Voids in BGA [复制链接]

BGA中的空洞

By Ray P. Prasad
　　本文讨论BGA中的空洞(void)的接受标准问题...。
　　再也不要把BGA看作是明天的技术，它是今天正在使用的技术。如果您对BGA技术还不够了解，那么就请从IPC的一个标准开始吧：IPC-7095“BGA的设计与装配工艺实施(Design and Assembly Process Implementation for BGAs)”。该标准描述的是实施BGA与密间距BGA(FBGA, fine pitch BGA)技术的设计与装配的挑战。也探讨了BGA与FBGA对现有技术和元件类型的影响。该文件将注意力集中在与BGA有关的重要检查、修理和可靠性问题上。
　　这个文件的目标观众是管理人员、设计与工艺工程师、和处理电子装配、检查与修理工艺的操作员与技术员。其目的是要给那些使用BGA和那些考虑使用BGA的人提供有用的与实际的信息。
　　一个还遗留没有解决的问题是BGA中的空洞接受标准。我将在本文中讨论这些标准。但首先我要指出，有许多人对IPC-7095的开发作出了贡献，我想感谢Micron Technology公司的Syed Sajid Ahmad，作为该标准的主席，在整理有关空洞接受标准中作出贡献。
　　在我开始讨论空洞(void)之前，我想指出空洞不是对BGA才有的新东西。空洞在通孔和其它表面贴装焊点中也看得到。可是，引脚的表面贴装和通孔元件不作视觉检查，即没有用X射线检查，因此，空洞一般没有被发现。可是在BGA中，因为焊接点是隐藏在封装的下面，不能肉眼看到，因此X射线已经成为一个常用的检查方法。在X射线检查其他缺陷的期间，人们不可避免地看到一些空洞，并且有些惊讶。如果对其他类型的元件进行类似的检查，一定会看到空洞。无任如何，在这个IPC文件中探讨了空动的问题，因为它们在BGA中变成一个关注的问题。这些要求不是浇铸在混泥土中(不是一成不变的)。如果有证据支持一些不同的要求，请联系IPC或我，我们将在该文件的下一次改版时考虑您的提供情况。
　　空洞是否对可靠性不利呢？不一定。有人甚至提倡，空洞对可靠性有好处。IPC-7095委员会决定，因为即使不完全消除空洞但将它减到最小是可能的，所以在接受标准上设定一个界限是合理的，通过使用明智的工艺参数可以容易地满足到这个标准。
空洞的来源与位置(Void Sources and Locations)
　　我们可以预计空洞在BGA焊接点的什么位置出现呢？在锡球内、在锡球与BGA基板的界面(球的顶部)、或者在锡球与PCB焊盘的界面(球的底部)可能有空洞。对这些空洞可能有各种的来源。例如，空洞可能从锡球中带来的原有空洞，在锡球的制造工艺中已经形成。
　　另外，空洞可以在回流附着工艺中在回流焊接点中形成。这些空洞可能是锡球制造工艺或者安装工艺参数或材料的结果。板的设计也在空洞形成中起一个主要作用。例如，焊盘中的通路孔(via-in-pad)的设计肯定会造成焊接点中的一些空洞。来从堵塞的通孔的空气膨胀，在焊盘下熔化的锡球内形成空洞。
　　在BGA安装期间，在PCB与锡球界面附近的空洞通常是由不适当的回流温度曲线造成的，在回流工艺中助焊剂蒸发，在熔化的焊锡固化期间被夹陷。电镀不良或焊盘下的污染也可能造成界面的空洞。
　　通常，大多数空洞实在已回流焊接点的中部到顶部(球/BGA的界面)发现的。这正如所料，因为夹陷的空气泡和蒸发的助焊剂在回流期间是往上跑的。这个发生是在施用的锡膏和BGA的可塌落的共晶锡球一起回流熔化的时候。如果回流曲线周期不允许足够的时间让受夹陷的空气或蒸发的助焊剂跑出来，空洞就会在回流曲线的冷却区焊锡固化的时候形成。因此，回流温度曲线是空洞形成的原因。有非塌落锡球(高温焊锡 - 10Sn/90Pb - 熔点302°C)的BGA元件通常很少或不产生空洞，因为锡球在回流焊接期间不会熔化。
空洞接受标准(Void Acceptance Criteria)
　　在空洞中夹陷的气体可能在温度变化期间收缩与膨胀的时候造成应力上升。它们可以作为应力的开始点(在一些情况中，应力吸收)。它们可能开始(在一些情况中，终止)应力裂纹。空洞的消除或，至少，大量减少是人们所喜欢的。
　　空洞通过减少界面面积削弱界面的机械强度。其出现的影响是包围焊锡材料特性、尺寸位置、形状和关系的函数。
　　正如IPC-7095中所建立的空洞接受/拒绝标准包括两个值得注意的地方 - 空洞尺寸与位置。在界面的空洞，或者锡球到BGA，或者BGA到PCB，可能有品质和可靠性的影响，决定于尺寸和数量。这就是为什么委员会决定允许较小的空洞在界面上，而不允许在锡球本身内。还有，对第三类(Class III)的高可靠性应用的要求比对第一类(Class I)的要求更严格。空洞直径与面积之间的关系通过将空洞面积除以锡球的面积得到的。例如，如果空洞直径是锡球直径的60%，那么：
　　空洞面积 = Π(0.6d)2/4 这里d是锡球直径，空洞直径是锡球直径的60%。将它除以锡球的面积(Π(d)2/4)，结果是36%。
空洞的装配检查(Assembly Inspection for Voids)
　　要求使用X射线来检查BGA焊接点内的空洞。X射线设备价格范围可以从$50,000到$500,000美元。较低成本的设备是透射式X射线(transmisstion X-ray)，而较高成本的设备是X射线分层法(X-ray laminography)。两种分析设备之间的差别是透射式X射线可以发现空洞，但不能确定空洞存在“Z轴”的哪个位置(焊点的底部、中部或顶部)。通过编程的X射线分层法在Z轴上分割焊接点，以决定空洞的位置。由于X射线分层法设备的高成本，只有大型或高产量装配工厂才供得起这种设备。
　　一种达到BGA抽样或100% X射线检查的较低成本情况是将透射式X射线放在每一条SMT生产线。如果检查到可疑的空洞，将该装配拿下线，在离线的X射线分层法设备上作进一步分析和诊断缺陷。
　　制造商可以调整其工艺与材料以减少空洞的发生。用户可与供应商一起工作，消除BGA来料中的空洞。通常，在来料的BGA焊接点中发现很少或没有空洞。
　　回流时间/温度曲线、助焊剂数量、类型和特性应该研究以达到改进。这些空洞可以可以通过优化和材料与工艺的调整来消除。
　　Ray P. Prasad is an SMT editorial Advisory Board member adn author of the textbook Surface Mount Technology: Principles and Practice. Additionally, he is president of BeamWorks Inc. ( www.beamworks.com ), a supplier of selective automated assembly systems, located in Portland, OR and founder of the Ray Prasad Consultancy Group. Contact him at P.O. Box 219179, Portland, OR 97225; (503) 297-5897 or (503) 646-3224; Fax (503) 297-0330; Web site: www.rayprasad.com.
(Aaron 08/17/2001)