搜索
BGA焊點之Void現象探討一.背景及目的二.Void的種類三.Void對可靠度的影響四.Void產生機制五.Void產生的原因六.減少BGAVoid的對策童慧平一.背景及目的目前業界之BGA(Ballgridarray球柵陣列結構)均是借由錫膏以表面貼裝的方式整合于PCB(印製電路板)內，錫膏再經過迴流焊接將BGA與PCB連接在一起，以滿足電器以及結構之要求；然而BGA在焊接過程中產生的Void已成為影響產品可靠度的最重要的因素之一，爲了提高產品的可靠性，瞭解BGA內Void的產生機制以及產生的原因便顯得尤為重要。二.Void的種類元件組裝過程中，在焊點中的氣孔Void是無法避免的，基本上焊點的氣孔有兩種類型Kirkendall氣孔與Generalization氣孔。Kirkendall氣孔接近不同金屬的介面間，是由不同擴散速率的金屬元素在生成介面合金層(IMC)時所產生的微小氣孔，一般X-Ray無法偵測，必須使用掃描式電子顯微鏡方能觀察清楚；Generalization氣孔通常為焊接過程被捕捉在焊墊上的助焊劑排氣所致，因此氣孔皆有相當尺寸且可輕易的使用X-Ray或切片手法量測。三.Void對可靠度的影響氣孔對焊點可靠度有何影響呢？降低焊點強度及疲勞壽命變差，或抑制裂痕成長增進可靠度，一直是個爭議的問題。依據Motorola對BGA焊點氣孔研究結果顯示，裂痕成長的路徑一般沿著焊點與基板介面處成長，當裂痕成長到氣孔時，氣孔將扮演裂痕成長抑止及重新起始的角色，由於氣孔增加了焊點的體積，這是氣孔增加焊點耐疲勞壽命的貢獻，但是氣孔並不會明顯改變裂痕的成長路徑，而且會明顯影響焊點的可靠度。減低焊點的應力與應變將有效增加焊點的疲勞壽命，因此越大的氣孔引發越大的應力或應變，將導致焊點疲勞壽命嚴重下降，研究還表明小氣孔僅微量增加焊點的應變，反觀大氣孔，焊點所產生的應變隨著氣孔累積面積增加而劇增。因此，本文僅對大氣孔產生的機制以及原因進行探討。四.Void的產生機制BGA在植球製造中使用的是由高純度的焊錫經由造球塔熔融后，利用焊錫本身之表面張力形成無氣孔的錫球，而且球面上方是與大氣接觸的自由端，不會像錫膏內含有助焊劑會有揮發的氣體形成內在的氣泡，因此，在業界普遍的概念為錫球在組裝前幾乎是無氣孔存在于錫球內，焊點氣孔產生主要來自于錫膏組裝于印刷電路板之制程。氣孔主要形成原因為被夾成三明治結構的焊錫于回焊過程中，被捕捉在焊墊或錫粉上的助焊劑排氣無法揮發出三明治結構的焊點所致，此為應用錫膏組裝元件焊點的普遍現象。四.Void的產生機制氧化物及有機污染物為捕捉助焊劑的主要成份。錫粉的氧化物若于焊錫熔融前未被助焊劑的活化劑清除，會因焊錫熔融后其比重較輕，而有相當比例浮于液態焊錫表面，其氧化物具移動性，助焊劑被捕捉與焊點內的機會相對減少許多；焊墊上的氧化物因無法移動，與焊錫熔融前未被助焊劑的活化劑清除，便會捕捉助焊劑于焊墊表面被熔融的焊錫包覆，且隨著溫度的上升，排氣的現象更加明顯，形成氣泡，氣泡必須成長至足夠尺寸，使其產生的浮力足以克服附著力方能浮出PCB介面，浮出的氣泡緩慢上升至上端的焊點與基板介面，由於三明治結構並沒有排氣的路徑，造成焊錫固化時絕大部份氣泡仍被包與焊點與基板介面處，形成Void五.Void產生的原因Void人機器材料方法環境相對濕度較大焊墊焊錫性差錫膏中助焊劑偏少錫膏顆粒過小錫膏粘度偏低助焊劑活性不足焊墊的尺寸過大錫量不足Reflowprofile不佳密封性不好導致含氧量偏高六.減少BGAVoid的對策1.改善印刷電路板的焊錫性；2.增加印刷錫量(厚度，面積)；3.改善回焊爐以及烘烤爐的密閉性；4.降低回焊時的升溫斜率或延長預熱時間；5.使用合適的錫膏(助焊劑活性，錫粉顆粒大小，助焊劑含量，粘度)6.設計合適大小之PCBPAD7.對加工環境進行管控