【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第123页
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…
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
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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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效应。图7-53展示了在再流焊之后电路板上所涂
的焊膏，可以看到没有熔合的焊料颗粒，这表明
在再流焊过程中焊膏没有良好的抗氧化能力。
7.8.5.4 如何减轻HoP问题 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问题同时由多个失效模
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。
当存在HoP问题时，增加焊膏量会使HoP的发生
率减少。这可能需要在某些或所有连接盘上套
印焊膏。
影响HoP的再流焊参数为峰值温度和TAL。当处
理HoP缺陷时，增加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。影响HoP的
另一项再流焊参数为保温时间，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
应加压和干燥助焊剂。
在再流时使用氮气可减少氧化并增加SMT良率
（减少HoP）。
7.8.6 焊球悬空/未润湿开路（WO） 一个与
枕头效应类似的常见失效特征，是头没有靠在
枕头上，被称为未润湿开路或焊球悬空。这种
失效发生在封装严重翘曲时。连接盘上的焊膏
粘附于焊
球而不是保留在再流焊时它本应该在
的连接盘上。由于封装发生了翘曲，封装焊料
球和焊膏之间形成了间隙，同时焊料粘附于焊
料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，PCB连接盘上的氧
化物堆积导致了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7-54）。
存在各种因素影响焊球悬空，包括焊膏和助焊
剂类型、电路板连接盘表面处理（OSP）、连接
盘设计（SMD与MD）和内层铜布线（导热/接
地面）。为了减少焊料球悬空的出现，应该改变
焊膏的化学成分，或者增加焊膏量、或者使用
氮气；与HoP的所有解决方案相同。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，而不是焊料球将焊膏带走。
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
器件不恰当的处理导致的。这两个问题在X射线
图像中都会产生各自的特征图像。爆米花效应会
引起BGA封装在芯片之下膨胀，导致封装中央
的焊球尺寸增大（可能发生桥接），因为焊料球
在封装和电路板
之间是被压扁的（见图7-55）。
BGA翘曲比爆米花效应更不易察觉，在X射线图
像中更难探测到（见图7-56）。封装角落的翘曲
程度为最大，因而当发生翘曲时，翘曲的BGA
的X射线图像会在封装角落有大大拉长的焊料连
接。图7-56a表示了X射线图像，图7-56b表示封
图7-53 再流后板⼦上未熔融的焊料颗粒
图7-54 焊球悬空⽰例
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