BGA焊点的质量控制

舒维宾

摘要：在焊接过程中，在焊接过程中如果出现锡球氧化、焊锡球脱落等现象，就会降低 BGA的可靠性。因此，如何控制好 BGA焊点质量成为生产过程中亟待解决的问题。在本文中，将从 PCB设计、原材料、焊接工艺等方面对 BGA焊接过程进行分析和探讨。在此基础上，提出了减少BGA焊点空洞率、降低虚焊等质量问题的解决方案。

关键词：BGA；焊点；质量控制

引言：随着 BGA封装技术的广泛应用，其焊点的质量问题也日益突出。由于 BGA封装的特点，焊点的可靠性问题就显得尤为重要。BGA是电子元器件制造中的重要组成部分，其可靠性直接影响到整机产品的质量。

一、BGA

  BGA是一种芯片封装技术，可以直接焊在基板上，可以极大的提高生产效率，同时也解决了传统封装方式中的焊接缺陷问题。目前主流的芯片封装方式有 BGA、 SON 、 SOP 、 QFP 和 QFN 等。其中，采用 BGA封装方式的集成度相对较高，随着电子产品小型化、轻量化以及高集成化发展，采用 BGA封装方式的产品已成为主流。下面以 SMT封装中的 BGA为例进行探讨，希望能对大家的工作有所帮助。

二、BGA焊点质量的影响因素

  回流焊接工艺参数：（1）焊料的熔融温度；（2）焊接时间；（3） BGA的表面氧化程度；（4）焊料的润湿性。BGA焊接生产设备设备：（1）印刷速度；（2）刮刀压力；（3）印刷厚度；（4）钢网开孔方式。焊料：（1）焊料的质量、存放条件和保存时间；（2）焊料的活性、残留及再分散性。BGA材料：（1）锡球间距；（2）锡球直径；（3）锡球氧化程度。PCB设计：（1）BGA元件排列方式、（2）焊盘间距、（3）焊盘尺寸、（4）走线方式、（5）焊盘盘中孔的填充方式等。印刷工艺参数：（1）锡含量、（2）印刷速度、（3）显影速度等。[1]

三、BGA焊点的质量控制

（一）PCB设计

  PCB设计是实现 BGA焊接的前提和基础，设计中主要从以下几个方面来考虑：（1）电路板的结构和布局设计，为了保证BGA焊点和PCB板间的结合性， PCB板的结构和布局应尽可能满足 BGA的焊接要求。（2）PCB板上元件之间的距离应大于5 mm，利于生产实现。（3）设置合理的 PCB板层数和层数布置可以使元器件与电路板的结合性更好，有利于 BGA焊点的焊接。（4）PCB板上各元器件的布局应力求均匀，并且尽可能地远离其他元器件，以减少外界因素对BGA焊点的影响。（6）在元件布局时应考虑元件间的间距，对于精度较高的电子元件，还应注意各元件间的距离。（7）在印制板上合理地布置元件，可减少元器件之间相互干涉，从而减少 BGA焊点空洞率、虚焊等质量问题。

（二）原材料

  1.焊料的选择在整个 BGA焊点质量控制中，最关键的是选择合适的焊料。通常情况下，可选择有铅焊料、无铅焊料等。其中，有铅焊料中的Sn-Pb-Cu-Ni四元合金是比较理想的焊料，具有较好的流动性，具有良好的润湿性和分散性，焊接效果好，价格相对较低。但是，有铅焊料对温度敏感性较高，当温度超过183℃时，会形成Sn-Pb化合物，导致锡球表面脱落。因此，应根据具体情况选择合适的焊料。2.焊料是保证 BGA焊点质量的关键之一。在焊接过程中，焊料能够起到保护BGA焊点质量地作用。但是，在实际生产中，焊料也会产生一些问题。如焊料中含有有机物、氯化物、有机酸和无机酸等对金属有腐蚀性物质；此外，焊料中还含有一些有毒物质如二茂铁、三氯乙烯和铅等。因此，在实际生产中应选择无毒环保的焊料。[2]

（三）焊接工艺

  （1）焊接温度是影响 BGA焊点质量的主要因素之一，过高的焊接温度会导致焊锡球表面氧化，失去光泽，同时会降低焊锡球与焊盘间的润湿性，使其失去结合性；过低的焊接温度则会导致 BGA焊点强度降低、焊点空洞率增大。（2）焊接时间对 BGA焊点质量影响也很大。较高的焊接速度可以使焊料与 PCB板更紧密贴合，从而提高其可靠性。但是，如果焊接速度过快，就会导致锡球表面氧化、焊锡球脱落等现象。（4）焊接时间：在 BGA焊点工艺中，在焊接过程中增加一个预热时间对减少焊点空洞率非常有效。但是过长的预热时间又会引起焊料失效。（5）回流温度是影响 BGA焊点质量的重要因素之一。在实际生产中，一般通过调整回流温度来控制 BGA焊点质量。但是，如果回流温度过高，则会导致 BGA焊点表面氧化和空洞率增加。

（四）焊点空洞率

  BGA焊点空洞率是指在焊点中所出现的空洞体积与焊点总体积的比值。由于 BGA焊点空洞率的控制非常重要，所以本文主要从机械因素、温度因素、回流时间、焊料及工艺参数等方面来分析和说明焊点空洞率的影响因素。机械因素： BGA焊盘尺寸过小，焊料在流动时，焊料颗粒之间的缝隙大于其尺寸，因此会产生较大的焊料球，所以焊点空洞率就较高。温度因素：

焊料工作温度范围为60~130℃

工作温度范围为60~130℃，如果温度过高会使焊料熔化速度加快，焊料颗粒之间的间隙会增大，从而导致焊点空洞率增加。回流时间过短，锡膏在回流过程中形成的非均匀温度分布不能得到充分的消除，从而导致焊点空洞率增加。焊料：焊料在使用过程中的挥发、分解、氧化及脱落，也会造成焊点空洞率的增加。如焊料中的某些活性成分如有机化合物、氧化铅等会与锡膏中的氧化物发生反应，造成焊料氧化，形成氧化锡。另外，焊料中的有机溶剂在回流过程中也会挥发掉一部分。因此，我们应根据产品特性选用合适的焊料，并应注意在使用过程中焊料的选择及添加方式。工艺参数：温度、湿度、压力等工艺参数是影响 BGA焊点质量的重要因素。温度过高或过低都会使焊接质量变差，如焊接时温度太高，会导致焊接界面熔化，在 BGA上形成较大的焊料球；温度过低，则会降低焊接界面熔化速度。

（五）焊点的氧化

  焊点氧化是 BGA焊接过程中比较常见的问题，尤其在高温焊接过程中，焊点的氧化问题更严重。从 PCB板、焊料到焊点，各个环节都可能造成氧化，其中焊点的氧化对 BGA焊接质量影响最大。氧化的原因是多方面的，既有 PCB板金属层或基板材料的原因，也有焊料的原因，还与环境等其他因素有关。焊接过程中，焊料在高温下与金属表面的化学作用会引起锡球表面金属氧化物的形成。一般来说，如果在 BGA焊接过程中锡球没有足够的时间与焊料和基板发生反应，则锡球表面容易形成一层致密的氧化物。如果焊接温度过高或者过低、焊料中含有过多的氧化性物质、焊料和基板存在间隙等因素都会引起锡球表面金属氧化物的形成。因此，在进行 BGA焊接时，应严格控制焊接温度和焊接时间。如果焊料中含有氧化金属元素（如铜、银等）、焊料中含有较多的氧化性物质（如二氧化钛等）或 焊料与PCB板结合性不好时，就会发生氧化。焊点与焊盘之间结合不良或存在氧化物夹杂物等缺陷也会引起焊点表面金属氧化物。

（六）焊点的质量

  BGA是一种多芯片封装技术，可以直接焊在基板上，可以极大的提高生产效率，同时也解决了传统封装方式中的焊接缺陷问题是将一个芯片的引脚与另一个芯片的引脚焊接在一起，并且采用共面焊接。BGA焊点的质量主要体现在焊接过程中是否出现氧化、虚焊和空洞。如果在焊接过程中出现氧化，就会导致焊盘和焊点出现腐蚀，破坏 BGA的可靠性。因此应该（1）选择优质的焊料。（2）设计焊点的焊接工艺规程，严格按工艺规程进行。（3）制定完善的焊点质量控制方法和措施，并严格执行。（3）焊接过程中，应保证 PCB表面的清洁，严禁在焊料表面[1]或 PCB的其它表面上进行清洗作业，应采用专门的清洗设备。（4）焊点在焊接过程中要防止变形。（5）严格执行 AOIx-Ray检验制度，必须对 BGA焊接点进行检查，发现缺陷必须立即进行整改。（6）采用合理的焊接工艺参数和技术措施，以保证焊点的质量。（7）在实际生产中要提高对 BGA焊点质量的认识，加强对焊点质量检查和控制力度。（8）做好 BGA器件在组装前的筛选和测试工作，以保证所使用器件的质量。（9）选用合适的元器件焊料，同时在生产中要对元器件焊料进行严格管理，以保证所用元器件焊料的质量。（10）加强对生产操作人员技能培训，提高操作人员对 BGA焊点质量控制和管理能力。[3]

总结：随着 BGA封装技术的发展，其焊点质量对可靠性的影响越来越大，因此，在实际生产中必须重视对 BGA焊点的质量控制。本文在分析了 BGA焊点质量影响因素的基础上，提出了控制 BGA焊点质量的措施，为进一步提高 BGA焊点的可靠性提供参考。

参考文献：

[1]王海燕,石永华,崔国涛等. BGA焊点SAC305/ENEPIG/Cu界面反应演化及力学性能的尺寸效应 [J]. 材料热处理学报, 2023, 44 (08): 211-218.

[2]孙勤润,杨雪霞,刘昭雲等. 基于有限元仿真的BGA焊点可靠性分析 [J]. 电子器件, 2022, 45 (04): 860-865.

[3]张浩敏,李晓倩,张旭武等. BGA封装的焊点失效分析 [J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2021, 39 (01): 32-38.

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