枕头缺陷的产生机理和原因分析

北京航星科技有限公司——吴敌/张留军/周啸宇

摘要：电子装联工艺中，BGA焊接的主要问题是枕头缺陷，也就是HIP，本文介绍了什么是枕头缺陷及危害性，判定方法，以及枕头缺陷的产生过程和原因分析，为工艺改善提供思路和方法。

关键词：枕头缺陷，氧化，变形

1、引言：

枕头缺陷也叫做HIP(Headinpillow)，是指回流焊后BGA的焊球与焊膏之间不能完全熔合形成焊点的一种缺陷。切片观察就像脑袋完全被压进了一个软的枕头中，所以也叫枕头缺陷。图1，图2和图3三个照片分别是显微镜，X-Ray和切片分析观察枕头缺陷的外观。

一些情况下枕头缺陷可以通过X-RAY和测试筛选出，但有些情况下焊球和锡膏界面接触上，测试和光学检查通过,但由于没有形成真正的合金连接,在后续的组装工艺、运输过程中因为热胀冷缩或在电流负荷而失效，危害性极大。需要对枕头缺陷进行分析，从产生机理、根本原因、理论依据、实验验证和改善方案等进行研究，查找出影响焊接的关键要素。

2、枕头缺陷的判定方法：

枕头缺陷的有效检测方法主要有四种：

侧面观察法，利用镜头可旋转显微镜下观察外围焊点。可以直观地看到枕头焊点，缺点则是只能观察到最外围的焊点，由于周边元件的影响，不太适用于位于PCBA中央位置的BGA。如图4

X-Ray射线透视法，通过旋转X-Ray射线透视的角度，高倍率放大情况下观察。正常焊点只能看到一个整体融合后的轮廓，而枕头焊点可以分别看出锡球的轮廓和锡膏的轮廓。如图5

剥离观察法，直接把BGA从PCBA上剥离后，在显微镜下观察BGA元件一侧的焊点形状，有向内凹的小酒窝。该方法可以快速有效地找出整个BGA上的所有枕头焊点的位置。如图6

切片分析法，通过金相显微镜来观察。该方法可以非常直观地观察到枕头缺陷，并且通过分析焊点形态及界面的结构有助于帮助我们找到形成缺陷的原因。如图7

上述的检测方法中侧面观察法和X-Ray射线透视法属于非破坏性检测，剥离观察和切片分析法属于破坏性检测。枕头缺陷的检测原则是先采用非破坏性，然后再破坏性分析。

3、枕头缺陷产生过程介绍:

3.1 BGA的焊接过程一般分为锡膏印刷---BGA贴装---回流焊接三个工序，如图8，这三个工序中的某个环节参数上偏离了工艺窗口，造成了焊接缺陷产生。

3.2 枕头缺陷产生过程

枕头缺陷发生在回流焊接过程，结合回流焊接的各个阶段，分析一下枕头缺陷的产生过程。如图9所示

第一阶段在印刷锡毫后，BGA放置在PCB上，焊球和焊膏接触后，进入回流炉升温过程中助焊剂活化，同时去除锡球上接触锡膏部分的氧化物。

第二阶段由于PCB或者芯片的动态翘曲特性等因素，锡膏和锡球中间产生了缝隙。

第三阶段PCB焊盘的锡膏融化，助焊剂覆盖表面，此时焊球也开始融化，但焊球表面很少或者没有助焊剂覆盖，焊球开始氧化，形成氧化层。

第四阶段焊球融化，BGA封装开始塌陷，焊球再次与熔融的焊膏接触，此时焊球和锡膏融合到一起，并在焊盘表面完成一系列冶金反应，生成合金层,理想焊点形成。融合的过程中助焊剂没有去除焊球氧化物，枕头缺陷就会出现。

4.HIP缺陷产生的原因：

人员、机器、物料、工艺方法和环境几个要素都可能造成HIP缺陷，具体包括工艺方面的网板设计，治具设计，温度曲线，PCB设计;设备方面的贴片偏移炉子加热能力;环境方面的温湿度;物料方面的BGA焊球氧化，PCB变形，锡膏性能;人员操作方面的污染焊球等方面。下图10是枕头缺陷产生原因的鱼骨图。

4.1人员操作方面：

员工操作不当污染锡球，锡膏保存不当，造成助焊剂失效，BGA芯片存储不当或者烘干次数过多，氧化严重。这几项操作不当都会导致助焊剂无法有效去除锡球的氧化物，造成枕头缺陷。

4.2设备方面:

印刷机的板固定结构设计会对焊接有影响，有些印刷机是板边的轨道压片定位，尽管压片只有0.1mm，但对于密间距BGA来说，靠近板边的锡膏要厚一些，远离板边的锡膏要薄一些，锡膏高度的一致性会受到影响，锡膏印刷薄的一侧容易形成缺陷焊点。

BGA贴装和印刷偏移:贴装或印刷偏移量较大情况下，回流焊接时锡膏和锡球暴露在空气中的面积越多,在回流焊接过程中就有更多的氧化物产生在锡膏和锡球的表面，而助焊剂很难完全去除这些氧化物，同时偏移程度超过表面张力拉回器件的能力，导致枕头焊点的出现。

贴装压力:如果贴装压力不够，相当于器件浮在锡膏表面，由于锡球和锡膏的高度有差异性，不能保证所有的锡球和锡膏有效的接触，在回流过程中，锡膏中的助焊剂就不能充分的润湿和接触锡球的表面，在融化过程中，就会有产生枕头现象。

回流炉如果热补偿能力差，产品连续过炉时热补偿不足，后面的板子温度较低，造成焊接不良。另外回流炉的加热不均匀，一方面造成板子变形严重，影响焊接:另一方面加热不均匀造成温差大，同一个BGA的dT较大，外排温度和融化时间在内排之前，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保护的情况下暴露在高温环境，发生氧化产生枕头缺陷。

4.3材料方面:

材料方面主要是PCB、BGA和锡膏的特性。

PCB的平整度对枕头缺陷的产生有着比较直接的影响，如果PCB平整度不好或者PCB材料的Tg值较低，低Tg值的PCB在高温时的抗弯曲，翘曲和扭曲性能较差在高温过程中弯曲趋势加重，使得BGA的锡球与锡膏分开，在液相点之上，锡膏与锡球融化，但彼此不接触。冷却阶段，BGA和PCB的翘曲开始缩小，锡膏与锡球接触上，此时助焊剂已经挥发掉，无法去除锡球表面氧化物，形成枕头缺陷。锡膏的抗塌陷性能不佳，在印刷后保持形状的时间过短，塌陷后，会造成锡球不能和锡膏有效接触导致的枕头现象。锡膏助焊剂活性不良或去氧化能力差,无法有效的润湿锡球表面，锡球和锡膏在氧化或者污染物的作用下，无法形成有效的焊点。

BGA锡球面氧化严重，锡膏中助焊剂无法有效的润湿锡球表面，去除氧化物形成枕头缺陷。

4.4 工艺和设计方面:

在锡膏印刷工艺问题中，锡膏量是很重要的。锡膏量不足的直接影响有两方面，一个是高度的不一致性导致的锡球和锡膏的非完全接触，以及即使回流前接触上了，但这个锡膏高度不能弥补在高温过程中造成的器件和PCB变形，进而在回流过程中锡球和锡膏分离，导致枕头。另一个就是锡膏里的助焊剂成分和合金是均匀混合在一起，锡膏量不足意味着有更少的助焊剂在里面，助焊剂的不足就导致不能有效的去除焊接界面的氧化物和有效润湿界面，形成虚焊现象。从工艺角度看对锡膏量影响最大的是钢网设计，其中钢网设计的开孔面积比非常重要，直接影响锡膏的转移率。

工艺方面另一个关键点是回流曲线，回流曲线设定不当，比如过快的升温斜率使助焊剂活化不够充分，无法保证较小的电路板的温差(AT)会对焊接产生影响，另外比较重要的就是过长的保温时间和回流时间使助焊剂消耗过多，这个时候剩余的助焊剂无法保证良好的辅助焊接性能，同样过高的回流温度和升温余率，加重元器件和PCB的翘曲程度，焊球与锡膏失去接触，也会造成枕头缺陷设计方面:对电路板的热布局设计和内层的铜层分布直接影响PCB受热的均匀性，不合理的设计会加重高温过程中的变形程度，引发枕头缺陷。4.5环境方面:如果温湿度过高，那么无论是对锡膏从网板上的转移率(脱模效果受影响)还是印刷后的锡膏保持形状的时间(容易塌陷)，都会影响最终的焊接。如果温度过低，锡膏流动性差，脱模效果不好也会对焊接产生影响。

5、综述

本文介绍了枕头缺陷判定方法、形成过程和主要原因，可以看出导致枕头缺陷产生的因素很多，一般情况下会从各个因素入手进行排查，结合产品的特点和生产实际情况，使用矩阵分析法或者FMEA列出影响最大的1-2个因素，对筛选出的因素提出改善方案，通过DoE进行试验验证，通常枕头缺陷产生的根本原因只有一个，通过筛选出的1-2个因子进行改善，在改善枕头缺陷的同时，可以进一步扩大工艺窗口，得到更加健壮可靠的工艺方法。