4.5 BGA组装工艺
背景
BGA（即Ball Grid Array）有多种结构，如塑封BGA（P-BGA）、倒装BGA（F-BGA）、载带BGA（T-BGA）和陶瓷BGA（C-BGA），详细见本书1.5节有关内容。其工艺特点如下：
（1）BGA引脚（焊球）位于封装体下，人工无法直接观察到焊接情况，必须采用X光设备才能检查。
（2）BGA属于湿敏器件，如果吸潮，容易发生变形加重、“爆米花”等不良，因此，贴装前必须确认是否符合工艺要求。
（3）BGA也属于应力敏感器件，四角焊点应力集中，在机械应力作用下很容易被拉断，因此，在PCB设计时应尽可能将其布放在远离拼板边和安装螺钉的地方。
总体而言，焊接的工艺性非常好，但有许多特有的焊接问题，而这些问题主要与BGA的封装结构有关，特别是薄的F-BGA与P-BGA，由于封装的层状结构，焊接过程中会发生变形，我们一般把这种发生在焊接过程中的变形称为动态变形，它是引起BGA组装众多不良的主要原因。
P-BGA加热过程之所以会发生动态变形，是因为P-BGA为层状结构且各层材料的热膨胀系数（CTE）相差比较大，如图4-33所示。
图4-33 P-BGA封装材料的CTE
工艺问题
BGA的焊接，在再流焊接温度曲线设置方面具有指标意义。因BGA尺寸大、热容量大，一般将其作为再流焊接温度曲线设置重点监控对象。
BGA的焊接缺陷谱与封装结构、尺寸有很大的关系，根据常见不良大致可以总结为：
（1）焊球间距≤1.0mm的BGA（或称为CSP），主要的焊接不良为球窝、不润湿开焊与桥连，这在4.3节内容中已有介绍。
（2）焊球间距≥1.0mm，P-BGA、F-BGA等因其动态变形特性，容易发生不润湿开焊、不润湿开裂、缩锡断裂等特有小概率焊接不良，这些焊接不良一般不容易通过常规检测发现，容易流向市场，具有很大的可靠性风险。
（3）尺寸大于25mm×25mm的BGA，由于尺寸比较大，容易引起焊点应力断裂、坑裂等失效。
动态变形
前面提到，BGA的众多焊接不良与其动态变形有关，像球窝、不润湿开焊、不润湿开裂、缩锡断裂、坑裂等，都源于BGA的动态变形。
1.动态变形引发焊接不良的机理
动态变形引发不良的本质就是BGA在再流焊接过程中会发生笑脸式变形，即四角上翘，如图4-34所示。
图4-34 动态变形
2.减轻动态变形影响的措施
BGA的动态变形是一个物理现象，一定会发生，我们能够做到的是防止变形加重，或消除变形带来的不良影响。
Intel公司在这方面做过专门研究，主要有以下三条建议。
1）增加BGA四角的焊膏量
它有多方面的作用，如增加四角焊点的热容量，延缓凝固，减少缩锡断裂；再如，增加焊剂总量，提高消除BGA焊球氧化物的能力，减少球窝、不润湿开焊等不良。
Intel公司的研究表明，增加1.6倍的焊膏量，具有最佳的效果，试验数据如图4-35所示。
图4-35 焊膏量对BGA焊接不良的影响
2）对BGA进行干燥
BGA，特别是塑封BGA，吸潮会加重BGA的动态变形，如图4-36、图4-37所示。我们必须清楚一点，元器件包装袋内的湿度敏感标签所指的吸潮超标，是指引起湿度敏感元器件内部分层的吸潮量，而事实上一些塑封BGA在没有达到这个指标之前已经对焊接造成影响——加重动态变形。
图4-36 吸潮对BGA变形的影响
图4-37 BGA吸潮与二次再流焊接脱落（不润湿开裂）的关系
3）优化再流焊接温度曲线参数
减少BGA本身的温差，对减少BGA的变形至关重要。一般而言，温差越大，变形越严重，越容易产生球窝、缩锡断裂等焊接不良。一般要求BGA本身温差≤7℃。
很多案例表明，升温速率过快容易引起二次过炉BGA的不润湿开裂，冷却速率过快容易导致混装工艺条件下BGA的缩锡断裂，一般超过2℃/s就可能发生。
常识
（1）BGA的塌落高度，只与BGA的焊球尺寸、焊盘尺寸、BGA的质量有关，与焊接温度、时间没有关系。
（2）BGA的空洞，主要与焊剂的在焊接温度条件下的黏度和厚度有关，与温度曲线的关系不是很大。
（3）BGA的变形方向与封装结构有关，有时四角上翘，有时下翘。
（4）带散热金属壳的BGA变形最小，但焊接的时间必须多于40s，否则金属壳与焊点的温差会很大，甚至达到40℃，但超过40s就会降到2～4℃内。
BGA的组装失效模式
1.BGA的组装失效模式故障树
BGA的组装失效模式故障树如图4-38所示。
图4-38 BGA组装失效模式
2.无润湿开焊焊点特征、形成机理与措施
1）无润湿开焊焊点切片图特征
无润湿开焊（Non Wet Open）是指PCB上BGA焊盘无润湿的开焊焊点，切片图典型特征为焊盘上无焊锡润湿过，如图4-39所示。
图4-39 无润湿的开焊焊点切片特征
2）形成机理推测
无润湿开焊绝大部分因为焊膏漏印产生，也有部分是因为BGA焊盘润湿性不好所致。再流焊接时随着加热温度的升高，熔融焊膏被吸附（润湿）到BGA焊球上，最终形成焊盘上无润湿的开焊焊点，这个概率有人研究过，发生概率约在0%～7.6%内，这种情况开始形成于再流焊接升温阶段（160～190℃），如图4-40所示。
图4-40 无润湿开焊形成机理
3）建议措施
（1）监控焊膏印刷状态，严防漏焊发生。
（2）采用活性比较强的焊膏，避免焊盘不润湿情况发生。
（3）采用惰性气氛进行焊接。
3.球窝焊点特征、形成机理与措施
1）球窝焊点切片图特征
球窝（Head in Pillow或Head on Pillow）是指BGA焊球与焊盘上熔融焊膏没有形成良好连接的焊点。切片图典型特征为焊盘焊球与熔融焊膏间完全没有熔合，存在明显的氧化层界面，如图4-41所示。
图4-41 球窝焊点切片特征
2）形成机理推测
球窝的形成原因比较多，但本质上一样，就是熔融焊料与焊球没有融合在一起。焊膏活性比较弱，或焊膏量不足，或BGA热变形比较大等，都可能形成球窝。对于小间距的BGA，就是焊膏量比较少。对于大间距的BGA，球窝的产生主要由热变形所致。再流焊接时，随着加热温度的升高，BGA出现笑脸式翘曲，焊球与熔融焊料分离，出现间隙，冷却后形成无良好连接的焊点，如图4-42所示。
图4-42 球窝形成机理
3）建议措施
（1）对于小间距的BGA，建议采用活性比较强的焊膏，或增加焊膏量，或采用惰性气氛进行焊接。
（2）对于大间距的BGA或2.5D的BGA，建议根据具体情况，对容易产生球窝的区域焊点采取增加焊膏量的措施——钢网开窗扩大。
4.缩锡断裂焊点特征、形成机理与措施
1）缩锡断裂焊点切片图特征
缩锡断裂是笔者自行定义的一种工艺缺陷，是指BGA焊点在未完全凝固时因BGA四角上翘而形成的断裂焊点，切片图典型特征为裂纹发生在BGA侧IMC与焊球界面，裂纹焊球侧有明显的自然凝固表面形貌，如图4-43所示。
图4-43 缩锡断裂焊点切片图特征
2）形成机理推测
缩锡断裂形成于焊点开始凝固阶段（217～183℃）。当焊点储处于半凝固状态时，随着BGA的进一步翘曲，焊点被拉断，如图4-44所示。众多案例表明，BGA缩锡断裂主要发生在板厚1.6mm、塑封BGA条件下，且不少案例表明缩锡焊点往往固定，并与焊盘的连线状态有一定关系。根据焊点的断裂特征，我们可以推断发生缩锡断裂的焊点就是开始凝固的那些焊点。
图4-44 缩锡断裂形成机理
3）建议措施
对于板厚1.6～2.0mm板上安装PBGA，并进一步做如下处理：
（1）上线前做“125℃，4h”的干燥处理。
（2）优化钢网开窗设计，使BGA角部5×5焊盘焊膏量渐进增加，开窗面积扩展率如图4-45所示。注意，这里钢网开窗扩大的目的不是为了增加焊剂总量，而是为了增加焊点的热容量，避免单行凝固情况的发生。
图4-45 钢网扩口示意图
5.不润湿开裂焊点特征、形成机理与措施
1）不润湿开裂焊点切片图特征
不润湿开裂焊点是指BGA侧表现为焊盘不完全润湿的开裂焊点。切片图典型特征为裂缝位于BGA侧载板焊盘与IMC界面，焊球表面呈圆形（实为球面），如图4-46所示。
图4-46 不润湿开裂焊点典型特征
2）形成机理推测
不润湿开裂焊点主要发生在两次过炉的BGA上，根据失效焊点的切片形态推测，应发生在第二次焊接的升温阶段。
已经焊接好的BGA，在第二次过炉时，由于升温速率比较快或PCB弯曲等原因发生脆性开裂或断裂，在继续升温时裂缝表面被氧化，致使最终不能形成良好的连接，表现为BGA载板焊盘不润湿的假象，如图4-47所示。
图4-47 不润湿开裂焊点形成机理
3）建议措施
控制一切可能导致BGA焊点开裂的因素，如不可支撑、PCB的变形、升温速率等。
6.应力断裂焊点特征、形成机理与措施
1）应力断裂焊点切片图特征
应力断裂焊点不像其他BGA不良焊点那样具有典型特征，裂纹位置可以出现在IMC根部、焊料中间、PCB次表层基材（坑裂）、IMC与焊料界面（随机振动裂纹特征），分布也不规律，可以出现在BGA角部、边、中心，往往不对称。唯一共同的特征就是焊缝可以完全啮合，这点可以作为判断应力断裂的标志，如图4-48所示。
图4-48 BGA应力断裂焊点切片图典型特征
2）形成机理推测
应力断裂机理比较简单，就是焊点承受的应力超过了本身的能力而发生断裂。单板装配过程中，如车间内的周转、打螺钉、压接连接器等，如果操作不规范都可能导致PCB的过大或多次弯曲，使BGA焊点断裂。单板的长途运输也会造成应力断裂。产品的结构设计不合理也可能导致焊点的应力断裂。
坑裂、块状IMC断裂，都属于应力断裂，因其形成原因特殊将单独介绍。
3）建议措施
对于安装了大尺寸BGA的单板，宜采用措施如下：
（1）规范车间作业，严禁单手拿板，严禁无支撑（工装）装配螺钉作业，严禁无支撑压接连接器。
（2）对大尺寸BGA进行四角加固。
（3）控制IMC的生长，特别是铜盘上直接植球的BGA，应控制再流焊接液态以上的时间（183℃以上时间≤120s）。
7.坑裂焊点特征、形成机理与措施
1）坑裂焊点切片图特征
坑裂属于应力断裂的一种，之所以单独列出，因为其具有典型的特征，裂纹发生在PCB焊盘次表层，如图4-49所示。
图4-49 坑裂典型特征
2）形成机理推测
坑裂多见于跌落或冲击条件下，也见于应力过大的不规范作业情况下。
产品切换到无铅后，由于无铅焊点本身“更刚性”及组装温度更高的原因，使得BGA焊点机械冲击测试主要的失效模式由有铅焊点的焊料开裂变为无铅焊点的BGA焊盘下PCB次表层树脂的开裂，有铅焊点与无铅焊点的耐应变情况如图4-50所示。详细见8.22节BGA焊盘下PCB次表层树脂开裂。
图4-50 无铅焊点特点
3）建议措施
（1）适度加大大尺寸BGA四角的焊盘设计，减少焊盘下基材的单位面积强度的要求。
（2）严格车间人工作业的规范性，避免过应力产生。
8.疲劳断裂焊点特征、形成机理与措施
1）疲劳断裂焊点切片图特征
疲劳断裂是一种与时间有关的黏滞性塑性变形失效，它是焊点最主要的失效形式，其裂纹发生在焊点最薄弱的地方，裂纹总是从焊点的一侧表面开始逐步向内扩展直至断裂，如图4-51所示。裂纹形貌与温度循环条件有关，应变越大越不能啮合，如图4-52所示。
图4-51 裂纹的扩展特性
图4-52 裂纹的非啮合特性
2）形成机理推测
黏塑性应变能引起疲劳损伤，这是由一个一个周期积累而来的。当从零应力、零应变状态下加载，焊点首先会经历弹性应变，随后如果继续加载，超出了焊料的屈服强度，则会产生弹性屈服。必须指出的是，对焊料来说，既没有真正的弹性应变也没有真正意义上的屈服强度。弹性应变-屈服线被简化为线性化-非线性应力应变反应，这些高度依赖于温度、加载率、焊料组成及晶粒结构。
3）建议措施
疲劳失效是一个物理现象，任何一个焊点，只要循环次数足够，最终都会发生疲劳失效，我们能够做的事情就是减少焊点的应变幅度，确保寿命周期内焊点满足要求。
（1）增加焊缝的厚度。
（2）增加焊缝的强度。
（3）产品设计上减少功率循环频次，如频繁地加载功率。
（4）降低焊点的工作温度。