BGA焊点可靠性工艺研究

李晓明 刘冰野 任康

摘 要：随着当今社会现代化、科技化的发展，各类电子设备的功能性越发强大，与此同时针对电子设备的自身的要求在增加，便携化、小型化与网络化已经成为当今电子设备的主流发展方向。BGA（Ball Grid Array）封装元器件在电子模块中的占比已逐渐提高，其完美的适应了电子设备便携化、小型化、高性能网络化的发展方向，因此被广泛使用，同时对于BGA焊点可靠性工艺的研究也在不断的进步。本文将针对BGA焊点可靠性工艺研究做出分析与归纳，在此基础上简要的预测BGA焊点可靠性的未来发展方向。

关键词：BGA;焊点;可靠性;工艺研究

BGA的全称为球栅阵列，它是集成电路采用的一种封装法。随着时代发展，现代电子设备通常使用高功能、高密度的BGA封装技术，正因此种封装技术的优势使得电子设备得到长足飞跃式的发展，同时在此过程当中也对BGA焊点可靠性的工艺提出更高的要求。该封装内部结构、尺寸及空洞等多方面因素都将对BGA焊点可靠性造成一定影响，因此本文将针对以上几种问题做出相关解析。

1 BGA及其焊接工艺简介

在BGA焊接工艺当中，根据封装使用的原材料不同，可以分为PBGA和CBGA两种封装方式，PBGA（塑料封装）的具有制造成本低，工艺简单等优点，但由于其原材料的特性，塑料封装较为容易受潮，因此打开包装以后需要在短时间内使用。CBGA（陶瓷封装）使用的封装材料相较于PBGA防潮效果更好，器件本身的可靠性方面也有较大的提升。

2 BGA焊接质量及检验

当焊接工作结束后，由于在焊接过程中焊点的位置是在封装体的下方，无法单一通过观测辨别焊接质量。通常，当焊接工作完成后，首先应当观察芯片外圈的塌陷程度是否相同，确认相同以后再将芯片与光线对准进行观察，再次确认所有的缝隙的透光性，确定未出现连焊的现象，对焊接质量进行初步判断。初步判断完成以后需要对焊点进行下一步质量检测，此步骤需要在X光检测仪器辅助下完成。

3 器件及焊点可靠性影响因素

3.1 焊点材料属性

铅金属由于自身带有相关挥发性并且有可能对人体健康产生危害，在电子元件的制造中无铅化被大量的施行，但由于铅合金在BGA焊接过程中扮演重要的角色，铅锡合金具有的种种优点的原因，导致现阶段铅锡合金焊料仍被广泛的使用着，为了更快速的实现无铅化，针对于无铅焊料的研发势必可行，并且应当大力推行混合焊点的使用。

目前混合焊接分为两种类型，首先为向前兼容型焊点，其操作方法为将含有铅金属的组件与无铅焊料进行焊接;另外还存在向后兼容性焊点，其操作方式为将无铅组件与有铅焊料进行焊接。相关资料研究表明，向前兼容型焊点在热疲劳寿命的延长方面效果明显好于向后兼容型焊點。

3.2 封装尺寸

焊点可靠性可能受到多方面条件的影响，封装尺寸同样是其中条件之一，通过大量相关专业人员的试验及总结，封装尺寸与焊点可靠性的关系如表1所示。

3.3 空洞

由于无铅焊料和有铅焊料在材质方面的差异导致其两者具有不同的浸润性，通过相关试验得出结论，对比有铅焊料，无铅焊料在使用过程中更容易产生空洞，并且在空洞形成的测试过程中进行了空洞大小数量及其位置对焊点可靠性影响的进一步试验。试验发现空洞形成且其具体位置等因素对焊点热寿命产生一定影响，但未发现明显的规律性。

3.4 载荷条件

载荷条件同样是BGA焊点可靠性的影响因素之一，焊点可靠性在不同的载荷条件之下所体现的效果是不同的，众多的专业人员对不同载荷条件下焊点的可靠性进行过全面的试验和分析，并且做出了相关结论，具体如表2所示。

4 板级焊点可靠性研究

通常情况下电子器件的安装位置为电路板，而电路板是集成总体，因此器件的焊点可靠性将会受到来自电路板多方面条件影响，例如电路板中电子器件的分布情况，电路板散热系统的设计及质量或焊盘整体构造以及涂层的选用等。

4.1 电路板布局

电路板的布局结构直接影响着焊点的可靠性，相关专业人员通过研究发现，当焊点的位置处在距离固定螺丝较近时，焊点的可靠性不容易得到保障，究其原因，首先靠近固定螺丝的焊点受到来自其他方向的力量更大，导致其振幅较大，因此相应的改进办法应该为将焊点的选取位置设置在距离固定螺丝较远的区域。

4.2 焊盘材质与焊盘涂层

焊盘材质与焊盘涂层是连接焊点的部分，因此其成为影响焊点可靠性的重要影响因素。目前在焊盘涂层的选取过程中，采用较为广泛的是有机保焊膜和无电镀镍金沉浸，研究人员对此两种焊盘涂层进行了复杂的研究试验，得出结论，首先有机保焊膜在相关的温度测验中表现良好，但在跌落和弯曲试验中，无电镀镍金沉浸的焊点可靠性要优于有机保焊膜的焊点可靠性，因此在电子元器件与焊盘的焊接过程中，应当以有机保焊膜作为焊盘涂层的焊盘进行优化设计，达到增强焊点可靠性的目的。

5 结语

综上所述，BGA焊接相关技术经过多年的完善和优化已经得到了长足的进步，相关专业人员也已经全方面的分析了在各种因素下焊点可靠性的性能，通过这些研究，BGA焊点可靠性不断得到增强。

参考文献：

[1]孙鹏.电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究[D].上海大学，2008.

[2]顾永莲.球栅阵列封装焊点的失效分析及热应力模拟[D].电子科技大学，2005.

[3]樊强.材料选择对BGA焊点热可靠性影响的有限元仿真研究[D].天津大学，2005.