BGA 枕头效应

在防止發生安裝問題和解決或改進這類問題時，重要的是在回流焊加熱過程中清楚焊點的反應。圖5.9顯示，當以高溫觀察器查看BGA器件焊點工藝時的BGA器件的良好焊點形成示例。在該示例中，當進入主加熱（熔點以上）階段，焊膏熔化後，焊料開始潤濕，向上移動焊球，同時當所有焊球都均已熔化後，器件開始下沉。要實現良好連接，重要的是相應地將時間設在熔點以上，以便器件充分沉入焊料中。在該示例中，器件充分下沉需要約20秒時間。

(1) 問題實例1：加熱不充分

圖5.10顯示了由於BGA器件焊點形成工藝的加熱不充分所導致的一個問題實例。這是一個改變加熱條件並觀察焊點外觀和橫截面的示例。

如果峰值溫度低，並保持在熔點以上的時間短，要麼焊膏和焊球可能不熔化，因而不能在熔一起（條件1），要麼即便熔化了，焊點的形狀可能不太好，隔開的較遠（條件2）。

隨著峰值溫度變得更高，保持在熔點以上的時間變得更長，焊點形狀有所改善（條件3），通過設定相應的條件，將能獲得良好的焊點形狀（條件4）。

(2) 問題實例2：枕頭效應: Head-in-Pillow

1. 枕頭效應是什麼意思？

在安裝BGA器件時，可能發生焊膏和焊球不熔在一起的現象，如圖5.11所示。在失效的枕頭效應中，焊球和焊膏處於不能熔在一起的狀態下。不過，即便在這種狀態下，在安裝後的初始測試中，焊點可能是導電的。

2. 推斷的熔合失效錯誤機制

圖5.12顯示枕頭效應失效的機制。當加熱器件或印刷線路板時，會發生翹曲。如果這種翹曲量很大，焊球和焊膏會被拉開（圖中的預熱過程）。如果繼續在這種狀態下加熱，那麼焊球將受到高熱影響，並迅速繼續進行表面氧化（主加熱過程）。這時，儘管助焊劑從焊膏滲出，覆蓋表面，但是，如果該助焊劑失去活性，當翹曲在冷卻過程中反轉，即便焊球接通，助焊劑也無法去掉焊球表面的氧化膜，然後就發生了枕頭效應失效情況（冷卻過程）。

3. 枕頭效應失效原因分析

除了在機制一節中討論的原因外，其他幾個因素也可能導致發生枕頭效應失效情況。圖5.13顯示器件和安裝因素的故障樹分析（FTA）。人們認為，由於個別原因或多個原因，可能導致出現枕頭效應失效情況。

4. 枕頭效應失效原因和安裝裕量

圖5.14顯示枕頭效應失效原因和安裝裕量的概念。當由於一個或多個原因導致枕頭效應失效情況的發生危險增加時，要減小安裝裕量。如果這種危險進一步增加，那麼可能失去安裝裕量，導致枕頭效應失效。

接下來，我們提供解決這個問題的方法示例。

因素1：BGA器件/印刷線路板翹曲

在對BGA器件或印刷線路板加熱時，會發生翹曲。當翹曲量很大，或當翹曲方向反向時，焊點的間距增加，焊球和焊膏開始分離，並可能發生枕頭效應失效。

問題實例：翹曲原因和推斷的枕頭效應失效

圖5.15顯示在發生枕頭效應失效的情況下安裝缺陷產品的翹曲研究結果。在該示例中，在BGA器件安裝面的BGA 器件和印刷線路板上可能會看到凹翹曲。在這裡，在BGA器件和印刷線路板之間翹曲分離的地方發生的熔合失效故障，是D面中心最大的。

應對之策1：BGA器件和印刷線路板的儲存

當BGA器件和印刷線路板吸濕時，翹曲量變得更大。如果發生吸濕情況，在規定條件下對其進行烘烤。

應對之策2：印刷線路板和安裝佈局

由於印刷線路板材料、結構、佈線、形狀和安裝佈局可造成翹曲現象的發生，所以，確認在室溫和加熱時的翹曲反應。如果加熱時翹曲量很大，應考慮使用防翹曲夾具。

因素2：焊球表面氧化膜

如果器件在打開吸濕包裝後豎放較長時間，焊球上的氧化膜形成繼續進行，並且氧化膜變得更厚，這可能會被認為是發生枕頭效應失效的原因所在。儘管我們確認，即便焊球上的氧化膜由於預處理變得有點厚，對可焊性的影響並不顯著，如圖5.16所示，但是，如果這與其他一些因素結合（譬如，如果焊球上的氧化膜在回流焊加熱期間迅速擴展，或者如果BGA器件或印刷線路板翹曲），那對枕頭效應失效的影響就可能加劇。

重複性評估示例：焊球氧化膜厚度和焊膏的可焊性

在本示例中，即便對於已進行預處理的焊球，表面氧化膜已變得更厚，也能獲得良好的粘合性能。

應對之策1：BGA器件的儲存

盡可能在針對相應產品規定的條件範圍內（譬如，低於30°C和低於相對濕度70%）打開防濕包裝後，注意降低儲存環境的溫度和濕度。

另外，在儲存打開包裝的產品時，避免不必要的豎放狀態，並考慮重新包裝在防濕包裝中。

應對之策2：優化溫度曲線並使用高活性焊膏

在回流焊溫度曲線優化、使用高活性焊膏的焊球的表面氧化與助焊劑活性之間存在密切的關係。因此，使用在所用焊膏熔化後可優化活性的溫度曲線。另外要注意，具備高活性的焊膏可抑制回流焊加熱期間在焊球上氧化膜的生成。

應對之策3：BGA器件和印刷線路板翹曲的解決方法

焊球和焊膏在回流焊期間的分離，會阻礙氧化膜的去除和助焊劑對焊球表面再氧化的抑制，從而促進焊球表面的氧化。

因此，重要的是，要考慮通過封裝吸濕對策、印刷線路板吸濕對策和檢查安裝佈局來抑制翹曲的發生。

因素3：助焊劑活性降低

如果預熱時間比焊膏製造商建議的更長，或溫度更高，可能會降低助焊劑的活性，這會導致焊球和焊膏可焊性的降級。

重複性評估示例：活性降低的焊球和焊膏的可焊性

圖5.17顯示在加熱時觀察到活性大大降低的焊球和焊膏的安裝示例。隨著加熱的繼續進行，焊膏中的助焊劑從表面滲出，並在焊球出現升高的狀態時不再繼續。我們認為，在助焊劑失去活性後，就能防止連結處和引腳的枕頭效應失效。

應對之策1：確認焊膏儲存條件

確認您所看到的是在儲存環境和儲存條件下所用焊膏的製造商提供的所有使用說明。

應對之策2：檢查回流焊溫度曲線

對於在BGA器件焊點上使用的焊膏，確認工藝條件是在建議的條件下。

應對之策3：改變回流焊環境

在充氮氣的環境下進行回流焊加熱，對於防止焊球表面氧化有很大的效果。

應對之策4：更換使用的焊膏

圖5.18顯示的示例為，我們針對20種焊膏在相同條件下進行了針對熔合失效的重複性評估，而這些焊膏均可在日本輕鬆購買。這裡，我們看到了在枕頭效應失效發生率較低的焊膏（焊膏類型1）與枕頭效應失效發生率較高的焊膏（類型20）之間存在大約20倍的差異。也就是說，焊膏類型造成了這種巨大的差異。我們建議在您將要使用的安裝條件下進行評估，並選擇枕頭效應失效發生率較低的焊膏。