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摘要： 本文通過對BGA芯片枕頭缺陷的形成機理進行分析,并運用魚骨圖分析造成枕頭缺陷的主要原因,提出可行性對策。最后通過實例的形式使用高活性焊錫膏,優(yōu)化鋼網(wǎng)開孔和回流焊接曲線等方面進行工藝改善,有效改善了BGA枕頭缺陷。 關(guān)鍵詞: BGA/CSP;焊接失效；枕頭缺陷（HIP） 枕頭缺陷（Head-in-Pillow，簡稱 HIP）是常見于球狀引腳柵格陣列封裝（BGA）、芯片級封裝（CSP）組件的一種失效。枕頭現(xiàn)象是 BGA、CSP 元件的錫球沒有和焊錫充分的融合，從而未能形成良好的電氣連接和機械焊點。從切片分析看，錫膏與 BGA 錫球經(jīng)過回流但沒有結(jié)合在一起，就像頭被安置在一個柔軟的枕頭中，通常稱為枕頭缺陷。枕頭缺陷切片如圖1所示。 
虛焊有很大的隱蔽性，往往能通過功能測試，但由于焊接強度不夠在后續(xù)的測試、裝配、運輸或使用過程中有可能會發(fā)生失效，對產(chǎn)品質(zhì)量和公司信譽都將造成很大的影響。因此枕頭缺陷危害性極大。 切片分析比較直觀，在電子顯微鏡下能夠明顯的觀察到上下焊
此方法是把故障芯片從 PCBA 上剝離開來，在顯微鏡下觀察錫球周邊比較圓潤，類似“球窩”，且沒有明顯的撕裂，見圖 3。 
2D X-RAY 旋轉(zhuǎn) 45 度后，觀察焊點有拖尾的現(xiàn)象，呈現(xiàn)葫蘆狀連接，見圖 4 紅色箭頭處。
可以利用立體顯微鏡對 PCBA 進行直接觀察，檢查焊點是否有枕頭現(xiàn)象。缺點是只能觀察 BGA 外圍的焊點，對于細間距 BGA 觀察困難。 業(yè)界對 HIP 的發(fā)生機理有一定的爭議，一般認為由于 BGA 封裝翹曲、焊球氧化或污染、焊錫膏除氧化能力不足、錫膏印刷和貼裝偏移等因素，在回流焊接的加熱過程中，部分焊球與錫膏產(chǎn)生分離。當 BGA 封裝因為進一步加熱而變平整時，雖然焊錫球與熔融的錫膏重新接觸，但是焊球面新形成的氧化層（SnO、SnO2）阻止了焊球和錫膏的進一步結(jié)合。于是便形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊或假焊的焊接形狀，見圖 6。
運用頭腦風暴法，借助魚骨圖，從“人、機、料、法、環(huán)”等方面分析造成 BGA 枕頭虛焊的原因，見圖 7。
能夠造成 HIP 缺陷的原因很多，從魚骨圖可以分析出主要影響因素有部品翹曲，焊球表面異常，助焊劑耐熱性不足，印刷少錫（錫量不足），錫膏潤濕力不足，預熱溫度過高、時間長等（見上圖中“☆”號部分），后續(xù)圍繞主要問題進行分析。 元器件的封裝設(shè)計、材質(zhì)都可能造成器件的翹曲。BGA 封裝的載板耐溫不足時也容易在回流焊的時候發(fā)生載板翹曲變形問題，進而形成枕頭缺陷，見圖 8。
可行性對策 ：通過更換物料，避免受潮，降低爐溫請措施減少元件變形量。BGA 在 IC 封裝廠完成后都會使用探針來接觸焊球做功能測試，如果探針的潔凈度沒有處理的很好，有機會將污染物沾于 BGA 的焊球而形成焊接不良。其次，如果 BGA 封裝未被妥善存放于溫濕度管控的環(huán)境內(nèi)，也可能會造成本體受潮、焊球氧化。BGA 封裝廠植球時一般使用水溶性助焊劑，清洗不足時會造成殘渣附著在焊球的表面，容易腐蝕錫球。見圖 9。
印刷于焊盤上面的錫膏量多寡不一就會造成錫膏無法接觸到焊球的可能性，并形成枕頭缺陷。另外，如果 PCB 定位不良或印刷參數(shù)設(shè)置不當，錫膏印刷偏離電路板的焊盤太遠、錯位，通常發(fā)生在多拼板的時候，當錫膏熔融時將無法提供足夠的焊錫形成連接，就會有機會造成枕頭缺陷。見圖 10。
在工藝問題中，鋼網(wǎng)設(shè)計可能是最重要的。不良的鋼網(wǎng)開孔會導致錫膏沉積不足，這會造成 BGA 跟錫膏接觸不良，或者沒有足夠的助焊劑來消除焊球表面的氧化物。面積比以及脫模率是兩個主要影響因素，低的脫模率會降低焊盤上的總的錫膏沉積量，可能導致助焊劑的潤濕不足，并因此造成枕頭缺陷的發(fā)生。 可行性對策 ：對于枕頭虛焊，增加鋼網(wǎng)厚度是最好的選擇，但因周邊元件影響不能增加鋼網(wǎng)厚度時可以考慮增加開孔面積，增加焊錫量，同步增多了助焊劑。 錫膏中助焊劑的作用過程可以分三個部分 ：活化、抗氧化性及延長鋼網(wǎng) / 粘性壽命。高活性是助焊劑中的有用部分，可以去除焊球及焊料中的氧化物 ；抗氧化性，例如助焊劑中高含量的松香，是很有效的，可以防止合金形成新的氧化物，這意味著將有更大的活性來防止器件的氧化。此外，由于錫膏配方的原因提高抗氧化性的同時也增加了粘性，這對于防止枕頭缺陷的產(chǎn)生是非常有幫助的。如果焊膏一直維持著粘性，即使器件翹曲，焊膏也會延伸并保持連續(xù)性，因而在回流時焊膏和器件會始終維持一個整體并形成單一合金。可行性對策 ：錫膏助焊劑耐熱性不足和潤濕力不佳是造成的焊接枕頭缺陷的主要問題，提高錫膏中助焊劑的抗高溫性和防氧化性對防止枕頭缺陷的產(chǎn)生非常重要。 當回流焊的溫度或升溫速度沒有設(shè)好時，就容易發(fā)生沒有融錫或 BGA 翹曲問題。長時間的高溫使錫膏活性在回流焊接時基本上消耗殆盡，此時 BGA 錫球表面與焊錫的接觸過程中已經(jīng)失去了助焊劑的保護并且沒有熔進錫膏主體，從而形成 HIP?？尚行詫Σ?：條件允許的情況下，在設(shè)置標準范圍內(nèi)減少預熱時間，降低焊接溫度。6 案例 ：某公司通信產(chǎn)品主芯片枕頭缺陷原因分析及改善 某公司通信產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)存在約 1% 左右不開機，分析是主芯片M***** 虛焊，經(jīng)過剝離發(fā)現(xiàn)是主芯片枕頭缺陷，不良焊點較多，見圖 11。后面我們主要考慮從部品、工藝方面進行分析和改善。
通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)芯片供方有二個封裝廠 ：TW 封裝廠和 SH 封裝廠。TW 封裝廠的芯片虛焊不良率為 3% 左右，SH 封裝廠的芯片虛焊不良率為 0。將二個封裝廠的芯片各取樣 10pcs 送第三方實驗室檢測，測試數(shù)據(jù)如圖 12、表 1。
190-240 度區(qū)間，TW 封裝廠的芯片比 SH 封裝廠的芯片高溫形變大。測量芯片焊錫球，未發(fā)現(xiàn)氧化以及污染的現(xiàn)象。
圖13 是封裝廠家推薦的回流焊接曲線，圖14 是錫膏廠家推薦回流焊接曲線，根據(jù)推薦曲線將實際回流爐進行優(yōu)化，適當減少預熱時間，減低峰值溫度。減少保溫時間不利于排除空洞，溫度設(shè)置一定要兼顧。優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)置及實際測量數(shù)據(jù)見表 2 和圖 15。
采用優(yōu)化后的回流焊接溫度曲，跟蹤生產(chǎn)狀態(tài)，TW 封裝廠芯片焊接不良率還是 3% 左右，無明顯改善。 目前主芯片鋼網(wǎng)開孔為直徑 0.26mm 圓（鋼網(wǎng)厚度 0.1mm），將鋼網(wǎng)開孔增大至 0.25mm 方孔進行驗證。0.25mm 方形開孔理論印刷錫膏面積比 0.26mm 圓形大，有利于增加焊錫量，面積比（AR）二者比較接近，焊錫實際體積增加13.6%。見表 3。
0.25mm 方形開孔體積 ：0.05608*0.0931345 mm30.26mm 圓孔開孔體積 ：0.04902*0.0852583 mm30.25mm 方形開孔（倒圓角）試驗結(jié)果：錫膏體積增加 24.97%。使用 0.25mm 方形開孔的鋼網(wǎng)，連續(xù)跟蹤生產(chǎn) 10k，TW 封裝廠的芯片虛焊率 2.7%，稍有改善但不明顯。目前我們使用的錫膏型號是 S 品牌 M**，其成分 Sn-1.0Ag-0.7Cu-Bi-In，類型 Type4。本錫膏主要特點是在降低 Ag 含量的同時，增加了 Bi 和 In 元素，成本上比較有優(yōu)勢。M** 的助焊劑型號為LS720，在現(xiàn)在的錫膏中抗氧化性一般，更換成分為 SAC305 抗氧化性比較強的 S*** 進行驗證。使用同批次的 TW 封裝廠供應的 M***** 芯片，批次號 E1517。M** 與 S*** 錫膏各生產(chǎn) 1000pcs 對比，見表 4。
S*** 錫膏對改善 TW 封裝廠芯片虛焊效果較好。 還有一些其他的方法增加抗氧化性及活性，如氮氣回流，增加助焊劑，焊膏浸蘸工藝等。氮氣回流不會去除器件上已有的氧化物和氫氧化物，但可以預防在回流過程中增加氧化物的形成。助焊劑或焊膏浸蘸是可行的選擇，因為這直接在器件上增加了活性物質(zhì)，而不是等著板子上的助焊劑來去除。但這種操作增加了焊接工藝和生產(chǎn)成本，不能長期有效實施，在有其他改善措施的情況下不建議采用。 BGA 枕頭缺陷一般是由多種影響因素綜合作用形成的，在分析和解決問題的時候，要抓住主要影響因素。本案例中主芯片虛焊通過分析以及驗證實驗，初步形成以下結(jié)論 ：（2）測試芯片高溫形變均沒有超出 80um，但 TW 封裝廠的芯片高溫形變比 SH 封裝廠的芯片大。芯片測量20pcs 未發(fā)現(xiàn)錫球異物。（3）S*** 焊錫膏焊抗枕頭缺陷能力比目前使用的 M** 好，能夠較好的解決 TW 封裝廠芯片的 HIP 虛焊。對于 HIP 的解決，更換抗氧化性較高的錫膏是最好的選擇。（4）調(diào)整爐溫曲線對解決芯片枕頭缺陷改善效果不明顯。（5）增加焊錫量對于 HIP 稍有改善，適當增加鋼網(wǎng)厚度可以抑制枕頭焊點的發(fā)生。（6）條件允許建議增加氮氣焊接，減少錫球氧化幾率。
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