BGA（球栅阵列封装）空洞的成因与解决方案

BGA（球栅阵列封装）空洞的成因与解决方案

BGA（球栅阵列封装）空洞是SMT焊接中常见的工艺缺陷，其成因复杂且对产品可靠性影响显著。BGA（球栅阵列封装）焊接过程中，焊点内部出现的空气或气体形成的空隙。这种现象在SMT（表面贴装技术）贴片加工中较为常见，尤其是在回流焊接阶段，由于助焊剂挥发、空气泡逸出或焊料流动性不足等原因导致空洞的形成.。

BGA空洞是指在BGA封装的焊接过程中，由于各种原因在焊球内部或界面处形成的微小孔隙。这些空洞通常呈现为 圆形或椭圆形 ，大小从几微米到数百微米不等。其特征包括：

位置：BGA侧界面、PCB侧界面、焊球内部

形状：圆形或椭圆形

尺寸：几微米到数百微米

形成原因：可挥发物（助焊剂、水汽）被截留

危害影响

BGA空洞对电路性能和焊点寿命产生显著影响：

降低焊点强度 ：减少有效焊接面积，削弱焊接强度，降低可靠性

导致短路风险 ：推挤焊锡，可能导致相邻焊点间短路

影响信号完整性 ：改变焊点的电性能，可能导致信号传输问题

缩短焊点寿命 ：增加焊点疲劳和失效的风险，影响产品长期稳定性

这些影响不仅影响单个焊点的性能，还可能导致整个电路板的功能失效，尤其在高可靠性应用中影响更为严重。

空洞形成机理

焊接过程分析

BGA焊接过程是一个复杂的物理化学过程，其中多个环节可能导致空洞的形成。理解这些过程对于优化焊接工艺和减少空洞形成至关重要。BGA焊接过程主要包括以下几个关键步骤：

焊膏印刷 ：将焊膏均匀地印刷到PCB的焊盘上。这个过程中，如果焊膏量过多或过少，都可能导致空洞形成。过多的焊膏可能在熔化时产生过多的气体，而过少的焊膏则可能无法完全填充焊球与焊盘之间的间隙。

BGA贴装 ：将BGA芯片准确地放置在PCB上。这个过程需要高精度的设备和操作，以确保每个焊球都能与对应的焊盘精确对齐。如果贴装不准确，可能会导致焊球与焊盘之间存在间隙，为空洞形成创造条件。

预热 ：在回流焊之前，通常需要对PCB和BGA芯片进行预热。预热的目的是去除水分和挥发性物质，同时使焊膏软化。然而，如果预热温度过高或时间过长，可能会导致焊膏中的助焊剂过早挥发，从而在回流焊时形成空洞。

回流焊 ：这是BGA焊接过程中最关键的步骤。回流焊通常包括三个阶段：

升温阶段 ：温度从室温逐渐升高到焊膏的熔点。这个过程中，焊膏中的挥发性物质开始挥发，如果升温速度过快，可能会导致气体无法及时排出，从而形成空洞。

熔化阶段 ：温度保持在焊膏熔点附近，使焊膏完全熔化。这个过程中，焊膏中的助焊剂开始发挥作用，去除焊盘表面的氧化物。如果助焊剂活性不足或用量不当，可能会导致焊接不完全，进而形成空洞。

冷却阶段 ：温度逐渐降低，使熔化的焊料凝固。这个过程中，如果冷却速度过快，可能会导致焊料收缩不均匀，形成空洞。

清洗 ：焊接完成后，通常需要对PCB进行清洗，以去除残留的助焊剂和其他杂质。如果清洗不彻底，残留的助焊剂可能会在后续使用过程中继续挥发，导致空洞形成。

在整个焊接过程中，温度控制和气体排放是两个关键因素。精确的温度曲线设置和良好的气体排放系统可以有效减少空洞的形成。例如，通过优化回流焊温度曲线，可以确保焊膏中的挥发性物质有足够的时间排出，从而减少空洞的形成。

助焊剂作用

在BGA焊接过程中，助焊剂扮演着至关重要的角色。其主要作用是 清除焊料和被焊母材表面的氧化物 ，使金属表面达到必要的清洁度，从而促进焊料与母材的良好润湿和结合[12]。助焊剂的特性和使用方式对BGA空洞的形成有着显著影响。

助焊剂的 活性 是影响BGA空洞形成的关键因素之一。活性较高的助焊剂能更有效地去除焊盘表面的氧化物，有利于焊料的润湿和扩散，从而减少空洞的形成[13]。例如，松香活性(RA)助焊剂的活性高于松香轻度活化(RMA)助焊剂，在相同条件下使用RA助焊剂可能会产生较少的空洞。

助焊剂的 沸点 和 溶剂挥发性 也对BGA空洞形成有重要影响：

沸点较低的溶剂：易挥发，形成高黏性助焊剂残留物，难以从熔融焊料中排出，增加空洞形成风险[14]。

沸点适中的溶剂：既能有效清除氧化物，又能在适当时间挥发，减少空洞形成。

助焊剂在BGA焊接的不同阶段发挥着不同的作用：

预热阶段 ：助焊剂开始挥发，温度控制在150℃-180℃之间，保持60-120秒，确保助焊剂充分发挥作用[15]。

回流阶段 ：助焊剂继续挥发，同时去除焊盘表面的氧化物，促进焊料的润湿和扩散[12]。

冷却阶段 ：助焊剂的挥发应基本完成，以防止在焊料凝固过程中形成空洞[13]。

为了减少BGA空洞的形成，在选择和使用助焊剂时应考虑以下因素：

活性：选择活性适中的助焊剂，既能够有效去除氧化物，又不会在焊接过程中产生过多的残留物。

沸点：选择沸点适中的溶剂，确保助焊剂能够在适当的时间挥发，减少空洞形成的风险。

涂敷量：控制助焊剂的涂敷量，避免过多的助焊剂残留导致空洞形成。

涂敷方式：采用模板涂敷等方式，确保助焊剂涂敷均匀，减少因局部助焊剂过多而导致的空洞问题。

通过优化助焊剂的选择和使用，可以有效减少BGA空洞的形成，提高焊接质量和产品可靠性。

温度影响

在BGA焊接过程中，温度控制是影响空洞形成的关键因素之一。不同温度区间对BGA空洞形成的影响如下：

预热阶段

温度范围：150℃-180℃

持续时间：60-120秒

预热阶段的主要目的是去除水分和挥发性物质，同时使焊膏软化。适当的预热可以有效减少空洞的形成。然而，如果预热温度过高或时间过长，可能会导致焊膏中的助焊剂过早挥发，从而在回流焊时形成空洞。

回流阶段

温度范围：217℃-235℃（无铅焊料）

回流阶段是BGA焊接过程中最关键的步骤。在这个阶段，焊膏完全熔化，助焊剂发挥作用去除焊盘表面的氧化物。如果回流温度不足或时间过短，可能会导致焊接不完全，进而形成空洞。

冷却阶段

冷却速率：影响焊点质量的重要因素

冷却阶段的冷却速率对焊点质量有重要影响。如果冷却速度过快，可能会导致焊料收缩不均匀，形成空洞。理想的冷却曲线应与回流区曲线呈类似镜像关系，以确保焊点结合紧密，提高可靠性。

值得注意的是，不同的BGA封装材料和焊料合金可能需要不同的温度曲线来优化焊接质量。例如，无铅焊料的比重较小、表面张力较大，因此需要更加精确的温度控制来减少空洞的形成。

通过精确控制每个温度区间的参数，可以有效减少BGA空洞的形成，提高焊接质量和产品可靠性。然而，温度控制只是影响BGA空洞形成的一个方面，其他因素如助焊剂特性、焊膏量等也需要综合考虑，才能实现最佳的焊接效果。

主要成因分析

材料因素

在BGA空洞形成的过程中，材料因素扮演着至关重要的角色。不同材料的特性和相互作用直接影响了空洞的形成概率和程度。本节将详细分析焊膏、助焊剂和焊盘等材料对BGA空洞形成的具体影响。

焊膏特性

焊膏的特性对BGA空洞形成有显著影响：

金属含量 ：金属含量越高，焊粉粒径越细，BGA焊点冷却后内部空洞的体积比例越高[4]。这是因为高金属含量和细粒径的焊粉在熔化过程中形成更致密的结构，使得挥发气体更难从紧密的焊膏中逃逸。

助焊剂沸点和粘度 ：低沸点和高粘度的助焊剂可能导致更多的空洞形成。低沸点的助焊剂在焊接过程中过早挥发，留下高粘度的残留物，这些残留物难以从熔融焊料中排出，从而增加了空洞形成的风险[4]。

助焊剂特性

助焊剂的特性对BGA空洞形成有显著影响：

沸点 ：沸点较低的溶剂容易挥发，形成高黏性助焊剂残留物，难以从熔融焊料中排出，增加空洞形成风险[2]。

活性 ：活性较高的助焊剂能更有效地去除焊盘表面的氧化物，有利于焊料的润湿和扩散，从而减少空洞的形成[1]。

溶剂挥发性 ：溶剂挥发性过强可能导致助焊剂过早挥发，留下高粘度的残留物，增加空洞形成风险[4]。

焊盘设计

焊盘的设计也会影响BGA空洞的形成。例如，微孔和盲孔等特殊设计可能会导致BGA器件底部位置更容易产生空洞[4]。这是因为这些结构可能会截留助焊剂挥发物，阻止气体的正常排出。

为了减少BGA空洞的形成，可以考虑以下材料优化措施：

选择金属含量适中、粒径较大的焊膏，以降低焊膏的致密性，提高气体逃逸的可能性。

选用沸点适中、活性适当的助焊剂，既能有效清除氧化物，又能在适当时间挥发，减少空洞形成。

优化焊盘设计，避免使用可能导致气体截留的特殊结构。

通过优化这些材料特性，可以有效减少BGA空洞的形成，提高焊接质量和产品可靠性。然而，材料因素只是影响BGA空洞形成的一个方面，其他因素如工艺参数、环境条件等也需要综合考虑，才能实现最佳的焊接效果。

工艺参数

在BGA焊接过程中，工艺参数的优化对减少空洞形成至关重要。本节将详细分析几个关键工艺参数对BGA空洞形成的影响：

模板厚度 和 开孔尺寸 直接影响焊膏量和焊膏释放效果。对于不同间距的BGA元器件，推荐的模板厚度范围如下：

较薄的模板可以减少焊膏残留，提高焊接质量，但可能会影响其他元器件的焊膏量。因此，需要在不同元器件的需求之间找到平衡点。

模板开孔设计 也对空洞形成有显著影响。推荐使用宽厚比为1.5的模板开孔，同时确保面积比大于0.66。这种设计可以改善焊膏释放效果，减少孔壁焊膏残留，从而降低空洞形成的风险。

贴装精度 是另一个关键工艺参数。BGA贴装的精度直接影响焊球与焊盘的接触情况。如果贴装不准确，可能会导致焊球与焊盘之间存在间隙，为空洞形成创造条件。因此，选择合适的贴片机吸嘴和视觉系统对于提高贴装精度至关重要。

回流焊曲线 的优化也是减少空洞形成的关键。一个理想的回流焊曲线应包括以下几个阶段：

焊膏中的溶剂蒸发

激活助焊剂并产生助焊活性

对元器件和印制电路板进行预热

融化焊料并发生恰当润湿

冷却已焊组件

不同的BGA封装和焊膏可能需要不同的温度曲线来优化焊接质量。例如，当使用SAC305焊膏对带有SAC 305焊球的BGA封装进行焊接时，建议将最小峰值温度设置为不低于约240°C。

通过精确控制这些工艺参数，可以有效减少BGA空洞的形成，提高焊接质量和产品可靠性。然而，需要注意的是，这些参数之间存在相互影响，因此需要综合考虑，找到最佳平衡点，以实现最佳的焊接效果。

环境条件

在探讨BGA空洞形成的主要成因时，环境条件是一个不容忽视的因素。高湿度和灰尘污染是可能导致BGA空洞的关键环境条件。 高湿度环境 可能导致焊膏吸湿，增加焊接过程中的气体产生，进而促进空洞形成。而 灰尘污染 则可能混入焊膏或助焊剂中，形成异物，影响焊接质量。此外， 温度变化 也可能影响焊膏的性能，导致空洞问题。为减少这些影响，应控制生产环境的湿度和清洁度，并保持温度稳定。

检测方法

X射线检测

X射线检测是一种非破坏性的BGA空洞检测方法，其原理基于X射线穿透物体时的衰减特性。检测流程包括：将BGA样品置于X射线源和探测器之间，获取2D或3D图像，然后通过图像处理软件分析空洞的大小、形状和位置。

检测设备类型包括2D X射线检测系统和3D X射线CT扫描系统，后者能提供更详细的内部结构信息，特别适用于复杂BGA封装的检测。这种方法能够精确识别BGA焊球内的空洞，并计算其百分比，为工艺优化提供重要数据支持。

切片分析

切片分析是一种 破坏性的BGA空洞检测方法 ，它提供了比X射线检测更直观和详细的内部结构信息。其基本操作流程包括：

取样 ：从待检测的BGA器件上截取样本

镶嵌 ：使用环氧树脂将样本固定

研磨和抛光 ：将样本处理成薄片

微蚀 ：如有必要，进行微蚀处理

观察 ：使用金相显微镜观察样本的金相切片

这种方法可以清晰地显示BGA焊点的内部结构，包括空洞的大小、形状和位置，以及焊料与焊盘之间的润湿情况。虽然切片分析是破坏性的，但它能提供其他检测方法难以获得的微观信息，对于深入分析BGA空洞的形成机理和评估焊接质量具有重要价值。

解决方案

材料优化

在解决BGA空洞问题时，材料优化是一个关键的方向。通过改进焊膏、助焊剂和焊盘等材料的特性，可以有效减少空洞的形成，提高焊接质量。具体改进方向如下：

焊膏优化 ：

金属含量 ：适当降低金属含量，增加粒径，减少焊膏致密性，提高气体逃逸可能性。

溶剂选择 ：选择沸点适中的溶剂，避免低沸点溶剂过早挥发形成高粘性残留物。

活性控制 ：控制助焊剂活性，既能有效去除氧化物，又不会产生过多残留物。

助焊剂优化 ：

活性控制 ：选择活性适中的助焊剂，既能有效去除氧化物，又不会产生过多残留物。

沸点选择 ：选择沸点适中的溶剂，确保助焊剂能够在适当的时间挥发，减少空洞形成的风险。

用量控制 ：控制助焊剂的涂敷量，避免过多的助焊剂残留导致空洞形成。

焊盘优化 ：

设计改进 ：优化焊盘设计，避免使用可能导致气体截留的特殊结构，如微孔和盲孔。

表面处理 ：采用合适的表面处理方法，提高焊盘的润湿性，减少空洞形成。

在实际应用中，一些先进的材料产品已经在解决BGA空洞问题上取得了显著效果：

例如，Indium公司推出的InFORMS助焊剂系列，通过精确控制活性和挥发性，有效减少了BGA空洞的形成。

通过这些材料优化措施，可以显著提高BGA焊接的质量和可靠性，减少空洞的形成，从而提升整个电子系统的性能和寿命。

工艺改进

在BGA焊接工艺中，工艺参数的优化是减少空洞形成的关键。通过精确控制模板厚度、开孔尺寸、焊膏量、贴装精度和回流焊曲线等参数，可以显著提高焊接质量和可靠性。具体的改进措施和依据如下：

模板厚度和开孔尺寸 ：

改进：根据BGA间距选择合适的模板厚度和开孔尺寸。

依据：确保焊膏释放效果，减少孔壁残留，降低空洞形成风险。

推荐模板厚度范围：

模板开孔设计 ：

改进：采用宽厚比为1.5的开孔，确保面积比大于0.66。

依据：改善焊膏释放效果，减少孔壁残留，降低空洞形成风险。

贴装精度 ：

改进：选择合适的贴片机吸嘴和视觉系统，提高贴装精度。

依据：确保每个焊球与对应的焊盘精确对齐，减少焊球与焊盘之间的间隙，降低空洞形成风险。

回流焊曲线 ：

改进：优化回流焊曲线，包括预热、升温、熔化和冷却阶段。

依据：确保焊膏中的挥发性物质有足够的时间排出，同时控制冷却速度，避免焊料收缩不均匀。

温度控制 ：

改进：在不同温度区间设置合适的参数，如预热温度、回流温度和冷却速率。

依据：不同的BGA封装材料和焊料合金可能需要不同的温度曲线来优化焊接质量。例如，无铅焊料可能需要更加精确的温度控制来减少空洞的形成。

通过精确控制这些工艺参数，可以有效减少BGA空洞的形成，提高焊接质量和产品可靠性。然而，需要注意的是，这些参数之间存在相互影响，因此需要综合考虑，找到最佳平衡点，以实现最佳的焊接效果。

设备升级

在BGA焊接过程中，设备升级是提高焊接质量和减少空洞形成的重要途径。以下是一些有助于解决BGA空洞问题的设备升级类型及其工作原理：

自动焊膏涂布机 ：精确控制焊膏量，减少过量或不足导致的空洞

高精度温度控制系统 ：精确控制各温度区间，优化温度曲线，减少气体产生

实时温度监测系统 ：实时监控温度变化，及时调整，确保焊接质量

自动温度调节系统 ：根据预设参数自动调节温度，减少人为误差

故障报警系统 ：实时监测设备状态，及时发现异常，防止焊接失败

这些设备升级不仅提高了BGA焊接的精度和一致性，还能有效减少空洞的形成，从而提高产品的可靠性和使用寿命。

预防措施

存储管理

在BGA空洞预防中，合理的存储管理至关重要。以下是一些具体措施：

温湿度控制 ：将储存环境的温度控制在20℃-25℃，相对湿度保持在40%-60%，可有效防止焊膏吸湿。

密封储存 ：使用密封容器存放BGA元器件和焊膏，减少水分和灰尘的影响。

先进先出 ：实施先进先出原则，确保物料的及时使用，减少长时间储存带来的质量风险。

这些措施有助于保持BGA元器件和焊膏的质量，降低空洞形成的可能性。

操作规范

在BGA操作过程中，遵循严格的操作规范是确保焊接质量和减少空洞形成的关键。具体操作步骤包括：

温度设置 ：精确控制各温度区间，确保焊膏中的挥发性物质有足够时间排出。

通风要求 ：确保良好的通风，及时排出焊接过程中产生的挥发性物质。

贴装精度 ：使用高精度贴片机和视觉系统，确保每个焊球与对应的焊盘精确对齐。

助焊剂涂敷 ：采用模板涂敷等方式，确保助焊剂涂敷均匀，减少局部助焊剂过多导致的空洞问题。

通过严格执行这些操作规范，可以有效减少BGA空洞的形成，提高焊接质量和产品可靠性。

BGA空洞需多维度协同控制：材料适配是基础，工艺参数精细化是关键，设计预防与环境管控为保障。通过X-RAY检测与DOE试验优化，可系统性提升良率与产品寿命，满足高可靠性需求。