摘要：研究了不同焊膏 （阿尔法 3 号粉 OM5100、 铟泰锡膏 RMA-3 号粉 Lot： PSS019452 和 Alpha-FryTM 型号 Lot： 80529053） 和不同焊接工艺曲线参数 （不同链速、 不同温度） 对 BGA 焊点中孔洞尺寸和焊料组织

基于焊接工艺优化的混装 BGA 焊点孔洞研究

韩立帅， 王玉忠

（工业和信息化部电子第五研究所）

摘要：

研究了不同焊膏 （阿尔法 3 号粉 OM5100、 铟泰锡膏 RMA-3 号粉 Lot： PSS019452 和 Alpha-FryTM 型号 Lot： 80529053） 和不同焊接工艺曲线参数 （不同链速、 不同温度） 对 BGA 焊点中孔洞尺寸和焊料组织均匀性影响。 通过对比分析得到以下结论： 采用 Lot： PSS019452 和 Lot： 80529053 锡膏进行焊接后 BGA 焊点中空洞分布得到明显的改善， 并且空洞体积也较小； 混装焊接工艺曲线参数中链速设置为 70～90 cm/min， 温度设置为 260～270 ℃时， BGA 焊点中孔洞较小， 焊点组织比较均匀。

0 引言

随着电子产品朝小型化、 便携化和高集成化方向发展， 对芯片的尺寸要求也越来越小， 与传统的封装 形式 相 比 ， 焊 球 阵 列 封装 （BGA： Ball Grid Array） 芯片具备封装尺寸小、 I/O 数多、 电性能更好和贴装成品率更高等优点， 因此被广泛地应用于工程项目中。 焊点是产品互联结构中的重要组成部分， BGA 封装焊点以阵列的形式排布在芯片下方 ，直 接 承 担 着 机械 支 撑 、 电 气 连 接 和 散 热 作 用。

同 时 ， BGA 封装 元器 件 在 组 装 生 产过 程 中 ，由于材料和工艺水平等因素的限制， 焊接完成后会产生各类缺陷。 有研究表明， 焊点孔洞占 BGA 焊点总缺陷的 22% [1]， 对 于 行 业 内 相 关 验 收 标准 总结 ， 孔 洞 面 积 比 在 15%~25%的范 围内 可 以 接 受 ，而 过大 的 孔 洞 是 有 害 的[2]。 印 制 电 路板 协 会 制 定的 IPC 610D 中规定焊点中 25%或以下的孔洞比是可 以 接 受 的[3]。 国内 外学 者 对 孔 洞 带 来 的可 靠 性影响进行了研究，例如： Mohammad Yunus [4] 等 人 通过 扭 转 测 试和 热循 环 测 试 来研 究孔洞对 BGA 焊 点寿命 的 影响 ；Ladani L J [5] 等人通过 有 限 元 仿 真分 析研 究 了 不 同孔 洞 面 积 比 对 焊点 寿命 的 影响 ；国内 学 者 进行 了热 循 环 载 荷 条件下不同位置和尺寸的孔洞对焊点的热疲劳寿命影响研究 [6-11]。 由于孔洞在焊点中的隐蔽性高、 难以发现， 在实际的工作过程中可能会对产品的可靠性带来 影响 ， 因 此 ， 通过 优 化 焊 接 工 艺 的方 式来 避免BGA 焊点中产生较大的孔洞是极其必要的。

1 BGA 空洞率摸底

本文对经过混装工艺焊接后 BGA 焊点孔洞尺寸和微观组织均匀性进行了研究。 本次研究的芯片为 ALTERA 公司 P2C35F67218N 型 26×26 全 阵 列无 铅 BGA 封装 芯 片 ， 如 图 1 所 示 。 PCB 材料 为FR4， 焊盘表面处理方式为电镀金， 焊锡膏为 SnPb阿尔法 3 号粉 OM5100。 焊接工艺温度曲线参数设置如图 2 所示。 本次回流焊设备共设置 14 个温区，最高温度为 265 ℃、 链条速度为 90 cm/min、 进风量为 500 m3/h， 各个温区的详细温度参数设置如表1 所 示 ； 同 时 ， 在 芯 片边 缘 和中 心 位 置 布 置热 电偶， 以便实时地监测板面的温度分布情况。

焊接完成后对 PCBA 组件进行工艺质量分析，参考 IPC-A-610D 《电子组件的可接受性》 对 BGA焊 点 进行 X-Ray 检 查 ， 结果 如 图 3 所 示 。 从 图 3中可以看出， 焊点中存在孔洞， 孔洞率约为 23.4%（已接近 标准 要 求 上 限 ）。 参 考 GB/T 16594、 GB/T17359 标准 ， 对 PCBA 组 件 进行 焊 点 截 面 和 SEM微观组织分析， 结果如图 4 所示。 从图 4 中可以看出， 焊点中存在孔洞， PCB 侧 IMC 厚度约为 0.9 μm，焊球中存在游离块状 IMC。

2 BGA 空洞优化

焊点中存在孔洞的主要原因是热量提供不足，焊锡膏中水气和有机物挥发时， 气体不能及时地排出而导致。 较高的回流温度使焊料合金和焊球都完全熔化而混合完全， 芯片的自对中作用将有效地纠正部分印刷及贴片偏移。

PCBA 工艺优化工作主要从 PCB 焊盘表面镀层分析、 焊膏选型对比和回流焊接曲线摸底 3 个方面开展。 在确认 PCB 焊盘镀层质量符合工艺 性要 求后， 设置典型的工艺参数， 以及选用不同的锡膏来开展焊接质量分析。

2.1 焊盘可焊性分析

本文中 PCB 焊盘表面处理为电镀金， 依据 IPCJ-STD-003B： 2007 测试对 PCB 焊盘样品进行可焊性测试， 从而确定焊盘是否符合焊接初始要求。 测试中 焊 料成 分 为 63Sn37Pb， 焊 料 温 度 为 235 ℃ 、焊接方式采用边缘浸焊测试 （时间为 3s）， 助焊剂成 分 为 松 香 25wt％、 异 丙 醇 74.85wt％、 二 乙胺 盐酸盐 0.15wt%。 可焊性测试结果如图 5 所示， 从图5 中可以看出， 焊盘表面都覆盖有连续的新的焊料层， 无明显的退润湿或不润湿等异常现象。

2.2 不同的锡膏选型对孔洞的影响

BGA 焊 球 中 存 在 空 洞 的 原 因 可 能 是 由于 焊 球发生氧化， 焊接过程中焊膏的活性不足， 焊球表面氧化层有残留， 最终导致 BGA 焊球中水气和有机溶剂不能及时地挥发， 存留在焊球中形成的。

原始 焊 接 工 艺 中 采 用 阿 尔 法 锡 膏 3 号 粉OM5100， 本次工艺优化工作中焊接温度曲线相同，分别选用铟泰锡膏 RMA-3 号粉 Lot： PSS019452 和Alpha-FryTM 型号 Lot： 80529053 进行焊接， 对焊接后的 PCBA 板卡进行工艺质量分析， 对比不同的焊膏焊接情况下， BGA 焊 球 中 空 洞 分布 和 体 积大小的区别。

焊接完成后， 对 PCBA 组件进行 X-Ray 检查，结果如图 6 所示。 从图 6 中可以看出， 采用锡膏改用 铟泰 RMA-3 号 粉 Lot： PSS019452 样 品 BGA 焊点 中 发 现 少 量 存 在 孔 洞 ， 空 洞 率最 大为 3.5%； 采用锡膏改用阿尔法 4 号粉Lot： 80529053， 空洞率最大为 11.3%。可 以 看 出 ， 采 用 此两 种 锡 膏 焊 接 后 ，BGA 焊点中的孔洞体积明显地减小。

2.3 不同的焊接温度曲线对孔洞的影响

对 于 后 向 兼 容 中 SnPb 焊 膏 与 BGA 中的SnAgCu 焊球要达到完全混合非常关键， 若在较低的回 流 温 度中 导致 焊 球 （SnAgCu） 没 有 完 全 熔 化而 SnPb 焊膏完全熔化， 焊点仅靠焊膏润湿焊球表面 而形 成 ， 这 使 得 元件 的 自 对 准 效应 很 差 ， 而 且Pb 的不完全混合焊料球中会导致焊点的可靠性差。

为了准确地掌握 BGA 焊球熔化温度范围， 选取充分合金化的 BGA 焊球进行 DSC 测试， 测试结果如图 7 所示。 测试结果表明： 在 177 ℃附近存在吸热峰， 参考相关的技术文献和合金相图， 可以确认 此 处 为 BGA 焊 球 中 所存 在的 （Sn） + （Pb） +Ag3Sn+Cu6Sn5 四 元共 晶 结 构 （熔 点 只 有 176 ℃ ）的重熔。 共晶合金有固定的熔点， 而非共晶合金的熔 化 温 度 有 个范 围 ， 上 限 是 液 相 线 ， 下 限 是 固 相线， 在这个范围内合金由液固两相组成， 这个区被叫做混沌区， 此时合金处于浆糊状态阶段。 图 7 所测混合焊点的熔化范围约为 204～217 ℃。

为了改善焊接质量 （减少焊料球中的空洞、 优化 IMC 形 貌 和分 布 ）， 焊 接 过 程 采 用 铟泰 锡 膏RMA-3 号粉 Lot： PSS019452， 分别设 置 了 6 种 回流焊接曲线制备 6 个 PCBA 组件 （编号 1#~6 #），回 流 曲 线关 键 参数 如 表 2-3 所 示 ， 对 比 在 不 同 回流温度和不同链速下对 BGA 焊点焊接后孔洞尺寸及焊料组织均匀性进行分析。

热电偶测得的 6 个 PCBA 组件芯片边缘和中间位置温度， 以及计算得出的焊料球液相时间如表 4所示。 可以看出在链条速度相同的情况下， 温度设置得越高， 热电偶探头测得的最高温度也越高； 通过测得芯片边缘与中间的温度差可以发现， 温度差与链速设置关系不显著， 同时发现 220 ℃以上液相线时间较短， 甚至达不到焊料熔化温度。

各组样品 BGA 焊点金相切片结果如图 8 所示，可以看出， 2# 与 4#、 5# 板 卡 BGA 焊 点 金 相切片信息相比可知， 温度同为 270 ℃时， 链速设置过快导致焊接温度不足， 引发 5# 焊料球中 Pb 扩散不均匀， 故链速设置应小于 100 cm/min； 1# 与 2#板卡相比可知， 链速同为 70 cm/min 时， 1# 板卡焊料球中出现 Pb 扩散不均匀的原因是温度设置过低， 导致焊接温度不足， 故最高温度应大于 250 ℃；6# 板 卡 链 速 为 90 cm/min、 温 度 为 265 ℃， 可 以看出 BGA 焊点焊后形态较好、 孔洞较小； 根据以上分 析 ， 建 议 链 速 设 置 范 围 为 70~90 cm/min， 温度处于 260~270 ℃。

3 结束语

通过对比分别采用不同锡膏焊接后焊点的空洞分布和空洞体积可得出， 采用最初的 OM5100 锡膏焊 接 工 艺质 量 最 差 （ 空 洞 较 多 且 体 积 大 ）； 采 用Lot： PSS019452 和 Lot： 80529053 锡 膏 进行 焊 接后 BGA 焊点中空洞分布得到明显的改善， 并且 空洞体积也较小。

结合应用曲线回流焊接后工艺质量分析结果，主要包括混装 BGA 焊点的微观组织均匀性、 焊球中孔洞尺寸情况等， 以及满足上述要求的情况下尽量地减少热输入 （避免较大的热变形及可能的热损伤）、 混装工艺实施的过程控制裕量等因素， 建议链 速范 围 设 置 为 70 ~90 cm/min ， 温 度范 围 设 置为 260~270 ℃。

基于 BGA 焊球中产生孔洞的机理， 从焊锡膏和焊接工艺参数的匹配优化角度可以显著地降低空洞率。

来源：半导体封装工程师之家