BGA 问题实例

        为避免发生安装问题以及调查和改善问题，了解回流加热过程中焊接部的形态十分重要。下图介绍用高温观察装置观察BGA封装的焊接工艺时的良好焊接实例。在此实例中，进入主加热（高于熔点）阶段时，焊锡膏熔融，焊料开始浸润焊球，当所有焊球熔融后，元件开始下沉。要获得良好的焊点，需要适当设置高于熔点的时间，从而使元件充分沉入焊料。在本实例中，封装充分沉入约需20秒。

BGA 的良好焊接过程

(1) 问题案例 1：加热不足
        下图介绍BGA封装焊接工艺中因加热不足而引起的问题案例。这是改变加热条件观察焊接部外观和断面的结果实例。
        如果峰值温度低，熔点以上的时间短，焊锡膏和焊球可能没有熔合在一起（条件1），或者即使已经熔融，也可能出现焊点形状差、焊接部高度较高的状态（条件2）。
随着峰值温度的升高，熔点以上的时间变长，焊接部的形状得到改善（条件3），通过设置适当的条件，即可达到良好的焊接形状（条件4）。

加热条件和焊点状态

(2) 问题案例 2：焊球未熔合
① 焊球未熔合的意思
        安装BGA时，如图5-11所示，可能会发生焊锡膏和焊球没有熔合在一起的现象（以下称“未熔合”）。在未熔合中，虽然焊球和焊锡膏处于未熔合的状态，但是在安装后初期还是可能具有导电性。

焊球未熔合实例

② 发生未熔合的推断机理
       下图表示发生未熔合的机理。加热封装或印刷电路板时会发生翘曲。如果此翘曲较大，焊球和焊锡膏将会分离（图中的预热工序）。如果在此状态下继续加热，焊球在高温下，表面氧化会快速（主加热工序）。此时，尽管焊剂从焊锡膏中渗出并覆盖表面，如果焊剂失去活性，在冷却工序中翘曲复原，即使与焊球发生接触也无法除去焊球表面氧化膜，从而发生未熔合（冷却工序）。

未熔合发生的推断机理

③ 未熔合的原因分析
          未熔合的发生除推断机理中列出的原因以外，还有其他几个因素。图5-13表示封装和安装因素的事故树（Fault Tree Analysis）分析实例。通常认为未熔合的发生由其中的单个原因或多个原因导致。

未熔合的事故树分析实例

④ 未熔合发生原因及安装余量
      下图为未熔合发生的原因及安装余量的关系图。因其中的一个或多个原因未熔合发生的危险增加时，安装余量将会变小。如果危险继续增加，安装余量可能会消失，导致未熔合的发生。

未熔合发生原因及安装余量

下面介绍解决问题的实例。
因素1：BGA封装/印刷电路板翘曲
加热时BGA封装以及印刷电路板发生翘曲。翘曲量很大或者两者翘曲方向不同时，焊接部的间隔会增大，焊球和焊锡膏分离，从而发生未熔合。

问题案例：推断由翘曲引起的未熔合
图5-15表示发生未熔合的安装问题产品中翘曲的调查结果。在此案例中，BGA封装和印刷电路板的BGA封
装安装区域均可看到凹形的翘曲。在D侧中心部位的BGA封装和印刷电路板的翘曲间隔最大处发生未熔合。

<解决方法实例>
1. BGA封装和印刷电路板的保管
     BGA 封装和印刷电路板受潮后，则加热时的翘曲将增大。如果发生受潮，则在规定条件下进行烘焙。

2. 印刷电路板和安装布局
     由于印刷电路板的材质、结构、配线、形状和安装布局可能会促进翘曲，请在常温和加热时确认翘曲形态。如果加热时翘曲增大，请考虑使用防止翘曲治具等方案。

翘曲引起的未熔合案例

因素2：焊球表面的氧化膜
       如果防潮包装开封后长时间放置，则焊球表面的氧化逐渐增加、氧化膜变厚，这是发生未熔合的一个原因。如下图所示，已确认即使焊球上的氧化膜会因预处理而变厚，对焊接性的影响也不大。但是如果还有其他因素（例如，焊球表面的氧化膜在回流加热期间快速生长、BGA封装以及印刷电路板翘曲等）的共同作用，则对未熔合的影响可能会增大。

■ 再现性评价案例：焊球表面氧化膜厚度和焊锡膏的焊接性
    在此案例中，尽管焊球因预处理而导致表面氧化膜增厚，其焊接性依然良好。

表面氧化膜增厚的焊球焊接性

<解决方法实例>

1. BGA封装的保管
    防潮包装开封后应保管在产品规定条件（例如 30°C 以下，70%以下）范围内，尽可能保管在低温和低湿环境中。此外，开封的产品，避免不必要的长期放置，并重新进行防潮包装。
2. 优化回流温度曲线，使用活性高的焊锡膏
    焊球的表面氧化和焊剂的活性与回流温度曲线有密切的联系。因此，应采用使所用的焊锡膏熔融时活性最佳的温度曲线。而且活性高的焊锡膏对回流加热期间焊球表面氧化膜的生长有抑 制效果。
3. BGA封装和印刷电路板翘曲的解决方法
回流期间，焊球和焊锡膏的分离将阻碍焊剂对焊球表面氧化膜的清除和二次氧化的抑制作用，从而促进焊球的表面氧化。因此，应考虑封装的受潮对策、印刷电路板的受潮对策和检查安装布局等，以抑制翘曲。

因素3：焊剂活性降低
    如果预热时间或温度超过焊锡膏制造商建议的条件，则焊剂活性降低，焊球与焊锡膏的焊接性下降。

■ 再现性评价案例：焊球与活性降低的焊锡膏的焊接性
下图为在活性显著降低的焊锡膏上贴装焊球并观察加热的案例。在加热过程中，焊锡膏中的焊剂从表面渗出，并停留在将焊球抬高的状态。焊剂失去活性时会阻碍焊接并导致未熔合。

活性降低的焊锡膏形成的焊接

<解决方法实例>
1. 确认焊锡膏保管条件
   确认保管环境和保管条件中是否遵守所用的焊锡膏制造商提供的使用注意事项。
2. 检查回流温度曲线
   确认 BGA 封装的焊接部是否在所用焊锡膏的建议条件范围内。
3. 改变回流气体介质
    氮气介质下的回流加热对防止加热中焊球表面的氧化效果显著。

4. 改变焊锡膏
   下图表示对二十种为市场有售的焊锡膏在相同条件下进行未熔合的再现评价，并比较发生率的案例。由此评价可发现未熔合发生率低的焊锡膏（焊锡膏类型 1）与未熔合发生率高的焊锡膏（类型 20）之间有 20倍的差异。即未熔合的发生率根据焊锡膏的类型不同而异。请对使用的安装条件进行评价，选择未熔合发生率低的焊锡膏。

焊锡膏类型与未熔合的发生率

因素4：主加热时间不足
       如果焊锡膏和焊球在加热过程中分离，焊球表面将被氧化。当温度超过焊料熔点、熔融的焊锡膏接触焊球时，如果焊剂活性减弱，则通常认为焊球表面的氧化膜不会迅速破坏。

■ 再现性评价案例：熔点以上的时间和焊接性
下图为焊锡膏与焊球保持分离直至达到熔点、在超过熔点时接触的条件下进行再现评价的结果。此时缩短熔点以上的加热时间（约6秒）进行观察时，发生未熔合（见图上部）。在同样的状态下，如果延长熔点以上的加热时间（约30秒），则可取得图下部所示的良好焊接。

熔点以上的时间和焊接性

<解决方法实例>

1. 检查回流温度曲线
如果熔点以上的时间短，可能会发生未熔合。如图 5-20 所示，如果延长熔点以上的时间，则未熔合的发生率可能会降低。因此，在可能的范围内延长熔点以上的时间具有一定的效果。

熔点以上的时间和未熔合的发生率

(3) 问题案例 3：焊点区域剥离（焊球脱落）
① 关于焊点区域剥离（焊球脱落）
       如果对 BGA 进行多次回流，可能会产生焊点区域剥离（以下称为焊球脱落）。关于焊球脱落的特征，如果观察焊点区域的断面，可以发现焊球与封装侧的 BGA 焊盘或印刷电路板侧的焊盘接触部分带有圆弧，看起来就像焊球脱落一样。图 5-21 所示为焊球脱落现象的实例。此外，相对于端子（焊球）排列，容易在内圆部分的端子发生焊球脱落。

焊球脱落的焊点区域断面形状观察实例

② 焊球脱落产生机理
      焊球脱落产生机理视为如下。在第 2 次及以后的回流中，焊球从外侧再次熔融。此时，在封装或印刷电路板上端子排列内圆部分的焊接间隔延伸方向如果产生翘曲，中心部分的焊球上会产生焊接剥离方向的应力。可以认为在该应力作用下，焊接表面附近会出现焊接剥离。可以推测，之后焊球将继续熔融，看起来就像脱落一样变成带有圆弧的形状。下图 所示为机理的模式图。
特别是在每次回流之间，如果封装或印刷电路板吸湿或回流温度较高，可以认为回流时封装或印刷电路板的翘曲会变大。其结果可能会导致焊球脱落更为明显。此外还会受到回流中焊接表面状态的影响，因此气体介质为氮气时比为大气时更容易产生焊球脱落。

焊球脱落产生机理推测

③ 解决方法实例
1. 防止安装后的再次熔融：进行1次回流（在第2次回流进行安装）。此外，避免在修理等时再次回流。
2. 回流气体介质：在大气中回流时，换为焊接性较好的氮气。
3. 防止吸湿：进行多次回流时，在第1次回流到最终的回流之间，做好防范管理以免封装或印刷电路板吸湿。
4. 回流温度的低温化：进行多次回流时，对于封装，在可能范围内降低第2次及以后的回流温度。