某产品PCBA再流焊接过程中BGA的球窝缺陷分析

一、现象描述

某产品PCBA再流焊接后，测试时出现网口不能连接，手压BGA芯片即恢复正常，出现缺陷的PCBA的外观，如图1所示。芯片焊球成分为Sn（3.0～3.5）Ag，再流焊接时所用焊膏中的焊料成分为SAC305。在芯片封装上表面贴装有散热器。

图1

二、故障定位

1.染色试验

对缺陷样品BGA器件进行染色试验，发现完全开裂的焊点有4个，缺陷主要发生在边角上，其开裂界面主要为焊球与焊膏焊料之间的球窝模式，如图2和图3所示。

图2缺陷样品BGA焊点染色照片

图3 焊点的失效模式

通过机械剥离BGA与PCB侧焊盘焊点进行观察，发现约有10个BGA焊球与焊膏焊料未能良好地熔合，此现象在BGA焊点阵列中分布没有规律，如图4所示。

图4不良PCBA边角部BGA焊点焊接情况

2.切片分析

（1）对失效BGA芯片的第1列的第1、7排相交叉的两个焊点进行切片，如图5所示。其中第1列第1排失效焊点是在芯片侧的焊料中断裂，而第1列第7排交叉的焊点则是断裂在PCB侧的焊盘和IMC之间。

图5.第1列的第1、7排相交叉的两个焊点的切片

失效BGA芯片的第32列的第1、2排及最后两排相交叉的4个焊点切片后的失效模式如图6所示。由图6可知，切片的前三个焊点的断裂模式均是向上突的球窝缺陷，而最后一个焊点的焊接情况虽然很好，但断层发生在PCB侧基板材料的内部。

图6 第32列的第1、2排及最后两排相交叉的4个焊点的切片

（2）对失效BGA芯片的第1排的第1、3、5、6、7等5个焊点进行切片，如图7所示。由图7可见1、3、7等三个焊点也明显地呈现了向上凸起的球窝缺陷；5、6两焊点则合格。

图7 第1排的第1、3、5、6、7等5个焊点的切片

3.SEM/EDX分析

（1）良好焊点的SEM/EDX分析代表性照片，如图8所示。由图8中区域1、2的元素分布可知，焊球焊料与焊膏焊料之间已经较好地熔融。

（2）球窝焊点的SEM/EDX分析。

有球窝焊点的SEM/EDX分析代表性照片，如图9所示。由图9可看到，区域3的元素反映了所用焊膏中的金属成分（Sn、Ag、Cu），而区域4的元素反映了焊球的元素构成（Cu、Ag），它们之间在再流焊接过程中根本未发生熔融。

图8良好焊点的SEM/EDX分析代表性照片

图9球窝焊点的SEM/EDX分析代表性照片

三、形成原因及机理

从上述分析可归纳出形成球窝缺陷的形成原因如下。

1.熔化和凝固温度不同步。由于焊料球（SnAg二元合金）和焊膏焊料（SnAgCu三元合金）合金成分有差异，如SAC305。在再流焊接过程中，焊膏中焊料温度首先上升到液化线219℃，开始润湿焊盘Cu面并形成凸曲面。凸曲面的高度比再流焊接前焊膏的高度降低了，助焊剂被挤出焊膏并聚集在焊脚圆角处，凸曲面表面可能因缺乏足够的助焊剂保护而形成极薄的SnO膜。而此时还处于糊状区的焊料球，是继续与焊盘上的焊料相接触还是脱离接触，就取决于下述条件：

● 芯片和PCB是否有翘曲变形。

● 焊膏印刷量。

● 焊膏中助焊剂的活性。

● 焊膏的抗热坍塌能力。

如果因上述原因之一，导致焊料球悬在凸曲面的上方，那么在冷却过程中，焊盘焊料先冷却，焊盘凸曲面形状被固化下来。与此同时，封装体的翘曲状态逐渐恢复正常，而尚呈液态的焊料球，便被盖在焊盘焊料的凸曲面上，完全凝固后便形成凸形球窝。

2.焊料球和焊膏中焊料粉末合金成分不同。例如，焊料球成分为Sn3.0Ag（完全液化温度可能达226℃），而焊膏中焊料粉末成分为SAC305（完全液化温度为219℃），液化线温度差了7℃。此时，熔化和凝固温度不同步现象将更加明显，再加上封装体在热风再流焊接过程中出现温度差△T，当焊盘上的焊料粉末已充分再流，助焊剂被排出焊盘焊料表面时，位于其上方的焊球焊料可能还处于糊状区。此时，处于糊状区的焊球表面已无足够活性的助焊剂帮其破除表面的氧化锡膜，实现相互熔融。冷却时，焊盘焊料首先冷却，由于表面能的作用继续保持其液态时的凸曲面形状，此时还处于液态的焊球就只能像一只碗似的倒扣在其上了。从金相切片可以观察到在焊盘铜箔和焊盘焊料之间，冶金反应很充分，IMC形成得很好，甚至从焊点的外形敷形来看，也寻不到冷焊的痕迹。

3.PCB或芯片变形翘曲加速了球窝的分离。当PBGA封装裸露于焊接所要求的温度之下时，很有可能出现翘曲。在再流焊接过程中，封装的边缘有向上抬起或向下弯曲的可能，如图10和图11所示。

图10 PBGA上翘

图11 PBGA下翘

翘曲是一种三维现象，如图12和图13所示的PBGA脚1处与邻近焊盘出现大量桥连（焊盘图像左边绿色区域）。由于芯片和焊盘区域在再流焊接前后都是很平整的，所以引起桥连的原因让人感到非常迷惑。但在模拟再流焊接温度（225℃）条件下对二者进行观察，就可以看见焊盘和PBGA都出现了翘曲，最大垂直偏移从0.431mm上升到0.457mm。在多数焊接区域，焊球实际受到一个拉力，但在脚1附近的焊球却受到挤压，直到与旁边的其他焊点连到一起