BGA枕头缺陷机理分析

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1 枕头缺陷定义

枕头缺陷（Head-in-Pillow，简称HIP）是常见于球状引脚栅格阵列封装（BGA）、芯片级封装（CSP）组件的一种失效。枕头现象是BGA、CSP元件的锡球没有和焊锡充分的融合，从而未能形成良好的电气连接和机械焊点。

从切片分析看，锡膏与BGA锡球经过回流但没有结合在一起，就像头被安置在一个柔软的枕头中，通常称为枕头缺陷。枕头缺陷切片如图1所示。

2 枕头缺陷的危害

虚焊有很大的隐蔽性，往往能通过功能测试，但由于焊接强度不够在后续的测试、装配、运输或使用过程中有可能会发生失效，对产品质量和公司信誉都将造成很大的影响。因此枕头缺陷危害性极大。

3 枕头缺陷的检测方法

3.1 切片分析法

切片分析比较直观，在电子显微镜下能够明显的观察到上下焊点没有熔融在一起，存在缝隙，见图2。

3.2 剥离分析法

此方法是把故障芯片从PCBA上剥离开来，在显微镜下观察锡球周边比较圆润，类似“球窝”，且没有明显的撕裂，见图3。

3.3 X-RAY分析法

2DX-RAY旋转45度后，观察焊点有拖尾的现象，呈现葫芦状连接，见图4红色箭头处。

3DX-RAY会更加直观，见图5。

3.4 侧面观察法

可以利用立体显微镜对PCBA进行直接观察，检查焊点是否有枕头现象。缺点是只能观察BGA外围的焊点，对于细间距BGA观察困难。

4 枕头缺陷形成机理

业界对HIP的发生机理有一定的争议，一般认为由于BGA封装翘曲、焊球氧化或污染、焊锡膏除氧化能力不足、锡膏印刷和贴装偏移等因素，在回流焊接的加热过程中，部分焊球与锡膏产生分离。当BGA封装因为进一步加热而变平整时，虽然焊锡球与熔融的锡膏重新接触，但是焊球面新形成的氧化层（SnO、SnO2）阻止了焊球和锡膏的进一步结合。于是便形成类似一颗头靠在枕头上的虚焊或假焊的焊接形状，见图6。

5 枕头缺陷要因分析

运用头脑风暴法，借助鱼骨图，从“人、机、料、法、环”等方面分析造成BGA枕头虚焊的原因，见图7。

能够造成HIP缺陷的原因很多，从鱼骨图可以分析出主要影响因素有部品翘曲，焊球表面异常，助焊剂耐热性不足，印刷少锡（锡量不足），锡膏润湿力不足，预热温度过高、时间长等（见上图中“☆”号部分），后续围绕主要问题进行分析。

5.1 部品翘曲

元器件的封装设计、材质都可能造成器件的翘曲。BGA封装的载板耐温不足时也容易在回流焊的时候发生载板翘曲变形问题，进而形成枕头缺陷，见图8。

可行性对策：通过更换物料，避免受潮，降低炉温请措施减少元件变形量。

5.2 焊球表面异常（污染或氧化）

BGA在IC封装厂完成后都会使用探针来接触焊球做功能测试，如果探针的洁净度没有处理的很好，有机会将污染物沾于BGA的焊球而形成焊接不良。其次，如果BGA封装未被妥善存放于温湿度管控的环境内，也可能会造成本体受潮、焊球氧化。

BGA封装厂植球时一般使用水溶性助焊剂，清洗不足时会造成残渣附着在焊球的表面，容易腐蚀锡球。见图9。

可行性对策：生产管控。

5.3 锡膏印刷不良

印刷于焊盘上面的锡膏量多寡不一就会造成锡膏无法接触到焊球的可能性，并形成枕头缺陷。另外，如果PCB定位不良或印刷参数设置不当，锡膏印刷偏离电路板的焊盘太远、错位，通常发生在多拼板的时候，当锡膏熔融时将无法提供足够的焊锡形成连接，就会有机会造成枕头缺陷。见图10。

可行性对策：生产管控，减少偏移。

5.4 钢网设计

在工艺问题中，钢网设计可能是最重要的。不良的钢网开孔会导致锡膏沉积不足，这会造成BGA跟锡膏接触不良，或者没有足够的助焊剂来消除焊球表面的氧化物。面积比以及脱模率是两个主要影响因素，低的脱模率会降低焊盘上的总的锡膏沉积量，可能导致助焊剂的润湿不足，并因此造成枕头缺陷的发生。

可行性对策：对于枕头虚焊，增加钢网厚度是最好的选择，但因周边元件影响不能增加钢网厚度时可以考虑增加开孔面积，增加焊锡量，同步增多了助焊剂。

5.5 锡膏

锡膏中助焊剂的作用过程可以分三个部分：活化、抗氧化性及延长钢网/粘性寿命。高活性是助焊剂中的有用部分，可以去除焊球及焊料中的氧化物；抗氧化性，例如助焊剂中高含量的松香，是很有效的，可以防止合金形成新的氧化物，这意味着将有更大的活性来防止器件的氧化。此外，由于锡膏配方的原因提高抗氧化性的同时也增加了粘性，这对于防止枕头缺陷的产生是非常有帮助的。如果焊膏一直维持着粘性，即使器件翘曲，焊膏也会延伸并保持连续性，因而在回流时焊膏和器件会始终维持一个整体并形成单一合金。

可行性对策：锡膏助焊剂耐热性不足和润湿力不佳是造成的焊接枕头缺陷的主要问题，提高锡膏中助焊剂的抗高温性和防氧化性对防止枕头缺陷的产生非常重要。

5.6 回流焊接曲线

当回流焊的温度或升温速度没有设好时，就容易发生没有融锡或BGA翘曲问题。长时间的高温使锡膏活性在回流焊接时基本上消耗殆尽，此时BGA锡球表面与焊锡的接触过程中已经失去了助焊剂的保护并且没有熔进锡膏主体，从而形成HIP。

可行性对策：条件允许的情况下，在设置标准范围内减少预热时间，降低焊接温度。

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枕头缺陷危害性极大