【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第122页
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…
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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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。此滞后也
会使最外两
排焊球在没有助焊剂保护的情况下较长时间暴
露于高温环境中，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7-52）。
图7-52上有两个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。换言
之，为了将HoP减至最小，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 应暴露在无铅高温下以及
BGA焊球从焊膏中分离造成的焊球过度氧化带
来的焊接挑战，焊膏的特性很重要。这些无铅
焊料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缺
陷
的三个关键性质为：焊膏对于时间和温度的稳
定性、焊膏润湿性及焊膏的抗氧化性。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，在外表面发生的严重氧化也被称为葡萄
IPC-7095c-7-50-cn
图7-50 枕头效应产⽣的演变过程
时间
BGA贴装后
元器件
PCB
在保温区
在焊料熔点以上
枕头效应缺陷
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
温度
图7-51 由⾼度翘曲的封装造成的枕头效应（HoP）
图7-52 液相延时⽰例
220 ºC
时间 [秒]
dT
外部焊球
内部焊球
LTD
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