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摘要：BGA是现代组装技术的新概念，它的出现促进SMT（表面贴装技术）与SMD（表面贴装元器件）的发展和革新，并将成为高密度、高性能、多功能及高I/O数封装的最佳选择。本文将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，并提出一些改善BGA焊点质量的工艺改进的建议。
关键词：表面贴装技术；球栅阵列封装；焊点；X射线；质量控制；
Quality Control of BGA Solder Joint
Xian Fei
(Fiberhome Telecommunication Co., Ltd, Wuhan 430074,China)
Abstract: BGA is a new concept of contemporary assembly technology. BGA has developed and innovated the SMT/SMD since it was appeared. It is believed that BGA will be the best choice of the IC with density, high performance, multiple function and high I/Os. The acceptable criterions, solder defects and reliability of BGA solder joint are discussed here. Especially a disputed defect behave, void will be analyzed detailed. Some suggestions of improving BGA solder joint quality will be also put forward.
Keywords: SMT; BGA; Solder joint; X-ray; Quality control
随着电子产品向便携式／小型化、网络化和多媒体化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，新的高密度组装技术不断涌现，其中BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术，现在很多新产品设计时大量地应用这种器件，由于众所周知的原因，BGA焊接后焊点的质量和可靠性如何是令很多设计开发人员、组装加工人员颇为头痛的问题。由于无法用常规的目视检查BGA焊点的质量，在调试电路板发现故障时，他们经常会怀疑是BGA的焊接质量问题或BGA本身芯片的原因，那么究竟什么样的BGA焊点是合格的，什么样的缺陷会导致焊点失效或引起可靠性问题呢？本文将就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—空洞进行较为透彻的分析。
1 BGA 技术简介
BGA技术的研究始于20世纪60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到20世纪90年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。
在20世纪80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。为了适应这一要求，QFP的引脚间距目前已从1.27mm发展到了0.3mm。由于引脚间距不断缩小，I/O数不断增加，封装体积也不断加大，给电路组装生产带来了许多困难，导致成品率下降和组装成本的提高。另方面由于受器件引脚框架加工精度等制造技术的限制，0.3mm已是QFP引脚间距的极限，这都限制了组装密度的提高。于是一种先进的芯片封装BGA（Ball Grid Array）应运而生，BGA是球栅阵列的英文缩写，它的I/O端子以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面(如图1所示)，引线间距大，引线长度短，这样BGA消除了精细间距器件中由于引线而引起的共面度和翘曲的问题。BGA技术的优点是可增加I/O数和间距，消除QFP技术的高I/0数带来的生产成本和可靠性问题。
图1 BGA的I/O端子分布在封装体下面
JEDEC(电子器件工程联合会)(JC-11)的工业部门制定了BGA封装的物理标准，BGA与QFP相比的最大优点是I/O引线间距大，已注册的引线间距有1.0、1.27和1.5mm，而且目前正在推荐由1.27mm和1mm间距的BGA取代0.4mm-0.5mm的精细间距器件。
BGA器件的结构可按焊点形状分为两类：球形焊点和柱状焊点。球形焊点包括陶瓷球栅阵列 CBGA(Ceramic Ball Grid Array)、载带自动键合球栅阵列 TBGA(Tape Automatic Ball Grid Array)塑料球栅阵列PBGA(Plastic Ball Array)。CBGA、TBGA和PBGA是按封装方式的不同而划分的。柱形焊点称为CCGA(Ceramic Column Grid Array)。
BGA技术的出现是IC器件从四边引线封装到阵列焊点封装的一大进步，它实现了器件更小、引线更多，以及优良的电性能，另外还有一些超过常规组装技术的性能优势。这些性能优势包括高密度的I/O接口、良好的热耗散性能，以及能够使小型元器件具有较高的时钟频率。
由于BGA器件相对而言其间距较大，它在再流焊接过程中具有自校准的能力，所以它比相类似的其它元器件，例如QFP，操作便捷，在组装时具有高可靠性。据国外一些印刷电路板制造技术资料反映， BGA器件在使用常规的SMT工艺规程和设备进行组装生产时，能够始终如一地实现缺陷率小于20PPM（Parts Per Million，百万分率缺陷数），而与之相对应的器件，例如QFP，在组装过程中所形成的产品缺陷率至少要超过其10倍。
综上所述，BGA器件的性能和组装优于常规的元器件，但是许多生产厂家仍然不愿意投资开发大批量生产BGA器件的能力。究其原因主要是BGA器件焊接点的测试相当困难，不容易保证其质量和可靠性。
２.BGA焊接质量的检查
图2 目视观察BGA最外面一圈焊点情况
对于BGA来讲由于焊球在芯片的下面，焊接完成之后很难去判断其焊接质量。在没有检查设备的情况下，先目视观察BGA最外面一圈焊点情况（如图2所示），再将芯片对着光看，如果每一排每一列都能透过光，那么可以断定没有连焊，有时尺寸大一点的焊球也能看见。但用这种方法无法判断里面的焊点是否存在其它缺陷或焊点里面是否有空洞。要想更清楚地判断焊点的质量，必须使用Ｘ光焊点检查仪。
传统的二维Ｘ射线直射式照相设备比较便宜，但其缺点是在PCB板的两面的所有焊点都同时在一张照片上显影，对于在同一位置两面都有组件的情况下，这些焊锡形成的阴影会重迭起来，分不清是哪个面的组件，如果有缺陷的话，也分不清是哪个层的问题。这样，无法满足精确地确定焊接缺陷的要求。
另外一种HP 5DX电路板检查仪是专门用来检查焊点的Ｘ射线断层扫描检查设备。当然它不仅能够检查BGA，电路板上所有封装的焊点它都可以检查。虽然以前人们认为这种设备太昂贵，用来进行焊点的检查成本太高，但随着BGA器件的应用越来越广泛，人们已经能接受这种昂贵的设备了。
图3 Ｘ射线断层成像原理
HP 5DX采用的是Ｘ射线断层照相，通过它可以把焊接球分层，产生断层照相的效果。Ｘ射线断层照相的图片能够根据CAD原始设计数据和用户设置的参数进行自动分析焊点，它实时地进行断层扫描，能够在几十秒或２分钟之内（视电路板焊点的数量及复杂程度不同）对PCB的两面的所有组件的所有焊点进行精确的对比分析，得出焊接合格与否的结论。为什么断层扫描的Ｘ射线照相能够得到清晰度非常高的效果呢？这是由其工作原理决定的。HP 5DX系统的Ｘ射线是由位于设备上端的一个Ｘ射线管产生的。工作时，必须将电压从200V升至160KV，电流为100mA。在高电压下产生的电子束照射到金属钨上会产生Ｘ射线。这一束Ｘ射线斜着射下来，以760转／秒的速度高速旋转。同时在下面还不一个闪烁器平台也以同样的速度与Ｘ射线同步旋转。闪烁器平台实际上是一个对Ｘ光敏感的接收器。一般来讲金属，锡、铅等重金属Ｘ光不会透过，会形成深色的景象，而一般的物质则被Ｘ光穿透，什么都看不到。Ｘ光在光源与闪烁器平台之间的某一位置上聚集，出现一个聚集平面，聚集平面上的物体或图像会在闪烁器平台上形成一个清晰的图像，但不在聚集平面上的物体或图像在闪烁器平台上则被则被消除，只有一个阴影。Ｘ射线的断层成像原理如图3所示。于是对于PCB上高度不同的焊点进行断层，想要检查某一层的焊接情况，只要将这一层调整到聚集平面的位置，就会很清楚地将扫描结果展现出来。这个清晰的照片会由设备下面的Ｘ光照相机拍下来，如图4。
图4 清晰的BGA焊点
３.BGA焊点的接收标准
不管用哪种检查设备进行检查，判断焊点的质量是否合格都必须有依据。IPC-A-610C 12.2.12专门对BGA焊点的接收标准进行了定义。优选的BGA焊点的要求是焊点光滑、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置对准，无偏移或扭转，无焊锡球。
焊接完成后，优选的标准是追求的目标，但作为合格焊点的判据，还可以比上述标准要求稍微放松。如位置对准，允许BGA焊点相对于焊盘有不超过25%的偏移量，对于焊锡球也不是绝对不允许存在，但焊锡球不能大于相邻最近的两个焊球间距的25%。
４.BGA焊点的典型缺陷
BGA的典型缺陷包括：连焊、开焊、焊球丢失、空洞、大焊锡球和焊点边缘模糊。下面列举2张实际工作中遇到的Ｘ射线照片，图5是一张倾斜拍摄的BGA照片，其中正常的焊点为圆柱型，开焊焊点为圆型（红圈所示）。图6展示了BGA焊点连焊（红圈所示）。
 
图5 图 6
５.有争议的一种缺陷—空洞
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）。
图7
那么空洞一定对BGA的可靠性有负面影响吗？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ＰＣＢ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%。IPC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10%～25%的焊球面积时，应着力改进工艺，消除或减少空洞。
６.减少BGA焊点缺陷的工艺改进建议
共晶焊料的BGA在焊接过程形成焊点时，PCB板上涂覆的焊膏和器件本身的焊球要熔为一体，这个过程分为两个阶段的塌落。第一个阶段的塌落是PCB板上的焊膏先熔化，器件塌下来，第二个阶段是器件本身的焊球也熔化并与PCB板上的熔化的焊膏熔为一体，焊球再次塌落，形成一个扁圆形的焊点。
要形成完美的焊点，应注意以下几个方面：
（1）使用新鲜的焊膏，保证焊膏搅拌均匀，焊膏涂覆的位置准确，器件放置的位置准确。
（2）对于塑料封装的PBGA要在焊接前以100℃烘干6-8小时，有氮气条件的话更好。若BGA含水气过多，在回流焊过程中(锡焊熔化时)形成水蒸气喷发出来，造成锡焊材料飞溅形成焊球或连焊。
（3）回流温度曲线是一个非常重要的因素。在焊接过程中，要保证焊接曲线过渡自然，使器件均匀受热，尤其在焊接区，要保证所有焊点充分熔化。否则将会由于温度不够形成冷焊点，焊点表面粗糙，或第二次塌落阶段没有充分熔化，PCB表面的焊膏与器件本身的焊锡中间出现裂纹，造成虚焊或开焊。
（4）涂覆的焊膏量必须适当，焊膏的粘度应起到对器件暂时固定的作用，还要保证在焊料熔化的焊接过程中不连焊。通常制作BGA模板时，BGA焊点的开孔尺寸通常为焊盘尺寸的70~80%，模板厚度通常为0.15mm(6mil)。
（5）设计BGA的焊盘时一定要将所有焊点的焊盘设计成一样大，如果某些过孔必须设计到焊盘的下面，也应当到找合适的PCB制造厂，在该焊盘的位置钻孔，而不能因为钻不了那么小的过孔，就擅自将焊盘改大，这样的话焊接后大焊盘和小焊盘上的锡量不一样多，高度也不一致造成虚焊或开焊。
（6）此外，还要强调一点是关于PCB制作时的阻焊膜问题。由于阻焊膜不合格造成的焊接失败已经很多了，所以在焊接BGA之前要先检查焊盘周围的阻焊膜是否合格，要求在BGA器件焊盘2mil宽的圆周外设计阻焊掩膜。焊接面焊盘周围的过孔也一定要涂覆阻焊膜，如图8。如果制作时把阻焊膜加到了PCB的另一面就没用了。加阻焊膜的目的是为避免在焊接时空气从下面进来形成空洞，同时也可以避免焊锡从通孔中流出。
图8 BGA器件焊盘阻焊膜的设计
返修BGA是迫不得已的办法，虽然有可能修复一片焊接失败的BGA芯片，但修复一片BGA要费较长的时间，还必须有合适的焊球和能够精确对位的返修工具。植球的方法已经有不少论文在介绍了，但实际操作时植球的成功率通常不是很高。有时为了返修一片BGA要花费至少半天的时间，由此造成的资源浪费是显而易见的。即使修复好了再焊接上去，这个芯片已经承受了至少4次的回流周期，这肯定会影响焊接的可靠性，比如会加速疲劳和蠕变失效。总之，在焊接BGA之前做好充分的准备，完全有可能实现高的一次通过率，增加一次成功的把握。
7.结束语
BGA作为一种多引脚集成电路的新的封装技术，其贴装、焊接与检测在SMT技术领域中还都是新课题，需要我们在平时工作中研究总结，尽量减少或消除缺陷，不返修，这才是我们所追求的目标。
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作者简介：鲜飞（1975-），男，四川省渠县人，本科，工程师，从事表面贴装技术工作，有多篇专业论文发表。
地 址：湖北省武汉市洪山区邮科院路88号烽火通信科技公司系统部三车间
邮 编：430074
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2004-11-2 |
