化的时候形成。因此,回流温度曲线是空洞形成的原因。 第四、通过对产线PCB板使用状况的确认和来料包装的确认,未发现异常现象,经过显微 镜的的观察,发现有个别焊盘存在颜色误差(图7),但与X- RAY图片对比后,并不产生BGA焊接后的空洞,可以得出并非焊盘氧化或受污染。 [pic] 四、对策实施与验证 1、根据分析的第二和第三点,我们尝试优化我们的回流工艺参数来改善,调整之前我们 先记录了原有的工艺参数(图8),根据锡膏特性与推荐曲线,主要的改善方案是在于达到 183度之前的175-180度之间要有足够的时间(10-15S),最高回流问题适当下调2- 3℃,改变原来采用的RSS曲线为RTS曲线。(图9) [pic] 通过调整,最高温度从236℃降低到了234℃,175-180℃的时间从原来的6S-8S提升到8S- 10S。升温斜率也下降了,保持足够的润湿效果。下面是调整后X- RAY图片(图10),空洞数量12- 19个,比原来略有减少,空洞面积最大的一个为24.4%(YT),比原先减少了14.33%,通过 工艺参数的调整不管是SP还是YT都能减少空洞数量和空洞面积。 [pic] (SP X-RAY) (YT X-RAY) (图10) 五、总结 过多过大的空洞存在对可靠性必然有影响,影响到底有多大目前业内还没有一个完全的 定论,个人认为空洞的存在至少对于BGA抗机械应力冲击是有比较大影响的,Underfill 的使用缓解了这一品质的隐患,即使我们不能完全消除空洞但将它减到最小是可能的, 所以在接受标准上设定一个界限是合理的,通过本次分析我们看到这些空洞可以通过优 化工艺参数和材料的调整来减少空洞的发生,使用明智的工艺参数可以满足空洞面积比 <25%的要求。 BGA空洞(图1、图2)会引起电流密集效应,降低焊点的机械强度。因此,从可靠性角度考 虑,应减少或降低空洞。那么,如何可以降低BGA空洞?要回答这个问题,我们有必要探 索一下空洞的形成原因。 [pic] BGA空洞的形成原因有多方面,如:焊点合金的晶体结构、PCB板的设计、印刷时,助焊 膏的沉积量、所使用的回流焊工艺等、焊球在制作过程中夹杂的空洞。 下面我们从助焊膏的层面对GBA焊点空洞的形成与防止作一些阐述,以期减少BGA焊点空 洞的形成数量。 1 炉温曲线设置不当 1) 表现在在升温段,温度上梯度设置过高,造成快速逸出的气体将BGA掀离焊盘;2)升温 段的持续时间不够长,当升温度结束时,本应挥发的气体还未完全逸出,这部分的气体 在回流阶段继续逸出,影响助焊体系在回流阶段发挥作用。 2 助焊膏溶剂搭配不当 表现在,1)在升温阶段,快速逸出的气体将BGA  撑起,造成错位与隔阂;2)在回流阶段,仍有相当数量的气体从助焊膏体系中逸出,但 受限于BGA与焊盘间的狭小空间,这些挥发气体无法顺畅地通过这个空间逸出,致使其挤 压熔融的焊点。 3 助焊膏润湿焊盘的能力不足 助焊膏对焊盘的润湿表现在它对焊盘的清洁作用。因助焊膏润湿能力不足,无法将焊盘 上的氧化层去除,或去除效果不理想,而造成虚焊。 助焊膏对BGA焊球的润湿能力不足:与助焊膏对焊盘的润湿能力不足相似,只不过,因焊 球的合金类型不同,BGA上的氧化物的电动势也就不同,这样就要求助焊膏具备适应去除 不同合金类型的氧化物的能力,若不匹配,则造成对BGA焊球的润湿能力不足,导致空洞 。 4 回流阶段助焊膏体系的表面张力过高 主要是所用的载体(主要是松香)选择不当,此外表面活性剂的选择也有关系。我们在 实验过程中发现,某些活性剂不仅可以降低助焊膏体系的表面张力,也可显著降低熔融 合金的表面张力。松香与表面活性剂的有效配合可使润湿性能充分发挥。 5 助焊膏体系的不挥发物含量偏高 不挥发物含量偏高导致BGA焊球的熔化塌陷过程中BGA下沉受阻,造成不挥发物侵蚀焊点 或焊点包裹不挥发物。 6 载体松香的选用 相对于普通锡膏体系选用具有较高软化点的松香而言,对BGA助焊膏,由于其不需要为锡 膏体系提供一个所谓的抗坍塌能力(即在锡膏印刷后直到锡膏熔化这个过程中,印刷图 形完整性的保持能力),选择具有低软化点的松香具有重要的意义。 7 松香的使用量 与锡膏体系不同,对BGA助焊膏而言,松香的使用是为各种活性剂提供载体的作用,使这 些物质在适当的时机释放出来,发挥其作用。然而,过多的松香不仅阻碍这些物质的释 放,松香本身由于其量多,当BGA焊球塌陷(即BGA焊球与其上下的焊盘发生熔焊的这个 过程)时,它却会阻碍BGA焊球的塌陷,从而造成空洞。 故,松香的使用量应比锡膏体系中松香的使用量低得多。 造成BGA空洞的另一个原因是焊接过程中的返浸润现象。这种现象的形成与助焊膏体系中 的活性物质的作用温度与作用的持续时间有关。在BGA回流焊接过程中,受重力的影响, BGA焊盘比SMT锡膏焊接更易出现这种不良现象。 在意识到这些影响因素之后,我们在研发过程中增加了相应的检测措施,如我们引入了 热重分析仪,对拟采用的材料、制作出来的助焊膏进行热学分析,直观了解这些热学特 性,并检验设计设想与实际表现间存在的差异,采取措施加以克服,以最终满足使用工 艺要求;以及开展表面张力的测量工作。在不同温度下,通过对助焊膏体系及其影响对 象的表面张力的测量,最终确定合适的表面张力范围。 以上就助焊膏引起BGA空洞的原因进行列举与探讨。与锡膏的研发类似,BGA助焊膏的研 发也是一个平衡各种影响因素的过程。虽然各个因素有个独特的作用,但就整个体系而 言,它们之间又是彼此相互作用。找到各种影响因素有助于问题的解决,而寻找解决方 案,特别是找到合适的材料才是最终的法宝。 BGA焊点的质量控制-4 5、有争议的一种缺陷目前尚存在争议的一个问题是关于BGA中空洞的接收标准。空洞问 题并不是BGA独有的。在通孔插装及表面贴装及通孔插装组件的焊点通常都可以用目视检 查看到空洞,而不用X射线。在BGA中,由于所有的焊点隐藏在封装的下面,只有使用X射 线才能检查到这些焊点。当然,用X射线不仅可以检查BGA的焊点,所有的各种各样的焊 点都可以检查,使用X射线,空洞很容易就可以检查出来,如图7(红圈所示)。     那么空洞一定对BGA的可靠性有负面影响吗,7不一定。有些人甚至说空洞对于可靠性是 有好处的。 IPC- 7095标准"实现BGA的设计和组装过程"详述了实现BGA和的设计及组装技术。IPC- 7095委员会认为有些尺寸非常小,不能完全消除的空洞可能对于可靠性是有好处的,但 是多大的尺寸应该有一个界定的标准。 5.1空洞的位置及形成原因     在BGA的焊点检查中在什么位置能发现空洞呢? BGA的焊球可以分为三个层,一个是组件层(靠近BGA组件的基板),一个是焊盘层(靠近P CB的基板),再有一个就是焊球的中间层。根据不同的情况,空洞可以发生在这三个层中 的任何一个层。     空洞是什么时候出现的呢?BGA焊球中可能本身在焊接前就带有空洞,这样在再流焊过程 完成后就形成了空洞。这可能是由于焊球制作工艺中就引入了空洞,或是PCB表面涂覆的 焊膏材料的问题导致的。另外电路板的设计也是形成空洞的一个主要原因。例如,把过 孔设计在焊盘的下面,在焊接的过程中,外界的空气通过过孔进入熔溶状态的焊球,焊 接完成冷却后焊球中就会留下空洞。     焊盘层中发生的空洞可能是由于焊盘上面印刷的焊膏中的助焊剂在再流焊接过程中挥发 ,气体从熔溶的焊料中逸出,冷却后就形成了空洞。焊盘的镀层不好或焊盘表面有污染 都可能是在焊盘层出现空洞的原因。     通常发现空洞机率最多的位置是在组件层,也就是焊球的中央到BGA基板之间的部分。这 有可能是因为PCB上面BGA的焊盘在再流焊接的过程中,存在有空气气泡和挥发的助焊剂 气体,当BGA的共晶焊球与所施加的焊膏在再流焊过程中熔为一体时形成空洞。如果再流 温度曲线在再流区时间不够长,空气气泡和助焊剂中挥发的气体来不及逸出,熔溶的焊 料已经进入冷却区变为固态,便形成了空洞。所以,再流温度曲线是形成空洞的种原因 。共晶焊料63Sn/37Pb的BGA最易出现空洞,  而成分为10Sn/90Pb的非共晶高熔点焊球的BGA,熔点为302℃,一般基本上没有空洞,这 是因为在焊膏熔化的再流焊接过程中BGA上的焊球不熔化。 5.2空洞的接收标准     空洞中的气体存在可能会在热循环过程中产生收缩和膨胀的应力作用空洞存在的地方便 会成为应力集中点,并有可能成为产生应力裂纹的根本原因。     IPC- 7095中规定空洞的接收/拒收标准主要考虑两点:就是空洞的位置及尺寸。空洞不论是 存在什么位置,是在焊料球中间或是在焊盘层或组件层,视空洞尺寸及数量不同都会造 成质量和可靠性的影响。焊球内部允许有小尺寸的焊球存在。空洞所占空间与焊球空间 的比例可以按如下方法计算:例如空洞的直径是焊球直径的50%,那么空洞所占的面积 是焊球的面积的25%。lPC标准规定的接收标准为:焊盘层的空洞不能大于10%的焊球面 积,也即空洞的直径不能超过30%的焊球直径。当焊盘层空洞的面积超过焊球面积的25 %时,就视为一种缺陷,这时空洞的存在会对焊点的机械或电的可靠性造成隐患。在焊 盘层空洞的面积在1O%~25%的焊球面积时,应着力改进工艺,消除或减少空洞。  
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