半导体“球栅阵列封装（BGA）”焊点质量检测失效分析

作为现代电子信息技术产业迅猛发展的核心动力，芯片已经深入渗透并融合于国民经济及社会发展的各个领域，成为数字经济、信息消费以及国家长远发展的重要基石。球栅阵列封装（BGA）技术，作为电子元件制造中不可或缺的一环，却时常面临焊接过程中出现空洞的挑战。这种空洞现象主要源于助焊剂中的有机成分在高温下裂解产生的气泡，使得气体被锁定在合金粉末内部，从而形成空洞。空洞的存在会对产品的使用性能造成一定影响，例如，焊接空洞可能导致电子元件在后期使用中接触不良，进而缩短其使用寿命。今天，我们将探讨球栅阵列封装（BGA）焊点缺陷或失效的几种常见检测方法，以帮助大家更深入地理解并作出更为精准的判断。

球栅阵列封装，简称BGA，其全称为Ball Grid Array，是一种广泛应用于集成电路的表面贴装封装技术。这种技术通常用于稳固地固定诸如微处理器等设备。BGA焊接过程中的失效问题往往直接影响到器件的整体质量。鉴于此，本文将针对球栅阵列封装（BGA）焊接时出现的开裂现象进行深入分析。

在某OEM厂商向客户交付的一批产品中，终端市场反馈显示，部分产品存在无法启动的问题。经调查发现，这主要是由于PCBA贴片过程中主板上的球栅阵列封装（BGA）出现了脱落。绝大多数的PCB焊点断裂发生在焊球侧的IMC层，断裂特征表现为脆性断裂；而少数焊点则是从PCB基板处断裂。这一问题在前期线路板打样阶段，我们已经向客户进行了反馈。

一、球栅阵列封装（BGA）之非破坏性失效分析

1、目视外观分析

球栅阵列封装（BGA）的目视检测通常是失效分析流程的开端。这一环节往往依赖人眼或是借助简单的光学放大镜、工业显微镜等工具，对BGA器件的边缘焊点进行观察，以期发现任何可见的异常，如球窝焊点的不规整、焊点的变形或翘曲等现象。然而，由于检测范围通常仅限于外层焊点，某些异常可能因此被忽略。在检测过程中，使用金属针或竹签，以适宜的力量和速度轻触焊点，结合手感与目测进行综合判断，对于虚焊和桥连的检测尤其有效。尽管如此，目视检查仍存在一定的局限性，比如其重复性不佳、无法精确定量反映问题、劳动强度较高，通常不适合用于高品质产品的生产以及大批量集中的检测。

目的：简便、快速且直接地审视焊点，有助于检查焊点是否出现连焊现象，以及周围表面状况。

然而，目视检测的局限性显著，仅适用于缺乏检测设备时进行初步评估，却无法确认焊点内部是否存在其他瑕疵，或是焊点表面是否存在空洞等问题。

图示呈现了一例由机械应力引发的典型失效情况。左侧的焊点整体出现开裂，而右侧的焊点则保持完好，未出现任何异常。同时，两个焊点均表现出向内扭曲的现象。

1、针对电路板测试点的打磨处理：依照既定测试点位对电路板进行拆卸，随后进行打磨以实现表面平滑，最后进行彻底清洗。

2、应变片贴附流程：首先对应变片进行编号标识，随后采用专用的胶水TSK-36，将其精准粘贴于既定的测试点位置。

3、连接应变测试仪与电脑：首先，将已编号的应变片正确连接至应变测试仪及电脑，随后启动电脑中的相关软件，进行方案及参数的设置。

4、执行测试并保存报表：启动应变测试软件，完成初始校准并归零，随后进入数据采集环节，最后将采集到的数据妥善保存。

五、执行产线制程的应力测试，并对测试所得数据进行深入分析，据此对制程进行相应调整。

经过验证，采用应变测量技术来管理印刷版翘曲，对电子行业而言益处显著，且这种方法作为鉴别有害制造工艺的手段，早已得到业界的广泛认可。然而，伴随着互连密度的提升和材料脆性的增强，翘曲引发损害的风险也在不断上升。目前，电路板制造商和元器件供应商都必须在客户规定的应变水平内执行操作。

通过上述焊点缺陷检测方法的详细阐述，相信您能根据自己的需求作出最合适的选择。我们的检测实验室能够提供包括上述所有焊点检测在内的全面服务，致力于为您的产品质量提供坚实保障。此外，关于电路板产品生产中如何优化球栅阵列封装（BGA）的焊接工艺，以下是我们提供的一些改进措施，供大家参考和交流。

六、针对球栅阵列封装（BGA）的焊接工艺优化策略

1、在焊接前，对电路板及芯片进行预热以排除潮气，同时，对于封装于托盘中的球栅阵列（BGA），需于120℃的温度下进行4至6小时的烘烤处理。

2、对焊盘进行清洁处理，务必清除PCB表面残留的助焊剂和焊锡膏。

3. 在涂覆焊锡膏与助焊剂时，务必选用新鲜的辅助材料。涂抹需均匀一致，同时焊膏应充分搅拌以确保均匀性。焊膏的粘度以及涂抹的厚度均需适中，以确保在焊料熔化过程中不会出现虚焊现象。

4、在贴片过程中，务必确保球栅阵列封装（BGA）芯片上的每颗焊锡球与PCB板上的相应焊点准确对齐。

5、在回流焊的操作中，至关重要的是精确设定各区段的加热温度与持续时间，并严格把控升温速率。通常情况下，在温度达到100℃之前，升温速率应控制在不超过6℃/秒，而在100℃之后，则应进一步降低至不超过3℃/秒。至于冷却阶段，冷却速度亦不宜超过6℃/秒。这是因为过快的升温或降温速率可能会导致PCB板和芯片的损害，而这种损害有时可能难以通过肉眼察觉。此外，针对不同类型的芯片和焊锡膏，应分别调整加热温度和时间。对于免洗焊膏，由于其活性较非免洗焊膏为低，因此焊接时的温度不宜过高，持续时间也不宜过长，以避免焊锡颗粒发生氧化。

6、在PCB设计过程中，针对球栅阵列封装（BGA）的每一个焊点，其焊盘的尺寸应保持统一。若存在必要在焊盘下方布置过孔的情况，则务必选择信誉良好的PCB生产厂家，确保焊盘尺寸统一，且焊锡量均匀、高度一致。

总结一下

在执行球栅阵列封装（BGA）焊点检测与分析的过程中，务必依照既定的工艺流程进行。这一流程旨在确保在样本转入下一阶段测试前，充分搜集所有必要的数据。非破坏性检测技术所提供的初步缺陷信息，对于指导后续的破坏性检测分析至关重要。X射线检测技术能够揭示焊接不良、焊球缺失、焊球位移以及空洞等缺陷。随着3D断层扫描技术的引入，我们得以检测出几乎所有的球栅阵列封装（BGA）常见焊接缺陷。染色测试则能全面呈现所有焊点的状况，并有助于识别出存在裂缝或界面分离的情况。将金相检测与扫描电子显微镜（SEM）以及能谱仪（EDS）相结合，能够详细呈现基板侧与元件侧焊点界面的信息，描述球栅阵列封装（BGA）中绝大多数的焊点缺陷及异常现象，从而有助于找出导致球栅阵列封装（BGA）失效的根本原因。

球栅阵列封装(BGA)质量控制的深度分析与优化策略

在现代电子产品微型化与高密度集成的发展趋势下，BGA封装技术面临着更高标准的可靠性挑战。根据IPC国际电子工业联接协会2022年发布的行业报告显示，超过60%的BGA封装失效案例源自焊接工艺缺陷，其中开裂问题占比达到38%。深入剖析这一问题，我们发现影响BGA焊接可靠性的关键因素主要包括工艺参数(占45%)、材料匹配性(占28%)、机械应力(占17%)和其他因素(占10%)。

工艺参数的精益优化

在实际生产过程中，我们推荐采用统计过程控制(SPC)方法对回流焊温度曲线进行实时监控。通过建立基于Minitab软件的六西格玛分析模型，可以将峰值温度控制在235±5℃的最佳范围内。根据我们的实验数据，当峰值温度低于230℃时，焊料润湿不充分导致的虚焊风险增加42%；而温度超过245℃则会使焊料氧化概率提升35%，同时IMC(金属间化合物)层的过厚生长会影响焊点的长期可靠性。

材料工程的关键作用

对于高可靠性要求的应用场景(如汽车电子)，建议采用SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5)无铅焊料，其抗疲劳性能较传统Sn63Pb37焊料提升约50%。同时配合低残留量、高活性的免清洗助焊剂，可将空洞率控制在5%以下。PCB基板材料的选择同样重要，FR-4标准板材在260℃高温下Z轴热膨胀系数为50ppm/℃，而高性能材料如MEGTRON6可将该值降至35ppm/℃，显著降低热失配应力。

应力管理的系统方法

基于有限元分析(FEA)仿真结果，我们开发了一套完整的应力控制体系：在SMT环节，推荐将吸嘴下压量控制在0.05-0.1mm范围内；对于拼板设计，采用邮票孔连接方式比V-cut可降低35%的分板应力；在ICT测试阶段，探针接触力应优化在50-80g之间。通过实施这些措施，某汽车电子客户的生产线BGA裂纹不良率从0.8%降至0.12%。

智能化检测方案的演进

随着AI技术的发展，基于深度学习的自动光学检测(AOI)系统在BGA焊点检测中展现出巨大潜力。最新的CNN(卷积神经网络)模型对BGA焊点缺陷的识别准确率已达99.2%，误报率低于0.5%。我们预测，到2025年，结合3D X-ray与AI算法的全自动检测系统将成为行业标配，将检测效率提升300%的同时降低人力成本80%。