收集印刷电路板元件(PBA)上的球栅阵列封装(BGA)数目与变体都有增长的趋向，其尺寸从数毫米的低球数晶圆级封装(WLP)到拥有60-70毫米边长及数千个I/O的年夜型多芯片体系封装(SiP)BGA。

图1-来自HoP缺陷阐发的X射线图象

一个庞大挑战是回流焊历程中的动态翘曲，尤其是对于在年夜型BGA、SiP以和细间距超薄BGA元件。这类翘曲可能致使锡球于焊接历程中与焊膏和助焊剂掉去接触，导致焊点外形不法则，即添加的焊料与BGA锡球之间联合不良或者没有联合。这类缺陷被称为枕头效应(HoP)，是一种很难检测的缺陷类型。

于本研究中，起首采用x射线查抄来发明存心制造的HoP缺陷，然后再撬开BGA验证两种要领之间的HoP缺陷与妨碍检测的相干性。成果清晰地注解，于x射线阐发中被归类为HoP缺陷的很多焊点于撬开后彻底没有HoP迹象。这申明于利用x射线查抄时很难确定是否属在HoP缺陷。

本研究的目的是相识怎样使用安全的x射线阐发举行HoP缺陷检测。

简介

本文来历在一项焊膏鉴定实验，旨于寻觅一种低卤或者无卤焊膏，以代替卤化物含量较高的焊膏。于焊膏中利用“弱”助焊剂可能对于PCB焊盘、引线及端点造成不良影响。是以举行了多项差别的润湿实验。于阐发该HoP缺陷实验的焊点时发明了x射线查抄与撬开元件之间的显著差异，这清晰注解确定此类缺陷的难度很年夜。

图2-芯片元件放置于丝网印刷焊膏的BGA焊盘上的示例

要领论

本文选择了一种HoP缺陷评估要领，即丝网印刷焊膏后，将两个芯片元件放置于实验用BGA焊板的几列焊盘上，见图2。

放置两个芯片元件后，应于芯片元件顶部放置BGA，见图3。

图3-所用HoP测试要领的示用意

该HoP缺陷评估法的思绪是:于回流焊历程中，差别列的BGA锡球于差别时间接触焊膏助焊剂。一些锡球从一最先就与焊膏助焊剂接触，而其他锡球于焊料彻底融化并“拥抱”芯片元件以前不会接触焊膏助焊剂。

本次评估触及如下操作:

•元件及电路板的丈量。

•预备模板、SMT步伐、回流焊参数等。

•实验电路板的丝网印刷。

•丝网印刷焊膏沉积物的SPI丈量。

•于每一个实验用BGA焊盘上放置两个电阻。

•于带有两个电阻的焊盘上放置BGA。

•空气中的对于流回流焊。

•X射线查抄与阐发。

•撬开BGA并阐发成果。

•比力x射线与撬开阐发的成果。

A、关在所选要领的会商

利用上述要领来比力差别焊膏的HoP敏感性需要对于包装、电路板、添加质料及工艺有深切研究。必需相识并把握如下各项:

•BGA锡球高度。•芯片高度。•BGA锡球共面性。•焊膏印刷高度。

•于放置历程中，元件被压入焊膏沉积物的间隔。

经由过程选择相对于较小的BGA组件以和对于称的电路板结构，如许一来焊接历程中的翘曲对于成果的影响可纰漏不计。

测试东西

本HoP缺陷评估利用了原本设计用在BGA及BTC/MLF热焊盘焊点浮泛测试的实验电路板。HoP缺陷测试选择了0402电阻及间距为1.0妹妹的256锡球BGA。装置时测试了9种差别的SAC30五、免洗濯、4型焊膏(定名为A至I)。

图4-带有两个实验用PCB的面板，用在焊膏浮泛测试及HoP缺陷测试

A、实验电路板

本实验利用了一块2.1妹妹厚、带ENIG衬垫饰面的双层实验电路板。每一块电路板上有针对于五个差别BTC/MLF元件的五个焊盘以和三个差别的BGA及一个年夜型PA晶体管，可是本HoP缺陷测试只利用了每一个电路板上的一个BGA焊盘。本实验利用的每个面板均装有两块实验电路板。用在HoP缺陷BGA装置测试的NSMD PCB焊盘是圆形的，直径为0.41妹妹，焊接掩模启齿为0.53妹妹。

实验电路板面板如图4所示。

B、实验元件

本测试利用了尺度BGA256封装及0402电阻。实验元件如图5所示。

BGA封装具备1.0妹妹间距，菊花链图案，SAC105合金锡球及17妹妹边长。焊接前的BGA锡球高度为0.36至0.39妹妹。电阻的丈量高度为0.29至0.32妹妹。

图5-HoP实验元件的BGA(两张左图)及0402电阻(右)

装置

装置历程从于BGA焊盘上印刷焊膏最先，然后放置0402电阻及BGA256元件。末了，完成装置的实验电路板于空气中举行回流焊。

A、丝网印刷

丝网印刷历程利用了0.127妹妹(5mil)厚、激光切割的不锈钢模板，具备0.41妹妹的方形孔及0.05妹妹的角半径。利用出产SPI装备丈量每一个焊膏沉积的高度及体积。

图6显示了此中一种测试焊膏的典型焊膏沉积高度漫衍。

对于在BGA焊盘上的焊膏沉积，所有测试焊膏显示出不变的高度及体积漫衍。

图6-此中一种测试焊膏的焊膏高度变化示例。

B、元件放置

于丝网印刷及SPI丈量以后，两个0402电阻被放置于BGA封装的每一个焊盘的四个焊点上，见图74。请留意，与图二、图3中的电阻比拟，图7中的0402电阻被顺时针扭转了90°。如许做的缘故原由是为了让电阻两头从BGA锡球处得到相等压力，从而将BGA下方0402电阻呈现“立碑征象”的危害降到最低。

于将BGA256置在顶部以前，手动查抄0402电阻的放置环境。

图7-带有丝网印刷焊膏及两个0402电阻的BGA焊盘

图8显示了一个下方放置了两个0402电阻的BGA256。

图8-BGA256封装放于印刷焊盘上，其下方放置了两个0402电阻

针对于0402电阻及BGA256封装的零丁放置丈量注解，电阻元件被深深压入印刷焊膏中，放置后的总高度约为0.36妹妹至0.38妹妹。这象征着从图9左侧第五行或者第六行最先，锡球于焊膏及BGA锡球最先融化前不会接触焊膏。

图9-放置于印刷焊膏上的BGA256封装的横截面示用意，其下方是0402电阻

C、回流焊

回流焊于置在空气中的十二温区回流焊炉内举行，利用合适所有实验焊膏的回流焊参数。BGA焊点温度概要以下:

•温度高在SAC105锡球液相线的时间:75s

•温度于150-220°C之间的时间:94s

•最年夜升温速率:2.0̊C/s•峰值温度:245̊C

•4 min 0s后到达峰值回流焊概要如图10所示。

图10-BGA256焊点的回流焊概要

D、装置成果

实验电路板的查抄成果优良，元件放置准确，润湿性优良，焊点成形优良。图11中可以看到一个完成装置的实验电路板示例，此中HoP缺陷测试封装被深蓝色框包抄。

HoP缺陷封装的位置见图11的编号5及10。

图12显示了BGA256HoP测试回流焊后的侧视图。请留意左边焊点(间隔预先放置的0402电阻最远)与右边焊点(间隔电阻较近)之间的高度差。所有实验电路板都乐成装置。

图11-带有HoP缺陷BGA测试元件的实验电路板面板

图12-焊接后，BGA256封装被置在印刷焊膏的位置，下方有两个0402电阻

X射线查抄HoP

检测隐蔽BGA焊点最多见、无损的要领是利用x射线查抄7。本研究利用了一台现代的2D/2.5Dx射线装备，歪斜视角可达70̊，还有利用了360̊样品扭转，见图13。

于这些BGA焊点查抄中，x射线探测器歪斜角为70̊，样品查抄台扭转了45̊。图14显示了一个采用此视图的x射线查抄的示例图象。

于图14中可以看到放置于BGA256下方的0402电阻以和差别外形的焊点。BGA锡球与印刷焊膏之间发生联合不良(可能呈现HoP缺陷)的危害沿图象右下方逐渐增长。高度差向左上方逐渐减小，HoP缺陷的危害沿该标的目的逐渐降低。

图15是图14所示BGA于俯视图(歪斜角为0̊)中的环境。

图13-X射线查抄-探测器视角从0̊至70̊，还有利用了360̊样品扭转

图14-X射线查抄-探测器视角为70̊，样品扭转了45̊

图15中也能看到两个0402电阻，于x射线俯视图上向左不雅察焊点会发明焊点直径逐渐增年夜，这是最阔别电阻的位置。焊点直径越年夜申明高度差越小。

图15-X射线查抄-俯视图(歪斜角为0̊)

图16-于本次x射线查抄中，以上BGA焊点均被视为HoP

A、HoP缺陷的X射线判据

于查抄将BGA256封装放置并焊接于包罗两个0402电阻的电路板上形成的焊点x射线图象时，有须要确定哪些焊点外形应被判断为可能具备HoP缺陷。按照IPC-A-610G《电子装置的可接管性》，本实验中孕育发生的一些焊点可能被归类为“断裂的焊接”或者“腰部”缺陷，但大都环境下很难区别这两类过错与HoP缺陷。是以，按照如下尺度，本次评估将这三类缺陷都归类为HoP缺陷。图16给出了于该x射线查抄中，焊点被判断为HoP缺陷的图象示例。

被认为优良、没有HoP缺陷的焊点应该是彻底润湿的，于电路板焊盘与元件侧BGA焊盘之间形成一个单一焊点布局。针对于HoP缺陷模式，这些准确BGA焊点可被彻底折叠或者拉伸。优良焊点(没有HoP)的示例如图17所示。

图17-针对于HoP，优良焊点的X射线图象

图18及图19显示了本研究中体现最佳及最差的焊膏示例。

图18-最佳焊膏的焊点X射线图象

如图18所示，所有BGA焊点都有一个单一焊点布局，只管它们的外形差别;拉长的焊点具备最年夜高度差，而间隔0402电阻最远的元件侧焊点被压缩患上很扁平。该焊膏于HoP评价中的成果最佳，没有发明HoP缺陷。

图19-利用HoP缓解效果较差的焊膏所天生的焊点X射线图象

如图19所示，于具备最年夜高度差的BGA焊点中发明了很多HoP缺陷。BGA中央焊点的HoP缺陷数目于削减，而与电路板之间高度差最小的BGA焊点彻底没有HoP缺陷。于很多包罗HoP缺陷的焊点中，一些HoP缺陷是于正常焊点四周被发明的。

本次评估的HoP缺陷计较成果;每一个BGA的252(256-4)个焊点被视为缺陷时机。最佳的焊膏具备0%的缺陷(x射线图象如图18所示)，最差的具备38.9%的缺陷(x射线图象如图19所示)。本文总结了九种差别焊膏缓解HoP缺陷的能力，如图20所示。

图20-九种差别焊膏的焊膏HoP缺陷率-BGA256

图20显示了九种评估焊膏的HoP缓解能力的巨年夜差异。焊膏D及H没有(或者险些没有)HoP缺陷，而焊膏A及I体现最差，估计有约30%甚至以上的焊点具备HoP缺陷。

使用x射线难以判定HoP缺陷，以是需要验证。是以，咱们撬开元件，然后查抄撬开后的元件及电路板。

撬开元件

为了验证本研究中的HoP缺陷，咱们将x光查抄过的BGA撬开，然后查抄电路板及封装。所有元件都以一样的方式撬开，即从间隔0402电阻最远的BGA边沿最先。

撬开元件后，用显微镜很轻易查抄出真实的HoP缺陷。假如呈现HoP缺陷，则BGA锡球仍旧留于封装侧，并且移开的电路板焊膏会于锡球上留下一个凹坑。留下的锡球上没有裂纹区域，凹坑周围的球形边沿较平滑。图21显示了一个经由过程撬开元件来验证HoP缺陷的示例。

图21-撬开一个实验BGA后验证八个HoP缺陷

撬开准确成形的BGA焊点时，锡球往往与焊盘一路从电路板或者封装中被彻底移除了。这些焊点也可能断裂，于电路板侧及封装侧留下带有裂纹的焊膏外貌。

图22显示了两个用焊膏I焊接的撬开元件的示例。

图22-撬开两个实验BGA后验证HoP缺陷-焊膏

撬开BGA实验元件可以简朴而安全地验证真实的HoP缺陷。但这是一种粉碎性要领，没法用在现实产物。

X射线与撬开查抄的比力

撬开所有测试封装后，于统计真实的HoP缺陷时可以对于先前x射线发明的HoP缺陷举行比力。图23中的图表给出了比力成果。

图23- HoP缺陷率-x射线与撬开实验BGA的比力成果

如图23所示，于x射线查抄中发明的HoP缺陷与撬开元件后的差异较年夜。因为x射线阐发中利用的HoP尺度还有包括焊点断裂及“腰部”缺陷，是以估计与撬开后验证HoP缺陷比拟，采用较坚苦的x射线图象判定时应呈现轻微多一些的HoP缺陷。估计会发明至少70-80%准确验证的HoP缺陷。但许多时辰二者差异弘远在表1所示的差异。

显然很多于x射线查抄中看起来像真正HoP缺陷的焊点现实上其实不是HoP缺陷。咱们对于x射线图象与撬开元件后的显微镜图象举行了比力。图24显示了该比力中一个BGA封装的一角10。

表1-HoP缺陷率比率-撬开验证与x射线查抄对于比

图24-x射线图象(左)与撬开元件(右)的比力-红圈暗示已经验证的HoP缺陷

于图24中，全数9个BGA焊点于x射线图象阐发中被判断为HoP缺陷。但撬开后发明只有两个被证明为真实的HoP缺陷。别的七个焊点都充足结实，甚至可以扯开焊盘。图25放年夜了图24的两幅图中蓝色方框内的角落焊点。

图25-颠末撬开实验后，具备清楚“腰部”的角落焊点的放年夜图

于图24所示的x射线图象中，一些焊点看起来像焊膏与锡球，至少部门已经经润湿并连于一路，但于研究这些BGA的x射线图象时，不成能发明两个真正HoP缺陷之间的任何差异，例如蓝色方框内的角落焊点(图24及图25)。

会商

仅仅利用x射线作为检测技能险些不成能包管查出所有HoP缺陷。于x射线中可以看到的是“HoP外形”的BGA焊点，这些焊点的强度与靠得住性比彻底润湿的同质焊点低患上多。

于IPC-A-610G修订版第8.3.12.3节《电子装置的可接管性》中，HoP缺陷仅能经由过程照片显示，除了外围BGA外，险些不成能看到HoP缺陷，本尺度对于x射线图象的解读没有任何引导意义。本尺度中的HoP缺陷尺度为“锡球润湿度不足以与焊膏联合”，于这一点上很轻易告竣一致。然而，BGA焊点呈现“腰部”征象也会被视为缺陷(但不被归类为HoP)，该缺陷凡是可以用现代x射线装备检测出。图26是HoP缺陷以和呈现了[2]中“腰部”征象的BGA焊点的侧视图。

图26-按照[2]的缺陷尺度-HoP焊点(上)与呈现了“腰部”征象的焊点(下)

只管x射线图象没法正确判定锡球与焊膏是否润湿并联合，但x射线图象凡是能显示出焊点中存于的“腰部”征象，这也可能致使这些焊点分歧格。

结论与建议

本研究显示，利用x射线查抄很难区别发生HoP缺陷、“腰部”征象以和断裂的焊点。因为这些缺陷可能发生于BGA外围及封装中央的下方，以是IPC-A-610G修订版中划定的光学侧视图查抄尺度不足以作为质量尺度。是以，建议于IPC-A-610的下一次修订中采用“假如BGA焊点呈现任何‘腰部’征象均被视为缺陷”的x射线查抄尺度。