【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第121页
百 分比 计算公 式 如 下，所有算 式 都与 焊 球 直 径 或 接 触 表面有关。 空 洞 直 径 百 分比 Dvoid Dball x 100 = void percentage V oid Area Contact or Ball Area x 100 = void percentage * 面 积 可 用 直 径 和 Pi 计算得出（ πr 2 ） 。 一 旦 得到空 洞 直 径 和 焊 球图 像 直 径 之 间关 系 ， 空…
用RSS和RTS组装BGA，在运用同种焊膏时，空
洞级别会非常类似。焊点中空洞百分比平均值
为（＜1%）。
7.7.1.5 再流⽓氛（氧⽓或氮⽓） 在再流焊接
工艺中，含氧量较低的空气产生较少的焊球和
PCB表面氧化。较少的氧化物会导致较少的制
程空洞，这是因为少的氧化物产生的水汽的也
减少，而水汽是大空洞形成的源头之一，并
且熔
融时会减少其它表面的氧化外壳，而这种氧化
外壳在再流焊接时会阻止空洞逸出熔融焊球。
7.7.1.6 多次再流焊循环 有时同一BGA会经历
多次再流焊循环，因为其被贴在双面电路板或
需要进行返工。多次再流焊循环之后的BGA焊点
的空洞级别远高于只进行一次再流焊的焊点空
洞级别。例如，3次再流焊之后的焊点空洞百分
比平均值大约是一次
再流焊后焊点内空洞百分
比的两倍。这是因为多次再流循环对已有焊点空
洞在熔融时提供了额外时间进行生长和扩张，
或使得小空洞合并在一起形成较大的空洞。这
种生长和合并的机理已通过每次SMT再流循环
前后的3D CT X射线图像得到确认。
7.7.1.7 连接盘表⾯处理 表面处理类型对于制
程空洞的影响仍不清楚。但是来自于表面处理电
镀作业时共沉积
的挥发性有机化合物被认为会
产生更多BGA焊点中制程空洞。尽管不同连接
盘表面处理对空洞的影响一直有争论，但这些
不同表面处理的空洞级别并不会有太大差异。
出于对质量的担忧，BGA空洞已成为电子业界
的一大焦点。对于质量问题，一些SMT工艺参
数对于BGA焊点的空洞水平很重要。例如，如
果元器件暴露在高湿度或者高温环境中，焊球
会
形成氧化壳层，这导致再流焊工艺时在焊点中
裹挟更多的气泡。显著影响焊点空洞水平的其它
SMT工艺参数包括多次再流焊和焊膏成分。为
了搞清由SMT工艺造成的空洞百分比、大小以
及位置，对BGA空洞级别的检测是很重要的。
没有数据表明 BGA空洞和可靠性之间的关系。
BGA空洞的尺寸不足以定义关于焊点疲劳寿命
的可接收标准。在X射线图像中
观察到的大尺寸
制程空洞可能不会造成显著的可靠性影响，但
是在X射线图像中无法观察到的小空洞却可能会
对可靠性产生负面影响。远离从元器件到连接
盘界面的大空洞不会影响焊点疲劳寿命，但是
处于界面的较小空洞一旦出现裂纹则会被“拉
开”。焊点中的空洞，如果数量不多时，其位置
比空洞尺寸更重要。
7.7.2 焊球中空洞的⼯艺控制标准 持续不断地
有工艺开发和控制的需求来适
应技术的变化。
随着BGA连接盘尺寸、焊球尺寸和连接盘节距
持续减小，用于生产的尺寸参数需要改变。为
了满足质量和可靠性要求，可能需要新材料和
新工艺。
从研发到制造的产品寿命的各个阶段，空洞都
是很有可能碰到的问题。维持最低的可接受空洞
标准对于确保产品满足客户期望、产品寿命和
可靠性要求是必要的。制造商需要使用工艺控
制和持续的产品改善技术以控制空洞
，这可能
会用到现成的统计过程控制和工艺改善工具。
空洞发生频率和大小的变化应该表明有工艺控
制以及工艺和材料改进的需要。空洞的控制基
准线常用来确定工艺调整的需求以控制空洞发
生频率和大小。另外，需要建立空洞大小限制。
空洞大小的确定关系到焊球。因此大小为
焊球
横截面直径25%的空洞大约是整个投影面积范围
的6%（见图7-46）。任何这样的工艺控制限制都
应当设置在与客户约定的合同承诺中。
当焊球超过一个空洞时，空洞的尺寸应相加以
计算焊球中总空洞。
IPC-7095c-7-46-cn
图7-46 连接盘与板⼦界⾯的空洞⾯积⽰例
焊料轮廓线
空洞轮廓线
0.25 d
d
IPC-7095C-C 2013年1月
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百分比计算公式如下，所有算式都与焊球直径
或接触表面有关。
空洞直径百分比
Dvoid
Dball
x 100 = void percentage
Void Area
Contact or Ball Area
x 100 = void percentage
*面积可用直径和Pi计算得出（πr
2
）。
一旦得到空洞直径和焊球图像直径之间关系，
空洞 的实际 数 量和尺寸之 间的关系就变得重
要。直径25%的差异对于较大的焊球尺寸来说并
不重要，但是当连接盘直径缩减至适应一个较
小的焊球或小BGA节距时，这种差异会变得更
重要。当空洞已确定后，这可通过确定连接到
连接盘的面积来表明。
600μm的BGA焊球图
像，带有一个25%的空洞=
(Dvoid)
2
= 22500 μm
2
(Dball)
2
= 360000 μm
2
= 6.25% 面积被空洞占据。
比较焊球面积和空洞所占面积，剩余面积265073
μm
2
（πr
2
）。
300μm的BGA焊球图像，带有一个25%的空洞=
(Dvoid)
2
= 5625 μm
2
(Dball)
2
= 90000 μm
2
= 6.25% 面积被空洞占据。
比较焊球图像面积和空洞图像面积，剩余面积
66268μm2（πr
2
）。
附录A提供了关于来料时焊球中出现的空洞(类
型A和B空洞)及组件经过组装工艺后发现的空
洞（类型C、D和E空洞）工艺改善的建议。纠
正措施指标见附录A，表A-1至表A-3。
7.7.3 ⼯艺控制标准 J-STD-001和IPC-A-610
建立了BGA组件的接受/拒收标准。这些文件提
供了合同中所用的最终接受/拒收标准。下面章
节中
识别的纠正措施是要基于空洞尺寸、空洞
位置以及空洞出现的确定方法来建立持续的工
艺改善。
空洞阐述也被定义为空洞是发生在组装到安装
结构之前，或组装发生之后。基于最终使用环
境，这项有用的信息与可靠性状况有关。采用
尺寸限制结构，可制定工艺来帮助满足客户定
义的可接受性条件（见附录A）。
7.8 焊接缺陷
7.8.1 焊料桥接 焊料
桥接是不可接受的。电
气测试、光学检验（内窥镜）或者X射线检验对
于探测焊料桥接是必要的。焊膏印刷不良、贴
装偏位、贴装后的人为“扭捏”、以及再流焊过
程中的焊料飞溅是焊料桥接的典型原因。对于
两基板间的间隙而言，如焊球太大也会造成桥
接。
7.8.2 冷焊 再流焊曲线应能达足够高的温度以
确保焊料完全融化和连接盘表面有良好润湿。
冷焊会减弱机械完整性导致电气失效或功能间
歇性失效。切片后的光学检测是检验冷焊焊点
的最好方法。
7.8.3 开路 焊点开路也是不可接受的。电气
测试、光学检验（内窥镜）或X射线检验对于探
测焊点开路是必要的。焊膏印刷不良、贴装偏
位、贴装后的人为“扭捏”是典型的与组装相
关的焊点开路的原因。共面度问题和基板可焊
接性问题也会导致开路。过度的机械应力
也会
导致焊点裂逢，引发开路。
7.8.4 受热不充分/不均匀 一个常见的工艺问
题是BGA受热不充分或不均匀，这个问题在返工
过程中很常见，但是在有大量接地层和电源层的
多层板生产中也能见到。当屏蔽元器件位于BGA
位置附近的背面时，此类问题也会出现在双面
板中。在完全再流发生之前，若有热导体将热
量从BGA传导出，则此问题就会发生。此
问题的
X射线图像的特征为：封装下不同位置的焊球大
小有差异。
加热不充分在X射线图像通常表现为封装中央或
一侧的焊料球少部分再流。加热不充分也可表
现为这些焊料球外表粗糙，这说明焊料仅有部
分发生再流，没有足够的再流时间使连接盘完
全润湿、焊球塌陷形成理想的圆球。相对于连
接盘的焊球偏
位也是加热不充分的标志，焊球
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偏位的X射线图像表征为焊球拉长，不确定有一
致的偏移方向。
45°角的X射线检测也是定位与加热不充分或不
润湿相关特征的一项有用技术。焊球应该与连接
盘接触且完全润湿以形成光滑的柱子。与不充
分加热相关的特征包括连接盘不完全润湿，或
焊料连接图像伸长，这表明焊球和焊膏并没有
熔合在一起形成单个焊点（见图7-47
和7-48）。
7.8.5 枕头效应 BGA枕头效应（HoP）焊点
定义为包含两个冶金明显块的连接点。其中一
部分由BGA焊料球形成，另一部分由已再流的
焊膏形成，它们之间不完全或没有熔融在一起。
此缺陷有许多其它名称，例如head and pillow、
head in pillow、ball in cup、ball in socket以及hidden
pillow（见图7-49）。
图7-50所示解 释 了枕头效应缺陷形成顺序。首
先，BGA放置在
印刷锡膏的印制板（PCB）连
接盘上（图7-50（a））。随着PCB上的BGA进入
再流焊炉，BGA的温度会升高，由于某些因素
如封装或／和PCB板动态弯曲的作用（图7-50
（b）），焊 球和焊膏之 间的间隙 会逐渐增大。
PCB连接盘上的焊料融化，助焊剂会覆盖了其
表面。此时焊球也开始融化，但它的表面，典型
地很少有或
根本没有助焊剂覆盖，焊料球会开
始氧化（图7-50（c）），当BGA封装开始塌陷，
焊料球再次与熔融焊膏块接触。此时，焊球和
熔融焊膏块聚合在一起，那么一个理想的焊点
就会形成。但是，如果助焊剂活性不足或焊球
表层氧化太严重，枕头效应就会出现。
7.8.5.1 动态翘曲 如果再流期间封装翘曲是由
于炉子中封装温度升高时基板和硅之
间热膨胀
系数（CTE）不匹配所导致的，则这种翘曲效
应会导致某些焊料球从板上的焊膏中抬起。当
助焊剂留在了焊盘，焊料球缺乏助焊剂，这种情
况会增加焊料球表面氧化的生长。通常当封装
翘曲是主要原因时，HoP缺陷会发生在封装翘曲
最高的区域且其相邻焊点会被拉长。图 7-51中展
示了角落严重翘曲的BGA翘起从而导致HoP
。
电路板在再流焊时会弯曲或下垂，导致封装焊
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，
多于一个焊球会显示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缺陷
的成因有着很
大的影响。由于电路板设计（铜层分布）、层压
图7-47 显⽰为不均匀受热的X射线影像 – 可观察到
下⾯的焊球⽐上⾯的焊球要⼤
图7-48 45°⾓的X射线图像，显⽰BGA其中⼀ 个⾓落
受热不⾜。
注：上部图像显⽰形状不规则的焊料结合
图7-49 枕头效应的例⼦显⽰焊球与焊膏没有熔融的
⽰意图
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