IPC-7095D-CHINESE NP 2019 - 第154页
IPC-7095D-W AM1 CN 2019 年 1 月 138 7.8.5.1 动态翘曲 再流期间随着炉子中封装温度升 高 ，如果封装由于基板和硅芯片之间 CTE 不匹配而产 生翘曲， 则会导致某些焊球从印制板上的焊膏中抬离。 这种情况会增加焊料球表面氧化的生长因为助焊剂留 在了焊盘 ，导致焊球缺乏助焊剂。通常当封装翘曲是 主要原因时 ， HoP 会发生在封装翘曲最大高的区域且 其相邻焊点会被拉长 。图 7-76 中展示了角落严重翘…
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可注意到图 7-72 下面的焊球比上面的焊球要大，图
7-73 显示顶部有形状不规则的焊料键合。
7.8.5 枕头效应（HoP）
BGA HoP 焊点由两个明显的
冶金块组成的焊点。其中一部分由 BGA 焊球形成，另
一部分由已再流的焊膏形成，它们之间没有完全或没
有熔融在一起。此缺陷有许多其它名称（如，head and
pillow、head in pillow、ball in cup、ball in socket 以及
hidden pillow）（见图 7-74）。
图 7-75 解释了 HoP 形成的顺序。首先，BGA 放置在
印刷有焊膏的印制板连接盘上（见图 7-75a）。随着贴
有 BGA 的印制板进入再流炉，其温度会升高，由于
某些因素（如封装和 / 或印制板动态翘曲（图 7-75b），
使得焊球和焊膏之间的间隙会逐渐增大。印制板连接
盘上的焊料融化随后助焊剂会覆盖了其表面。此时焊
球也开始融化，但它的表面通常很少有或根本没有助焊剂覆盖，焊球开始氧化（见图 7-75c）， 当 BGA 封装
开始塌陷，焊球再次与熔融焊膏块接触。如果焊球和熔融焊膏块熔合在一起，会形成一个理想的焊点（见图
7-75d）。但是，如果助焊剂活性不足或焊球表层氧化太严重，则会出现 HoP（见图 7-75e）。
B
C
component
PCB
D
E
F
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
A
IPC-7095d-7-75-cn
图 7-75 枕头效应（HoP）产生的演变过程
A– 温度
B– 时间
C–BGA 贴装后
D– 在保温区
E– 在焊料熔点之上
F–HoP 缺陷
图 7-74 显示焊球与焊膏没有熔融的枕头效应（HoP）
示例
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7.8.5.1 动态翘曲
再流期间随着炉子中封装温度升
高，如果封装由于基板和硅芯片之间 CTE 不匹配而产
生翘曲，则会导致某些焊球从印制板上的焊膏中抬离。
这种情况会增加焊料球表面氧化的生长因为助焊剂留
在了焊盘，导致焊球缺乏助焊剂。通常当封装翘曲是
主要原因时，HoP 会发生在封装翘曲最大高的区域且
其相邻焊点会被拉长。图 7-76 中展示了角落严重翘曲
的情况，其 BGA 角落已抬起从而导致 HoP。
印制板在再流焊时会弯曲或下垂，导致封装上焊球和
焊膏之间间隙增大。当电路板很薄且在再流焊时没有支撑时，板子翘曲会成为 HoP 的主要原因。通常当电路
板或封装翘曲是主要原因时，会多于一个焊球显示有 HoP 缺陷的迹象，相邻焊点也会因此被拉长。
7.8.5.2 再流焊曲线
因为温差（dT）的存在，再流焊温度曲线参数对于 HoP 成因有着很大的影响。由于印
制板设计（铜层分布）、层压板或封装材料以及封装类型和尺寸的原因，dT 可存在于单个元器件中。由于空气
流动的原因，BGA 焊球的外排和内排之间也会有 dT。
一般而言，BGA 焊球的外排温度大于内排温度，导致
外排和内排融化时间延迟。但是，即便它们融化的时
间不一样，封装的塌陷只能在内排焊球也融化后才会
发生。这种滞后也会使最外两排焊球在没有助焊剂保
护的情况下暴露于高温环境中较长时间，这会导致它
们发生氧化并因此产生 HoP。内排和外排焊球液化时
间的差异称为液相时间延迟（LTD），并且在 HoP 中
扮演着关键角色（见图 7-77）。
图 7-77 可看到两个 TAL。但是阴影区域显示的塌陷后
的 TAL 是实现理想焊点所需的最小 TAL。换种方式解
释，为了将 HoP 最小化，必须要确保实际的 TAL 足
够长以形成良好的焊点。
7.8.5.3 焊膏
为适应 BGA 焊球暴露在无铅高温下
以及焊球从焊膏中分离而造成过度氧化带来的焊接挑
战，焊膏的性质很重要。这些无铅焊料中的助焊剂化
学成分必须有足够的性能，以防止助焊剂活性在高温
下被耗竭。
影响 HoP 的三个关键特性为：
1）焊膏对于时间和温度的稳定性
2）焊膏润湿性
3）焊膏的抗氧化性
抗氧化性较低的焊膏意味着助焊剂并不能保护焊粉的
表面，外表面会发生严重的氧化（也称为葡萄效应）。
图 7-78 展示了在再流焊之后板上所印的焊膏，图片显示有未熔合的焊料颗粒，这表明在再流焊的条件下焊膏
没有良好的抗氧化能力。
图 7-76 封装严重翘曲造成的枕头效应（HoP）
220 ºC
dT
A
B
C
图 7-77 液相时间延时（LTD）示例
A– 外排焊球
B– 内排焊球
C– LTD
图 7-78 再流后印制板上未熔融的焊料颗粒
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7.8.5.4 如何减轻枕头效应（HoP）缺陷
HoP 并不是容易解决的缺陷，因为有许多失效模式能导致这种缺陷。
在许多情况下，HoP 同时由多个失效模式构成。解决此问题的最好方法应先识别需要解决的主要失效模式以消
除 HoP。
当 HoP 发生时，增加焊膏量会减少 HoP 的发生率。这可能需要在某些或所有连接盘外扩印刷焊膏。
影响 HoP 的再流焊参数为峰值温度和 TAL。当处理 HoP 缺陷时，提高 TAL 和峰值温度可减少缺陷级别，其原
理是在焊球完全塌陷和熔融后通过增加封装与焊膏接触时间来达成的。
保温时间是另一项可能影响 HoP 的再流焊参数，其影响程度取决于所用焊膏类型及其在高温环境中的表现。
遵照焊膏制造商的建议并确保在再流焊之前不应施加应力和干燥助焊剂。
在再流时使用氮气可减少氧化并增加 SMT 针对 HoP 的良率。
7.8.6 不润湿开路（NWO）/ 焊球悬空
一个与 HoP
类似的常见失效特征，被称为 NWO 或焊球悬空（也
称头没有靠在枕头上）。NWO 发生在封装严重翘曲
时，连接盘上的焊膏粘附于焊球而不是再流焊时留在
应该的连接盘上。由于封装发生了翘曲，封装焊球和
焊膏之间形成了间隙，同时焊料粘附于焊球上并与其
发生了融合。由于暴露于再流焊高温中而没有助焊剂
保护，印制板连接盘上的氧化物堆积而导致被称为焊
球悬空的开路焊点。通常来说，这种连接盘上并没有
形成金属间化合物 IMC，其外观就如同连接盘上从没
有印刷过焊膏一样（见图 7-79）。
多种因素影响焊球悬空缺陷：
• 焊膏和助焊剂类型
• 印制板连接盘表面处理（OSP）
• 印制板连接盘设计（SMD 与金属限定）
• 内部的铜层（导热 / 接地层）
为了减少焊料球悬空的出现，制造商应该改变焊膏的
化学成分，增加焊膏量或者使用氮气；可采用与 HoP
相同的所有解决方案。增加 BGA 连接盘尺寸也可减
少焊球悬空的出现概率，因为较大的焊膏面积可提供
更大的表面张力并保持住焊膏，而不是由焊球将焊膏
拉走。
7.8.7 元器件缺陷
元器件缺陷，诸如爆米花效应及
封装翘曲，通常是在再流焊前对 BGA 元器件不恰当
的操作导致的。这两个问题在 X 射线图像中会产生各
自的图像特征。
爆米花效应会引起 BGA 在芯片之下膨胀，导致封装
中心的焊球尺寸增大（可能发生桥连），因为焊球在
封装和印制板之间被挤压（见图 7-80）。
图 7-79 焊球悬空缺陷示例
图 7-80 爆米花 X 射线图像