【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第114页
通 过 光 晕 扭 曲 空 洞 的 尺寸 。准 确 测量空 洞 的 真 实 体积 是 可 行 的， 但 需 要有程 序 且需 要一个 已 知 的参 考用于 X 射线胶片或 探 测 器 的 辐射 校 准。 BGA 空 洞 的大 小 不一 定 是确 定焊点 疲 劳 寿命 的 最 好 标准。远 离 焊点 到 元器件 连接 盘界 面的大 的工艺空 洞 可能并不 是 个 问题 ，然而位 于界 面 的 小 空 洞 ，一 旦 裂 纹 开 始 时 就 …
7.4 测试和产品验证
7.4.1 电⽓测试 电气测试常用来评估电子组
件的功能。常见的电气测试方法有两种：在线
测试（ICT）和功能测试（FT）。
ICT利用专门的针床夹具来探测已完成的组件。
这种测试方法常用来探测由制造工艺导致的故
障，也能隔离出大部分功能丧失的元器件。由
ICT所发现的故障包括焊
料桥接、焊点开路、元
器件方向错误、错件、元器件失效以及导体短
路。
另一个用法是将低成本的ICT测试设备配置在组
装线末端，将其作为制造缺陷分析仪（MDA）
来使用。在元器件贴装和焊接完毕之后，立即测
试电路板。发现的问题可立即反馈给制造端，
这样在产品组装的同时可采取纠正措施。
ICT可在组装结束时通过完整功能测试来补充
。
取决于产品类型和可接受性要求，产品功能测试
简单的可以如“通过/不通过”测试，或可像全
电路功能检查那样复杂。FT常用来快速检测组
件上的器件故障。对于无铅焊膏的较高温度，
测试连接盘或导通孔的氧化可能会增加。通常
用锡/铅合金印刷并再流焊膏可为ICT探针提供
焊后测试点。无铅焊膏的润湿并不好，可能会给
ICT带来问题。建议在工艺研发阶段进行快速试
验以了
解无铅焊膏对此工艺的影响。
7.4.2 测试覆盖 考虑到当前电子组件的复杂
度，测试的“覆盖”水平已成为业界的一大问
题。电路板或组件越复杂，完整的测试越困难。
的确，在合理的费效、时段内，即使只对组件
的合理部分进行测试可能也是困难的。
然而，将组件的测试整合到硅器件测试中也许
有帮助，这种策略并不适用于裸板。这样，测
试的挑战在于
在合理的时间范围内提供一个高
置信水平的测试覆盖。
一个有效的过程监控系统由重叠的工具，创建
一个大的覆盖范围。需要多种工具和方法，因
为单一工具或方法不能提供需要的测试覆盖。
光学检验，X-ray，SAM，ICT和FT是覆盖重叠的
例子。这些验证方法应用于监控产品和工艺，
它们不应该只用于区分产品的好与坏。
7.4.3 ⽼化测试 老化
是完整组件在应用上限
下的工作和环境测试。这种测试通常能发现比
焊点缺陷更多的与元器件相关的问题。老化测
试仍旧被应用于对元器件评估。得益于某些形
式的加速试验暴露筛选出元器件的边际失效，
对电子组件的老化测试正在减少。
7.4.4 产品筛选测试 环境应力筛选（ESS）被
用来在持续生产筛选低劣产品质量以及潜在缺
陷。ESS的目的在于
将潜在缺陷加速转化为实际
失效，以消除这些潜在缺陷造成现场失效。ESS
程序必须十分小心，不能过于严酷而损害好的
产品并产生新的潜在缺陷。BGA焊接疲劳寿命
应当由这些ESS测试的热循环、其它测试以及运
行寿命热环境来评估。
7.5 空洞识别 BGA组件连接工艺所允许的空
洞程度及其对可靠性的影响是电子业界成员感
兴趣
的。最终产品可接受的详细要求应当符合J-
STD-001；工艺要求应当遵照IPC-A-610的要求。
本节制定了有用的工艺开发和维持标准以将空
洞的发生率降至最低。目前业界数据表明焊点
中的空洞不是个可靠性问题。实际上，组件再流
后出现空洞标志着再流焊工艺已经发生且BGA
焊球性质已发生了改变。但是，工艺工程师的
目标应该要使空洞最小化，因为空洞出现频率
过高可能意味着生产
参数需要调整。已有报导
空洞的两个原因是裹挟的助焊剂没有足够时间
从焊膏中释放，以及电路板清洗不适当留有的
污染物。空洞呈现为焊料球中较亮的区域并通
常会随机地出现在整个封装中。一些X射线系统
图7-41 ⾓落内的焊球有80-100%的染料渗透，表⽰焊
点有裂纹
2013年1月 IPC-7095C-C
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通过光晕扭曲空洞的尺寸。准确测量空洞的真
实体积是可行的，但需要有程序且需要一个已
知的参考用于X射线胶片或探测器的辐射校准。
BGA空洞的大小不一定是确定焊点疲劳寿命的
最好标准。远离焊点到元器件连接盘界面的大
的工艺空洞可能并不是个问题，然而位于界面
的小空洞，一旦裂纹开始时就会成为断裂的条
件。空洞在焊点中的位置与空洞的大小
和数量
相比是个更大的问题。通过执行本标准所建议
的设计和再流曲线，在大多数情况下最好将精
力放在识别和消除空洞形成的原因上。
7.5.1 空洞的来源 空洞可能出现在BGA焊料
球中、焊点到BGA界面中，或焊点到PCB界面
中。这些空洞有各种来源或原因。
焊点中的空洞可能来自于焊球中本身的空洞，
这是焊料球制造工艺的问题。再流焊后焊点中
的空洞可由元器件焊料球本身的空
洞诱发，或
在焊球与元器件之间的再流焊接工艺时产生。
空洞也可在BGA与PCB连接时，在PCB与球的
界面附近形成。这些空洞通常在再流焊工艺期
间，熔融焊料凝固时裹挟的助焊剂挥发物造成
的。助焊剂挥发物的来源可能是施加的助焊剂
本身（通常返工时采用），或为再流焊组装工艺
所用焊膏中含有的成分之一。
焊点空洞通常由凝固收缩、湿气和助焊剂
挥发
所致，如下文所定义：
• 收缩－在凝固时金属收缩会导致一些空洞。焊
点内部是最后凝固连接的部分，因此可能会有
空洞。
• 由湿气和污染物产生的被裹挟的气体。
• 再流焊炉温度上升时焊膏中的助焊剂分解，变
为气态。对BGA而言，气体被紧紧夹在两个
表面之间，且一般会向上升到焊点顶部形成空
洞。由于没有时间
让气体逸出焊点，温度爬升
速率高会产生更多的空洞。（温度爬升速率示
例：75°C/分钟 对比 60°C/分钟）
• 连接PBGA时，使用膏状助焊剂比焊膏产生的
空洞要少。
• 返工过程中施加过多助焊剂会引起空洞。
• 适当的炉温曲线和干净的元件可以减少焊料空
洞。
除了焊盘内导通孔结构（见6.3.5）所形成的空
洞，再流后焊点的中部至顶部（焊料球/BGA界
面）会发现一些空洞。这些是可预料到的，因为
裹挟的气泡和施加在PCB的BGA连接盘上的助
焊剂在再流焊期间会蒸发并上升。当应用的焊
膏和BGA可塌陷共晶焊球在再流焊期间融在一
起时，典型的锡/铅焊料峰值温度为210-220°C、
无铅焊料235-245°C，就会发生这种情况。
如果再流曲线循环没有足够的时间让裹挟的空
气或蒸发的助焊剂逸出，在再流焊曲线冷却区
当熔融
焊料凝固时空洞会形成。因此作为空洞
形成的贡献者，再流温度曲线的开发是极其重
要的。与焊膏制造商合作为打算导入的焊膏配
方建立再流焊曲线是重要的。
焊点中有空洞并不新奇。使用X射线设备可检测
出有引线元器件下方焊点的空洞。但是，有 引线
元器件焊点以前只是目视检查而非X射线检查，
因此隐藏的空洞从没被检测出。BGA供应商应
该在做J-STD-002表面贴装模拟测试（测试S）
前
后使用X-ray射线检查元器件，来显示可能导
致可焊性问题的异常。
空洞可能会是元器件连接盘或PCB连接盘的表
面污染、焊料球和连接盘间的金属间化合物形成
时或组装过程中助焊剂残留物未逸出的结果，
如图7-42所示。
7.5.2 空洞的分类 为了评估不同情况，基于
空洞的位置给予了特定的标识，以建立起空洞
识别的方法和为工艺改进而采取纠正措施的可
能性。细节如表
7-6所示，表中给出了BGA焊料
球结构中的空洞位置的分类标准。
IPC-7095c-7-42-cn
图7-42 ⼩空洞⼤量簇拥在焊球与连接盘间的界⾯
组装上的连
接盘图形
焊球和连接盘
界面的小空洞
IPC-7095C-C 2013年1月
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以下说明识别了五种不同的空洞类型：
类型A：收料时焊球中的空洞（封装级）
类型B：收料时焊球/封装基板界面的空洞
类型C：在板级组装工艺后，焊球中的空洞
类型D：在板级组装工艺后，焊球/封装基板界
面的空洞
类型E：在板级组装工艺后，焊球/板子基板界
面的空洞
7.5.3 BGA焊点中的空洞 焊点中有六种类型
的空洞得到识别和描述。图7-43总结了每种空洞
特性，并说明了BGA焊点
这些空洞的典型尺寸
和位置。
7.5.3.1 ⼤空洞 大空洞是焊点中最广泛出现的
空洞。它们由焊接工艺中产生的挥发性化合物
所导致。这些大空洞通常不会影响焊点可靠性，
除非它们出现在裂纹常常会传播的焊点界面区
域。
7.5.3.2 平⾯微空洞 平面微空洞是位于PCB连
接盘和焊料界面的、基本处于同一平面的一系
列小空洞
。它们是由浸银（ImAg）表面处理后
涂覆连接盘下方的铜凹坑引起的。它们并不会
影响最初的产品质量，但是会影响焊点长期的
可靠性。它们可在板子表面处理电镀过程中，
通过对浸银（ImAg）表面处理电镀溶液、微蚀
化合物以及其它关键工艺参数的严格控制来消
除。
7.5.3.3 收缩空洞 收缩空洞是由凝固过程中的
收缩导致，常见于SAC和其它无铅焊料中。它
们通常
不会出现在焊料到PCB连接盘界面的附
近，并 且不会影响焊点可靠性。这些收缩空洞可
以通过增加焊接过程中的冷却速率和避免凝固
时对连接点的扰动而使其最小化。从根本上说，
这些收缩空洞是表面裂纹，不会产生任何可靠
性问题。
7.5.3.4 微导通孔空洞 微导通孔空洞由PCB连
接盘上设计有微导通孔导致。较大的微导通孔
空洞，如果它位于封装高应力
区域的焊点中，则
会影响焊点可靠性。通过电镀将微导通孔封闭
或者通过两次印刷用焊膏完全填塞微导通孔，
可以使这些空洞的产生最小化。
表7-6 空洞分类
空洞分析 焊球内的空洞 封装交界⾯的空洞 安装表⾯界⾯的空洞
连接到PWB之前焊球内的空洞 不适用
连接到PWB后焊球内的空洞
IPC-7095c-7-43-cn
图7-43 BGA焊点内各种类型空洞的典型⼤⼩ 和位置
1
1
1
1
1
2
2
2
4
6
6
1
1
1
1
1
2
2
2
3
5
4
6
6
再流焊接后的BGA焊点
高温老化后的铜-焊料金属间化合物（IMC）
Cu
6
Sn
5
Cu
6
Sn
1: 大空洞
2: 平面微空洞
3: 收缩空洞
4: 微导通孔空洞
5: IMC微空洞
6: 针孔空洞"
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