前言 枕头效应(Head-in-Pillow, HIP),最近有人开始称之为HoP(Head-of-Pillow),不论是HIP或HoP两者指的都是BGA焊点的不良现象,就类似一个人把头靠在枕头上的形状而得名。 枕头效应(Head-in-Pillow,HIP)最主要是用来描述电路板的BGA零件在回焊(Reflow)的高温过程中,BGA载板或是电路板因为受不了高温而发生板弯、板翘(warpage)或是其他原因变形,使得BGA的锡球(ball)与印刷在电路板上的锡膏分离,当电路板经过高温「回焊区(reflow zone)」后温度渐渐下降冷却,这时IC载板与电路板的变形量也慢慢回复到变形前的状况(有些情况下变形会回不去),但这时的温度早已低于锡球与锡膏的熔锡温度了,也就是说锡球与锡膏早就已经从熔融状态再度凝结回固态。当BGA的载板与电路板的翘曲慢慢恢复回到变形前的形状时,已经变回固态的锡球与锡膏才又再次互相接触,于是便形成类似一颗头靠在枕头上的虚焊或假焊的焊接形状。 如何检测HIP(Head-In-Pillow)焊接不良 依照上述的理论,枕头效应(HIP)大部分应该都会发生在BGA零件的边缘,尤其是四个角落的位置,因为那里的翘曲最为严重,如果是这样,就可以试着使用显微镜或是光纤内视镜来观察,但通常这样只能看到最外面的两排锡球,再往内就很难辨认了,而且这样观察BGA的锡球还得确保其旁边没有高零件挡住视线,以现在电路板的高密度设计,执行起来限制颇多。 另外,枕头效应(HIP)一般也很难从现在的2DX-Ray检查机发现得到,因为X-Ray大多只能由上往下检查,看不出来BGA锡球断头的位置,如果可以有上下旋转角度的X-Ray应该可以观察得出来。有些时候或许可以经由板内测试(ICT, In Circuit Test)及功能测试(FVT, FunctionVerification Test)检测出来,因为这类机器通常使用针床的作业方式,需要添加额外的外界压力于电路板上,让原本互相挨着的锡球与锡膏有机会分开,但还是会有许多的不良品流到市场,通常这类不良品很快的就会被客户发现有功能上的问题而遭到退货,所以如何防治枕头效应的发生实为SMT的重要课题。 另外,也可以考虑透过烧机(Burn/In)的方式来筛选出有HIP的板子(如果单板烧机要加温度),因为烧机的时候会有升高板子的温度,温度会让板子变形,板子有变形,空/假焊的焊点就有机会浮现出来,所以烧机的时候还得加上程序作自我诊断测试,如果HIP的位置不在程序测试的线路上,就查不出来了。 目前比较可靠可以分析HIP不良现象的方法是使用染红试验(Red Dye Penetration),以及微切片分析(Cross Section),但这两种方法都属于破坏性检测,所以非到必要不建议使用。 新近【3DX-Ray CT】的技术有了突破,可以有效的检查到这类HIP或是NWO(Non-Wet-Open)焊接缺点,而且也慢慢普及了起来,但机台的费用还是不够便宜就是了。 发生HIP(Head-In-Pillow)的可能原因与机理 枕头效应虽然是在回流焊期间所发生的,但其真正形成枕头效应的原因则可以追溯到材料不良,而在电路板组装工厂端则可以追溯到锡膏的印刷,贴件/贴片的准确度及回焊炉的温度设定…等。 底下是几个形成枕头效应(HIP)缺点的可能原因: 1、BGA封裝(Package) 如果同一个BGA的封装有大小不一的焊球(solderball)存在,较小的锡球就容易出现枕头效应的缺点。 (warpage of substrate, inconsistent bump size) 2、锡膏印刷(Solder paste printing) 锡膏印刷于焊垫上面的锡膏量多寡不一,或是电路板上有所谓的导通孔在垫(Vias-in-pad),就会造成锡膏无法接触到焊球的可能性,并形成枕头效应。 (insufficient solder paste volume, printing misalignment) 3、贴片机的精度不足(Pick&Place) 贴片机如果精度不足或是置件时XY位置及角度没有调好,也会发生BGA的焊球与焊垫错位的问题。 4、回流焊温度(Reflow profile) 当回流焊(reflow)的温度或升温速度没有设好时,就容易发生没有融锡或是发生电路板及BGA载板板弯或板翘…等问题,这些都会形成HIP。可以参考BGA同时空焊及短路可能的原因一文,了解BGA载板与电路板因为CTE的差异过大,以及TAL(Time Above Liquids)过长,而造成的板弯板翘所形成的BGA空焊及短路的分析。 5、焊球氧化(Solder ball Oxidization) 如何改善与防止HIP(Head-In-Pillow)焊接不良 既然已经知道HIP形成的原因最主要来自电路板的FR-4以及IC载板高温变形,所以要防止或避免HIP发生就有两个方向可以进行。 方法一:是提高电路板板材及IC载板的刚性。一般会才用较高(Tg≥ 170℃)的材料,不过费用也会跟着提高。一般无铅制程电路Tg板的材质使用中Tg(Tg≥150℃)。 方法二:是增加锡膏量来填补电路板及IC载板因为高温翘曲所形成的间隙,也就是在所有的回焊过程中让BGA锡球与印刷在电路板上的锡膏都保持接触的状态,不过要小心锡膏量如果增加太多反而会造成焊接短路的问题,不可不慎。 |
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