BGA元件焊点“虚焊”原因分析及控制方法

昵称47074140 2019-06-10

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随着封装技术的不断发展和用户需求的不断提升，BGA封装器件正朝着密间距、微型化方向发展，现在通常使用的BGA间距已经达到04Pitch，再小的已经达到了 0.3Pitch。特别是无铅制程的引入，给电子贴装工艺带来了新的挑战。BGA元件在回流焊接过程一直是难以掌控的因素。针对BGA在无铅回流焊接中出现虚焊的主要原因进行进一步的分析并提出几点控制方法：

1回流炉的焊接温度曲线设定

炉温曲线的设定是保证焊接质量的根本所在，温度曲线的控制点主要是预热阶段、浸润阶段、回流阶段和冷却阶段四个主要方面决定的；预热温度过高时间过长造成焊膏中助焊剂过早挥发，导致在回流过程助焊剂不足导致的虚焊；另外在回流区间峰值温度低或者回流时间短也是造成BGA虚焊的主要原因。

控制方法：

1）由于锡膏本身的成分决定了它的活化温度和熔点，所以一般情况是依据锡膏厂商推荐的温度曲线进行回流炉温度设置；

2）根据BGA元件大小、密度及PCB材质厚度、尺寸和重量来进行相应的更改；

3）炉温推荐设置：

▲预热阶段

在这一段时间内使PCB均勻受热，并刺激助焊剂活性。一般升温的速度不要过快，升温速度尽量控制在3 °C/s以下，较理想的升温速度为2 °C/so时间控制在60〜90s之间。 ▲浸润阶段

这一阶段助焊剂开始挥发。温度在150〜180 °C之间应保持80〜110 s，以便助焊剂能够充分发挥其作用。升温的速度一般在0.3〜0.50 °C/s。

▲回流阶段

这一阶段的温度已经超过焊膏的溶点温度，焊膏溶化成液体，元器件引脚上锡。该阶段中温度在220 °C以上的时间应控制在50-60 s之间。如果时间太短或过长都会造成焊接的质量问题。峰值温度控制在235〜245 °C，时间不低于10 s,这样可以增加锡膏熔融态时间，有利于锡膏焊接。

▲冷却阶段

这一阶段焊膏开始凝固，元器件被固定在线路板上。同样的是降温的速度也不能够过快，一般控制在4 °C/s以下，较理想的降温速度为3 °C/so由于过快的降温速度会造成线

路板产生冷变形，它会引起BGA外圈引脚的虚焊。以下为炉温曲线示意图：

2 BGA元件焊球和PCB焊盘的可焊性：

生产前BGA焊球和PCB焊盘如果有氧化现象，会造成焊接浸润不良和虚焊，对焊接的可靠性造成极大的隐患。

控制方法：

4）首先从BGA和PCB的源头开始控制，选择资质较好的供应商并做好入库检验工作，确保氧化的物料和PCB不能投入产线；

5）在贴片过程中常常会遇到元器件的包装被打开后无法在相应的时间内使用完毕，而且暴露的时间超过了湿敏元件湿度敏感等级规定的时间，那么在下一次使用之前为了使元器件具有良好的可焊性，我们建议对BGA元件进行烘烤。烘烤条件:温度为125 °C（REAL 物料另议），相对相湿度＜60% RH。根据封装厚度和湿敏等级定制相应的烘烤温度和时间。

6）根据MSD的湿度敏感性分级和车间寿命（Floor life）推荐如下烘烤时间表：

LEVEL							Floor Life
封装厚度/烘烤时间							Floor Life
^4.Omm	^2.Omm		LEVEL			Time	Conditions	备注
			1			Unlimited	^30°C/80%RH
			2			1 year	^30°C/60% RH	1、无限期潮湿
48 h	18h		2a		4h	4 weeks	^30°C/60% RH	敏感水平； 2、SMD防湿包装拆开后暴
48 h	24 h	^1.4mm	3		7h	168 hours	^30°C/60% RH	敏感水平； 2、SMD防湿包装拆开后暴
48 h	24 h	^1.4mm	3		7h	168 hours	^30°C/60% RH	露在相应的环
								露在相应的环
48 h	31 h			4	9h	72 hours	^30°C/60% RH	境下，SMD的
48 h	31 h		5		10 h	48 hours	^30°C/60% RH	车间寿命
48 h	37 h		5a		14 h	24 hours	^30°C/60% RH
			6			Time on label (TOL)	^30°C/60% RH	使用前必须经过烘烤

3印制板的焊盘设计及焊盘的质量；

印制板BGA焊盘绿油比焊盘开窗小、焊盘盲孔未填平导致BGA焊盘塌陷、内层埋孔未填导致会造成元件虚焊。

控制方法：

1）根据各种元器件焊点结构分析，为了满足焊点的焊接可靠性，PCB焊盘设计应确保元件焊球与焊盘有匹配的尺寸

2）绿油开窗比焊盘小导致焊盘面积小或绿油高度比焊盘高都可能导致焊接虚焊，焊盘过大或过小都会产生焊接缺陷，过大会造成连锡不良，而过小则会造成虚焊不良；阻焊层在焊盘上，焊盘铜箔直径比阻焊开孔直径大。

3）—般PCB要求表面铜厚是20〜48 um,OSP焊盘上的主要成分是由ENTEKPLUS HT药水生成的一层致密的有机保焊膜，起到维持铜面的平整性并防止铜面氧化的作用，膜

下面是铜，如裸露在空气中，焊盘表面可能有少量的c、0元素但不会影响焊接质量。

4焊膏的质量。

锡膏用量首先与锡膏质量有关，其次与钢网开孔尺寸和网板厚度都有至关重要的联系。其中任何一项的不良都会对焊接质量产生很大的影响。

控制方法：

1）焊膏是由焊料粉和助焊剂均勻混合而成的膏状焊料。其中焊料粉中锡与次要元素银和铜之间的冶金反应是决定应用温度、固化机制以及机械性能的主要因素。银和铜在合金设计中的特定配方对得到合金的机械性能是关键的，但发现熔化温度对0.5%〜3.0%的铜和 3.1%〜4.7%的银的含量变化并不敏感；最佳合金成分95.4Sn/3.1Ag/1.5Cu，在216〜217 °C 的熔化温度下几乎共晶。

焊膏助焊剂含活化剂、触变剂、树脂和溶剂等成分，具有去除铜膜及元件焊接部位氧化物的功效同时可以降低锡、铅表面张力的功效；调节焊膏的粘度以及印刷性中防止拖尾、粘连的作用；加大锡膏的粘附性，保护和防止焊后PCB再度氧化，对元件固定起到重要的作用。

品质良好的锡膏质量可以保证在连续印刷过程中锡膏粘度和触变比不出现上升，并具有稳定的粘性（如下图示

2) 保证焊膏在印刷过程中良好的脱模效果必须保证锡膏的粘度要求，需要设置合理的存储温度、使用前需要对锡膏的回温时间得到保证并进行充分搅拌；

3) 焊膏的颗粒太大对印刷不利，不容易脱模，一般在开口方向5〜7个焊球，垂直方向3-4个焊球才能保证顺利印刷。我们选择锡膏的粒度一般与贴装元件的大小和间距有关。如果PCB上元件最小为0201和0.4 Pitch的元件，选择4号粉的焊膏就可以了，如果是最小为01005或0.35 Pitch的元件，最好选择5号粉的焊膏，因为焊粉越细印刷的均匀性越好。