BGA芯片枕頭虛焊機理及工藝改善過程

夏 云，周寶強，呂釗巖

（海信多媒體研發中心，青島 266000）

1 枕頭缺陷定義

枕頭缺陷（Head-in-Pillow，簡稱HIP）是常見于球狀引腳柵格陣列封裝（BGA）、芯片級封裝（CSP）組件的一種失效。枕頭現象是BGA、CSP元件的錫球沒有和焊錫充分的融合，從而未能形成良好的電氣連接和機械焊點。

從切片分析看，錫膏與BGA錫球經過回流但沒有結合在一起，就像頭被安置在一個柔軟的枕頭中，通常稱為枕頭缺陷。枕頭缺陷切片如圖1所示。

圖1 枕頭缺陷（HIP）

2 枕頭缺陷的危害

虛焊有很大的隱蔽性，往往能通過功能測試，但由于焊接強度不夠在后續的測試、裝配、運輸或使用過程中有可能會發生失效，對產品質量和公司信譽都將造成很大的影響。因此枕頭缺陷危害性極大。

3 枕頭缺陷的檢測方法

3.1 切片分析法

切片分析比較直觀，在電子顯微鏡下能夠明顯的觀察到上下焊點沒有熔融在一起，存在縫隙，見圖2。

圖2 切片分析

3.2 剝離分析法

此方法是把故障芯片從PCBA上剝離開來，在顯微鏡下觀察錫球周邊比較圓潤，類似“球窩”，且沒有明顯的撕裂，見圖3。

圖3 剝離分析法

3.3 X-RAY分析法

2D X-RAY旋轉45度后，觀察焊點有拖尾的現象，呈現葫蘆狀連接，見圖4紅色箭頭處。

圖4 2D X-RAY

3D X-RAY會更加直觀，見圖5。

圖5 3D X-RAY

3.4 側面觀察法

可以利用立體顯微鏡對PCBA進行直接觀察，檢查焊點是否有枕頭現象。缺點是只能觀察BGA外圍的焊點，對于細間距BGA觀察困難。

4 枕頭缺陷形成機理

業界對HIP的發生機理有一定的爭議，一般認為由于BGA封裝翹曲、焊球氧化或污染、焊錫膏除氧化能力不足、錫膏印刷和貼裝偏移等因素，在回流焊接的加熱過程中，部分焊球與錫膏產生分離。當BGA封裝因為進一步加熱而變平整時，雖然焊錫球與熔融的錫膏重新接觸，但是焊球面新形成的氧化層（SnO、SnO2）阻止了焊球和錫膏的進一步結合。于是便形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊或假焊的焊接形狀，見圖6。

圖6 枕頭缺陷形成機理

5 枕頭缺陷要因分析

運用頭腦風暴法，借助魚骨圖，從“人、機、料、法、環”等方面分析造成BGA枕頭虛焊的原因，見圖7。

圖7 枕頭缺陷魚骨圖

能夠造成HIP缺陷的原因很多，從魚骨圖可以分析出主要影響因素有部品翹曲，焊球表面異常，助焊劑耐熱性不足，印刷少錫（錫量不足），錫膏潤濕力不足，預熱溫度過高、時間長等（見上圖中“☆”號部分），后續圍繞主要問題進行分析。

5.1 部品翹曲

元器件的封裝設計、材質都可能造成器件的翹曲。BGA封裝的載板耐溫不足時也容易在回流焊的時候發生載板翹曲變形問題，進而形成枕頭缺陷，見圖8。

圖8 BGA翹曲

可行性對策：通過更換物料，避免受潮，降低爐溫請措施減少元件變形量。

5.2 焊球表面異常（污染或氧化）

BGA在IC封裝廠完成后都會使用探針來接觸焊球做功能測試，如果探針的潔凈度沒有處理的很好，有機會將污染物沾于BGA的焊球而形成焊接不良。其次，如果BGA封裝未被妥善存放于溫濕度管控的環境內，也可能會造成本體受潮、焊球氧化。

BGA封裝廠植球時一般使用水溶性助焊劑，清洗不足時會造成殘渣附著在焊球的表面，容易腐蝕錫球。見圖9。

圖9 焊球表面污染

可行性對策：生產管控。

5.3 錫膏印刷不良

印刷于焊盤上面的錫膏量多寡不一就會造成錫膏無法接觸到焊球的可能性，并形成枕頭缺陷。另外，如果PCB定位不良或印刷參數設置不當，錫膏印刷偏離電路板的焊盤太遠、錯位，通常發生在多拼板的時候，當錫膏熔融時將無法提供足夠的焊錫形成連接，就會有機會造成枕頭缺陷。見圖10。

可行性對策：生產管控，減少偏移。

圖10 錫膏印刷不良

5.4 鋼網設計

在工藝問題中，鋼網設計可能是最重要的。不良的鋼網開孔會導致錫膏沉積不足，這會造成BGA跟錫膏接觸不良，或者沒有足夠的助焊劑來消除焊球表面的氧化物。面積比以及脫模率是兩個主要影響因素，低的脫模率會降低焊盤上的總的錫膏沉積量，可能導致助焊劑的潤濕不足，并因此造成枕頭缺陷的發生。

可行性對策：對于枕頭虛焊，增加鋼網厚度是最好的選擇，但因周邊元件影響不能增加鋼網厚度時可以考慮增加開孔面積，增加焊錫量，同步增多了助焊劑。

5.5 錫膏

錫膏中助焊劑的作用過程可以分三個部分：活化、抗氧化性及延長鋼網/粘性壽命。高活性是助焊劑中的有用部分，可以去除焊球及焊料中的氧化物；抗氧化性，例如助焊劑中高含量的松香，是很有效的，可以防止合金形成新的氧化物，這意味著將有更大的活性來防止器件的氧化。此外，由于錫膏配方的原因提高抗氧化性的同時也增加了粘性，這對于防止枕頭缺陷的產生是非常有幫助的。如果焊膏一直維持著粘性，即使器件翹曲，焊膏也會延伸并保持連續性，因而在回流時焊膏和器件會始終維持一個整體并形成單一合金。

可行性對策：錫膏助焊劑耐熱性不足和潤濕力不佳是造成的焊接枕頭缺陷的主要問題，提高錫膏中助焊劑的抗高溫性和防氧化性對防止枕頭缺陷的產生非常重要。

5.6 回流焊接曲線

當回流焊的溫度或升溫速度沒有設好時，就容易發生沒有融錫或BGA翹曲問題。長時間的高溫使錫膏活性在回流焊接時基本上消耗殆盡，此時BGA錫球表面與焊錫的接觸過程中已經失去了助焊劑的保護并且沒有熔進錫膏主體，從而形成HIP。

可行性對策：條件允許的情況下，在設置標準范圍內減少預熱時間，降低焊接溫度。

6 案例：某公司通信產品主芯片枕頭缺陷原因分析及改善

某公司通信產品發現存在約1%左右不開機，分析是主芯片M*****虛焊，經過剝離發現是主芯片枕頭缺陷，不良焊點較多，見圖11。后面我們主要考慮從部品、工藝方面進行分析和改善。

圖11 主芯片枕頭缺陷

6.1 BGA翹曲和焊球氧化測試

通過調查，發現芯片供方有二個封裝廠：TW封裝廠和SH封裝廠。TW封裝廠的芯片虛焊不良率為3%左右，SH封裝廠的芯片虛焊不良率為0。將二個封裝廠的芯片各取樣10pcs送第三方實驗室檢測，測試數據如圖12、表1。

圖12 BGA翹曲變形曲線

測試結果分析：

芯片變形距離不大，均符合小于80um的要求。

190-240度區間，TW封裝廠的芯片比SH封裝廠的芯片高溫形變大。

測量芯片焊錫球，未發現氧化以及污染的現象。

表1 BGA翹曲變形測試數據

6.2 回流焊接曲線調整

圖13 芯片封裝廠推薦

圖14 錫膏廠家推薦

圖13是封裝廠家推薦的回流焊接曲線，圖14是錫膏廠家推薦回流焊接曲線，根據推薦曲線將實際回流爐進行優化，適當減少預熱時間，減低峰值溫度。減少保溫時間不利于排除空洞，溫度設置一定要兼顧。優化后的參數設置及實際測量數據見表2和圖15。

表2 回流焊接曲線參數優化

圖15 KIC實測溫度曲線

優化后實際測量曲線符合表2的要求。

采用優化后的回流焊接溫度曲，跟蹤生產狀態，TW封裝廠芯片焊接不良率還是3%左右，無明顯改善。

6.3 增加焊錫量

目前主芯片鋼網開孔為直徑0.26mm圓（鋼網厚度0.1mm），將鋼網開孔增大至0.25mm方孔進行驗證。

0.25mm方形開孔理論印刷錫膏面積比0.26mm圓形大，有利于增加焊錫量，面積比（AR）二者比較接近，焊錫實際體積增加13.6%。見表3。

表3 0.25方孔與0.26圓孔對比

0.25mm方形開孔體積：0.05608*0.0931345 mm3

0.26mm圓孔開孔體積：0.04902*0.0852583 mm3

0.25mm方形開孔（倒圓角）試驗結果：錫膏體積增加24.97%。

使用0.25mm方形開孔的鋼網，連續跟蹤生產10k，TW封裝廠的芯片虛焊率2.7%，稍有改善但不明顯。

6.4 錫膏抗氧化不足

目前我們使用的錫膏型號是S品牌M**，其成分Sn-1.0Ag-0.7Cu-Bi-In，類型Type4。本錫膏主要特點是在降低Ag含量的同時，增加了Bi和In元素，成本上比較有優勢。M**的助焊劑型號為LS720，在現在的錫膏中抗氧化性一般，更換成分為SAC305抗氧化性比較強的S***進行驗證。

驗證結果如下：

使用同批次的TW封裝廠供應的M*****芯片，批次號E1517。M**與S***錫膏各生產1000pcs對比，見表4。

表4 M**與S***錫膏對比

實驗結果分析：

使用M* *錫膏，CPU虛焊率3%。

使用S***錫膏，CPU虛焊率0%。

S***錫膏對改善TW封裝廠芯片虛焊效果較好。

6.5 其他

還有一些其他的方法增加抗氧化性及活性，如氮氣回流，增加助焊劑，焊膏浸蘸工藝等。

氮氣回流不會去除器件上已有的氧化物和氫氧化物，但可以預防在回流過程中增加氧化物的形成。

助焊劑或焊膏浸蘸是可行的選擇，因為這直接在器件上增加了活性物質，而不是等著板子上的助焊劑來去除。但這種操作增加了焊接工藝和生產成本，不能長期有效實施，在有其他改善措施的情況下不建議采用。

7 結束語

BGA枕頭缺陷一般是由多種影響因素綜合作用形成的，在分析和解決問題的時候，要抓住主要影響因素。本案例中主芯片虛焊通過分析以及驗證實驗，初步形成以下結論：

（1）M*****虛焊為枕頭缺陷（HIP）。

（2）測試芯片高溫形變均沒有超出80um，但TW封裝廠的芯片高溫形變比SH封裝廠的芯片大。芯片測量20pcs未發現錫球異物。

（3）S***焊錫膏焊抗枕頭缺陷能力比目前使用的M**好，能夠較好的解決TW封裝廠芯片的HIP虛焊。對于HIP的解決，更換抗氧化性較高的錫膏是最好的選擇。

（4）調整爐溫曲線對解決芯片枕頭缺陷改善效果不明顯。

（5）增加焊錫量對于HIP稍有改善，適當增加鋼網厚度可以抑制枕頭焊點的發生。

（6）條件允許建議增加氮氣焊接，減少錫球氧化幾率。