BGA空洞形成的机理及对焊点可靠性的影响_图文

1、BG A空洞形成的机理及对焊点可靠性的影响王文利,梁永生(深圳信息职业技术学院信息技术研究所广东深圳518029摘要:BG A空洞是BG A组装过程常见的工艺缺陷,系统介绍了BG A空洞形成的机理与主要影响因素,讨论了BG A空洞的接受标准及其对焊点可靠性的影响,提出了消除及减少空洞缺陷的主要措施。关键词:BG A;空洞;机理;消除;可靠性中图分类号:T N60文献标识码:A文章编号:1001-3474(200703-0157-04For mati on M echan is m of BGA Voi d andEffects on Solder Joi n t Reli a bilityW

2、ANG W en-li,L I ANG Y ong-sheng(Shenzhen I n stitute of I nfor ma ti on Technology,Shenzhen518029,Ch i n aAbstract:BG A Void is a kind of popular p r ocess defects in S MT asse mbly.For mati on mechanis m and r oot causes of BG A voids are intr oduced.Pass standards of BG A void and BG A void affect

3、s on s older j oint reliability are discussed.Then tr oubleshooting s oluti ons f or BG A void defect are p resented.Key words:BG A;Void;Mechanis m;Tr oubleshooting;ReliabilityD ocu m en t Code:AArti cle I D:1001-3474(200703-0157-04由于BG A焊球不可见,BG A焊点的检测比较困难,目前组装过程中常用的检测方法是X光自动检测,BG A空洞(Void则是X光检测中最常

4、见的一类工艺缺陷。作为非常常见的BG A焊接工艺缺陷,什么样的空洞是不可接受的、空洞形成的机理是什么、如何有效地消除空洞、空洞对焊点可靠性的影响如何,这一系列的问题都是S MT工艺工程师需要面对的。本文将系统地就此进行分析、讨论。1BG A空洞形成的机理分析从本质上来说,任何S MT焊点中出现空洞都是因为在焊接回流的融化过程中,焊球中的气体没有及时排放出去造成的,BG A焊球空洞也不例外。影响BG A焊球空洞形成的原因是多方面的,如焊膏、PCB焊盘表面处理方式、回流曲线设置、回流气氛、焊盘设计、微孔、盘中孔等,以下将分别论述。1.1焊膏对BG A空洞形成的影响在S MT工艺中,形成空洞的直接原

5、因是吸纳在熔化焊料中的助焊剂在回流过程中的分解、挥发、释放,由于排放的不通畅,导致焊点表面层金属焊料固化之后仍有气体残留在焊料中,从而形成空洞。不管是印刷焊膏的焊接方式,还是只用助焊剂的焊接方式,相关的研究结果都表明1,随着焊膏溶剂沸点的降低,BG A焊球中空洞的比例在增加。我们都知道焊膏溶剂的沸点温度远低于回流焊接的最高温度(226,共晶锡铅焊料,在回流焊接的前期焊膏溶剂就已经挥发掉了,那为什么会出现上述现象呢?图1所示的空洞形成的趋势用助焊剂的粘性指标就很容易得到解释。易挥发性的助焊剂容易产生作者简介:王文利(1971-,男,博士,工程师,主要从事表面组装、器件封装技术及工艺可靠性研究与教

6、学工作。751第28卷第3期2007年5月电子工艺技术Electr onics Pr ocess Technol ogy高粘性的残留物,而高粘性的残留物难以从融化焊料中排出,因此在融化焊料中就会存在气体释放的隐患,容易造成空洞。换句话说,焊膏溶剂挥发性对空洞形成的影响是通过残留物的粘性来起作用的。溶剂挥发性越强,助焊剂残留物就越易被吸纳,焊点就越容易形成空洞 。图1焊膏溶剂沸点对BG A 空洞比例的影响焊料影响BG A 空洞形成的另一个因素是焊料在空气中的暴露时间,随着焊膏暴露时间的增长、焊料氧化多、焊膏吸潮多,出现空洞的机率就更大。焊料金属颗粒尺寸对空洞的形成也有一定的影响,文献2研究了四种

7、目数的锡铅共晶焊料,研究结果表明随着焊料金属颗粒粉目数的增加(即焊料粉直径的减小,空洞比例有轻微的上升趋势,原因在于随着焊料颗粒尺寸的减小,焊料金属接触空气的整体表面积增大,氧化成分相应增加,导致气体释放增加和高粘性金属盐的生成,从而产生更多空洞。焊粉金属颗粒尺寸与空洞关系如图2所示 。图2焊料粉金属颗粒尺寸与BG A 焊点空洞关系1.2PCB 表面处理方式对BG A 空洞形成的影响相关的研究表明3,对于相同的组装工艺过程,不同表面处理方式的PCB 形成空洞的比例是不同的。对于无铅工艺来说,从焊点中全部空洞所占体积比来看,产生空洞体积比最高的是处理方式OSP,产生空洞体积比最低的处理方式是纯锡

8、,其他依次如图3所示。从单个最大空洞所占焊点体积比来看,单个最大空洞体积比最高的处理方式仍然是OSP,单个空洞所占体积比最低的处理方式是无铅HAS L,其他依次如图4所示。应当注意的是对于表面处理为OSP 的PCB ,当PCB 焊盘在丙酮或异丙醇中清洗后再印刷、焊接、回流,BG A 中出现空洞比例 的增加非常显著。1.3回流曲线设置对BG A 空洞形成的影响不同的回流曲线对空洞形成也有不同的影响,峰值温度较低(峰值温度205,锡铅共晶焊料,空气气氛的回流曲线比典型回流温度曲线(峰值温度226,锡铅共晶焊料,空气气氛产生的空洞少,原因是低峰值温度的回流曲线相对典型回流曲线更不容易使溶剂挥发,残留

9、的未挥发溶剂会降低助焊剂残留物的粘性,有助于助焊剂残留物从焊料中排出,从而BG A 焊球中生成空洞的机会就会少一些。如图5所示,随着溶剂沸点的增加,溶剂挥发变得困难,残留溶剂量在增加,回流曲线的影响越来越小,最终结果是两种回流曲线在对空洞形成问题上的影响越来越小、两条曲线越来越接近。1.4回流气氛对BG A 空洞形成的影响回流环境中的氧气会加速PCB 焊盘表面金属的氧化,导致焊盘的可焊性降低。当在铜或镍金属851电子工艺技术第28卷第3期上焊接时,这种现象更为明显。由于可焊性差、润湿不良的位置更容易吸收过量的助焊剂,因此更容易生成空洞。由于金属层本身就可以焊接,所以如果BG A 凸点和PCB

10、焊盘的可焊性非常好时,就不会对回流环境敏感,回流气氛对BG A 焊点空洞的形成没有影响 。图5不同回流曲线对BG A 焊点中空洞形成的影响1.5盘中孔、微孔对BG A 空洞的影响焊盘设计对空洞有相当大的影响,比如盘中孔设计、微孔设计。盘中孔设计的目的是为了满足高密度组装的要求,对于BG A 焊盘上的盘中孔,容易在靠近BG A 封装底部的位置产生大的空洞。与盘中孔类似,微孔也是在焊盘上开孔,不同之处是微孔孔径非常小且是盲孔。随着微孔技术在高密度PCB 上应用越来越多,在微孔上的BG A 焊点相对于普通焊盘上的BG A 焊点更容易出现空洞,典型的表现是空洞位于微孔开口的位置,如图6所示。2BG A

11、 焊点空洞接受标准及对焊点可靠性影响BG A 空洞一直是一个有争议的问题,一种观点认为空洞位置是一个应力集中点,会影响焊点的机械特性,降低焊点的强度、延展性、蠕变和疲劳寿命;同时也会形成过热点,降低焊点的可靠性。但另一种观点认为,空洞可以中止焊点中裂纹的扩展,对裂纹的蔓延有抑制作用。这两种观点都有一定的道理,为了更好地理解空洞对BG A 焊点可靠性的影响,可以了解一下业界公司对BG A 空洞的接受标准。I B M 公司:BG A 焊点中空洞超过20%(面积比对焊点的可靠性是有威胁的,15%(面积比为空洞允收的最大值;旭电公司:25%(面积比是可以接受的空洞最大值;戴尔公司:在温度循环失效试验中

12、,六或七个空洞(占焊点直径的20%产生50%的性能降低,四个空洞(16%面积比作为可以接受标准;摩托罗拉:从可靠性角度来看,空洞低于24%(面积比是可以接受的;通用仪器:空洞控制的上限是15%(面积比4 。图6盘中孔设计的BG A 焊点空洞总结业界公司的验收标准,比较一致的看法是:空洞在焊点中所占的比例低时可以接受;空洞比例(面积比在15%25%是可以接受的;但过多的空洞是有害的,这里所指的空洞主要指BG A 组装过程中产生的空洞,BG A 植球过程中形成的空洞是可以忽略的,因为植球过程中形成的空洞在回流焊接时往往会消失或重新分布。同时,BG A 空洞在焊点中的位置是非常重要的,界面处的空洞对

13、BG A 焊点的可靠性影响要远远大于焊点中间位置的空洞。I PC -7095A (BG A 的设计和组装工艺的实施中关于BG A 空洞接受标准要求5见表1。关于电子产品的分级标准见I PC -610系列标准。由此可见,对于不同级别的电子产品,由于产品对长期可靠性和稳定性的要求不同,可以接受的空洞标准也不同,同时空洞在焊点中的位置不同接受标准也不同。表1空洞可接受标准空洞位置C LASS I 产品C LASS II 产品C LASS III 产品空洞在焊球内部60%焊球直径或36%的焊球截面面积45%焊球直径或20%的焊球截面面积30%焊球直径或9%的焊球截面面积空洞在焊球界面处50%焊球直径或

14、25%的焊球截面面积35%焊球直径或12%的焊球截面面积20%焊球直径或4%的焊球截面面积3消除BG A 空洞的措施基于对BG A 空洞形成机理的分析和空洞接受标准,对于组装工艺过程中出现的超过BG A 焊点空洞接受标准的工艺缺陷,必须采取相应的措施进行改善,以保证焊点的质量和长期可靠性。消除或降低BG A 空洞比例采取的措施可以归纳如下:(1采用合适的回流曲线,均热时间足够,保证气体在焊点固化之前能够得到充分的释放;(2焊膏在空气中的暴露时间不易(下转第162页9512007年5月王文利等:BG A 空洞形成的机理及对焊点可靠性的影响棱条制成多间隔防护罩。安装过程中,屏蔽体被夹在印刷电路板和

15、机盖之间,当装配机盖时,原位制成的棱条被压紧以提供屏蔽。在浇铸衬垫上有最适宜的密封口面,与平的粘合的衬垫相比,它在有限的闭合力下,获得了更多的衬垫扭曲力。简单拆开外壳,就可以看到里面的零部件。它用一片板子取代了多个印刷电路板的焊接屏蔽。这项技术方便测试、校准或修理。它对于空间宝贵的手持仪器来说再理想不过了。金属基片作为屏蔽罩,可用作周边屏蔽和内部腔体屏蔽。间隔衬垫有一个薄的塑料隔栅支架,在其上模制导电橡胶。橡胶既可位于隔栅支架的内部或外部表面,又可在其顶部和底部。定制的横截面和间隔形状,考虑到了非常低的闭合力需要和对任何设计产品的完美匹配。间隔衬垫使得在印制电路板上外围设备的接地线与元器件之间

16、形成了一条低阻抗路径。对电磁干扰间隔衬垫的典型应用包括PC MC I A 卡,全球定位系统,PCS手机和个人数字助理。间隔衬垫成本低,材料浪费最小,在小屏蔽罩中易于安装。因为破坏的衬垫或盖子只是部分替换,减少了错误风险,从而提高了场的可靠性。它们适用于大容积电磁屏蔽。M I P技术也可应用于商业上或军事上满足环境密封需要的绝缘化合物。2电磁屏蔽材料的发展趋势今天,屏蔽和射频衬垫产业正在材料学、安装选择和物理设计上引发许多新的进步,以便跟上电子市场的日益变化。泡沫基产品,如超软模织物泡沫产品和它们的衍生物,如导电泡沫,已经发展成具有更低的闭合力和更好的高频屏蔽效力的产品。这些材料相对于射频屏蔽产

17、业是新的。新的和创新性的产品正在频繁出现。小型化导致了对许多电磁干扰屏蔽方面的新发展。一直在增高的频率也是产生发展需要的一个原因。常规的屏蔽和射频衬垫材料不再满足各方面的需要。可以被制成剖面极小的或者沉积在小基片上的导电橡胶正在成为对小型化艰难局面的回应。对降低成本,处理不断增加的复杂度和确保高性能的要求,使得人们开发出用途更广、性能更高的电磁屏蔽产品。M I P和旋转F I P技术使得小的复杂的衬垫具有最小的底座和卓越的屏蔽能力。无框架通风板在为人们提供一个更稳定的和节省成本的解决方案的同时,大大提高了冷却能力而又不减小屏蔽作用。参考文献:1赵福辰.电磁屏蔽材料的发展现状J.材料开发与应用,

18、2001,16(5:20-33.2王锦成.电磁屏蔽材料的屏蔽原理及研究现状J.化工新型材料,2002,30(7:16-17.3万刚,李容德.电磁屏蔽材料的进展J.安全与电磁兼容,2003,1:40-41.4Glatknowski.Electr omagnetic shielding composite comp ri2sing nanotubesP.U S:P AT,6,265,466,2001.5Courric S,Tran V H.The electr omagnetic p r operities ofpoly derivativesJ.Poly mer.1998,39(12:2399-

19、2408.(收稿日期:2007-03-20(上接第159页过长,印刷、贴片、回流焊接尽快完成,不易停留过长时间;(3焊料粉的颗粒尺寸不易过小,除非有特殊需要;(4在选择PCB表面处理方式时考虑对空洞的影响;(5保证BG A凸点和PCB 焊盘有良好的可焊性;(6对于有盘中孔、微孔的焊盘改善其可焊性、在贴片之前预填充工艺,设定合适的回流曲线使盘中孔、微孔中的溶剂、助焊剂挥发掉;(7保证PCB镀孔工艺的质量,避免镀层表面出现多孔性缺陷。4总结随着BG A封装的广泛应用,BG A空洞缺陷的分析与解决也成为困扰S MT工程师的一个问题,本文从BG A空洞缺陷形成的机理分析入手,通过对BG A空洞接受标准的分析,消除或减少空洞措施的提出、空洞对焊点可靠性的影响系统论述了BG A空洞缺陷的一系列问题,对于解决S MT组装