通过回流曲线改善HIP缺陷的思路和案例

北京航星科技有限公司——吴敌/敬小丽/吴倩/尹国栋

摘要：电子装联工艺中，BGA焊接的主要问题之一是枕头缺陷，也就是HIP，本文从回流焊接过程的两个实验出发，一个是锡膏在不同温度下反应过程模拟分析，观察锡膏和锡球反应融合的过程，另一个是对锡膏在不同温度曲线下助焊剂残留物对比分析，结合枕头缺陷的失效机理和原因，介绍某产品通过回流温度曲线进行HIP枕头缺陷改善的思路。

关键词：温度曲线、锡膏和锡球融合、助焊剂残留

1、引言:

通过笔者之前文章《枕头缺陷的产生机理和原因分析》中对枕头缺陷的介绍和判定方法，以及产生的机理和原因分析，可以看出锡膏印刷，回流曲线，PCB变形和器件氧化等几方面对枕头缺陷产生是很关键的，需要重点研究工艺方法对这几方面优化，本文从回流焊接过程的锡膏和锡球反应融合的过程和锡膏回流后助焊剂残留物两个方面结合具体案例看一下如何通过回流曲线做改善。

2、通过回流曲线对枕头缺陷改善的思路和案例

在分享回流曲线改善枕头缺陷案例前，先介绍一下针对回流曲线的两个实验:

1）锡膏在不同温度下反应过程模拟分析，观察锡膏和锡球反应融合的过程:在.BGA焊盘上点了锡膏，锡膏上码放了无铅的焊锡球，锡球的三分之一高度浸入锡膏里，同时距离锡球3mm处固定了一个热电偶，使用返修工作站进行加热，实时采集焊盘的温度，通过显微镜对焊锡膏和焊锡球变化进行观察。在热电偶显示100度时，助焊剂开始有少许挥发现象，在130度-180度之间，明显的挥发和活化，锡球表面变亮。当热电偶温度显示214-215度时，锡膏开始融化收缩，融化的锡把锡球包裹上，锡球下降最后和融化的焊锡融为一体。实验过程见图1。

图1、锡膏在不同温度下的反应过程实验

2) 对锡膏在不同温度曲线下助焊剂残留物对比分析:对印刷好同种锡膏的同种 PCB,分别在不同的温度曲线下观察表面助焊剂残留情况和形态,其中条件A是保温时间在90秒，最高温度在250度的曲线，条件B是在A基础上缩短保温时问到60S,最高温度减少到245度，升温斜率和液相时间接近。下图2是较大焊盘在回流后的助焊剂残留形态对比，可以看出A条件下的锡膏助焊剂残留多于B条件，如图7。

图2、锡膏在不同温度曲线下助焊剂残留物对比

下图3是较小焊盘的回流后的锡表面形态对比，小焊盘的锡膏体积也较小，助焊剂含量也较少，如果助焊剂不足或者挥发较多，会有颗粒状形态。可以看出条件A助焊剂在保温阶段已经挥发比较多，润湿不好，颗粒状比较明显,而条件B颗粒状的情况和比例要好很多。

图3.锡膏在不同温度曲线下小焊盘的形态对比

通过这两个实验结合回流焊接中枕头缺陷的产生过程（见图4)，可以了解到过长的保温时间使锡膏中的助焊剂过度挥发消耗，过早失去活性，焊锡表面残留粘稠度较大流动性差的残留物，他们覆盖在焊料表面，进一步阻碍了焊料的扩散，造成锡膏与BGA焊料球扩散熔合不良。同样过高的回流温度和过长的回流时间，会加重元器件和 PCB的翘曲程度，焊球与锡膏失去接触，也会造成枕头缺陷。升温斜率过大，BGA 的△T较大，外排温度和融化时间在内排之前，封装的塌陷只能在内排焊球也融化之后才会发生。由于温差和液化时间的差异(液相时间延迟)，BGA塌陷前，外侧焊球会在没有助焊剂报用户的情况下暴露在高温环境，发生氧化产生HP。所以对于HIP枕头缺陷，温度曲线的改善思路是缩短回流曲线保温时间，降低△T，控制升温斜率，保持适合的回流时间和峰值温度。

图4.回流焊接中枕头缺陷的产生过程

下图5就是某产品回流曲线的优化示例，通过曲线的优化，改善了BGA焊接，减少了HIP缺陷，从曲线优化前后的实测数据可以看出，案例中保温时间(130-180度)从91秒减少到61秒，缩短了30秒左右，最高温度从251度减少到244度，降低了7度左右，回流时间减少了6秒左右。

图5.回流曲线的优化示例

3、综述

木文从回流焊接过程的两个实验出发，一个是锡膏在不同温度下反应过程模拟分析，观察锡膏和锡球反应融合的过程，另一个是对锡膏在不同温度曲线下助焊剂残留物对比分析，结合枕头缺陷的失效机理和原因，介绍了某产品通过回流温度曲线进行HIP枕头缺陷改善的思路。

HIP枕头缺陷产生的原因还是有很多的，在改善枕头缺陷时，首先从之前文章《枕头缺陷的产生机理和原因分析》介绍的各个因素入手进行排查,结合产品的特点和生产实际情况，确定根本原因。本文只是从 BGA焊接工艺的回流曲线改善实例出发，探讨了改善思路，希望可以起到抛砖引玉的作用，广大工艺人员在改善枕头缺陷的同时，进一步扩大工艺窗口，实现更加健壮可靠的焊接工艺。