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。

<！--[if gte vml 1]> 经过细致分析，我们发现左右两侧的焊点均出现了向内扭曲的现象。据此，我们可以合理推测，焊点在成型过程中，受到了外部应力的侵扰，进而导致了IMC层的整体脆性断裂。此外，应力主要集中在FPC焊盘一侧，这一现象表明，应力很可能是从FPC侧传导至焊点。

X射线检测焊点

实时X射线检测技术，作为一种极具价值的无损检测手段，能够为球栅阵列封装（BGA）的焊点提供关键信息。截至目前，尚无任何设备能够超越实时X射线检测设备的性能。这项检测技术不仅依赖专用的软件支持，而且要求操作人员接受相应的培训。经验丰富的分析师与缺乏经验的人员在检测结果上存在显著差异。

通常，球栅阵列封装（BGA）器件拥有成百上千的引脚，其焊点可能同时出现多种焊接缺陷。在此情形下，遵循一套合理的检测流程至关重要，它不仅需确保检测效率，还必须避免遗漏任何一种缺陷。一个合理的球栅阵列封装（BGA）焊点质量检测流程，采用X射线技术，应包括以下步骤：

首先，对二维X射线检测得到的球栅阵列封装（BGA）器件进行整体观察，仔细核查是否存在焊点连接不良、焊球缺失或焊球位置偏移等问题。

（2）接下来，执行器件的局部检测，以确认是否存在焊球位移、空洞或任何异常现象。在进行二维X射线检测时，应采纳5点检测策略，重点检查器件的四周和中心区域的五个关键点。同时，也应迅速扫描其他区域以确保全面检测。

（3）依据焊点是否出现异常的检测结果，例如焊点的大小、形状及灰度，评估是否需要实施3D断层扫描。若球栅阵列封装（BGA）的焊点呈现出正常的圆形，且其大小与灰度均未出现异常，则无需进行3D断层扫描；一旦发现焊点存在尺寸不均、形状异常、空洞较大或边界不清晰等问题，便应进行3D扫描检测，以便更准确地判断是虚焊焊点还是枕头效应等状况。尽管3D断层扫描检测能够提供更详尽的焊点信息，但这一过程往往成本较高。

X射线检测中，焊点空洞是常见的缺陷之一。依据IPC-7095C标准，当空洞面积超过35%或直径超过50%时，即达到工艺控制的临界值。通常，若空洞总面积超出焊球面积的25%，则判定为不合格，并需进行返工修复。下方的图片展示了焊点空洞的X射线图像。尽管微小空洞可以被检测到，无需进行返工，但它们仍属于工艺监控的重要指标。此外，还需留意图像中是否出现电晕现象，因为这可能导致空洞在视觉上显得比实际更大。

<！--[if gte vml 1]> 焊料桥接是X射线检测中常见的缺陷之一。由于焊料与其周围材料存在显著的密度差异，此类缺陷识别起来尤为便捷。如右图所示，焊点之间发生的短路即为焊料桥接的典型情况。

<！--[if gte vml 1]> 焊球在X射线检测图像中丢失的迹象同样十分显著。鉴于球栅阵列封装（BGA）的焊球是以阵列形式有序地布置在器件底部，因此，任何缺失的焊球均能迅速识别。附图展示了球栅阵列封装BGA焊球丢失的X射线检测图像。

<！--[if gte vml 1]> 焊球球心与焊盘圆心的距离与焊盘直径之比应小于25%。X射线检查同样能够揭示畸形的焊点，尽管这一过程相对更具挑战性。要确切地观察到缺陷，往往需要采用极端的角度和特殊的技术处理。值得注意的是，某些畸形的焊点实际上是无害的，例如，图中所示略长的焊点便是一例。

<！--[if gte vml 1]> 其他类型的畸形焊点往往构成严重缺陷，如图所示之“枕头效应”即为典型例证。此类效应难以借助常规的二维X射线成像技术进行检测，而需依赖3D断层扫描技术方能有效识别。

<！--[if gte vml 1]> 二维X射线对于检测虚焊具有一定的局限性。通常情况下，我们首先利用二维X射线对虚焊的存在与否进行初步的判断。以下图片展示了在倾斜光源照射下，焊点的二维X射线图像。观察图像，可以看到三个相互嵌套的圆形。如果观察到的圆形数量减少至两个，且焊点形态出现异常，例如边缘模糊、尺寸异常或灰度较深，那么此类焊点很可能存在虚焊问题，此时应当进行3D断层扫描以进行进一步的检测。

<！--[if gte vml 1]> 2DX-ray

对于那些目视无法直接观测到的样品部位，通过记录X射线穿透不同密度物质时光强度所发生的改变，由此产生的对比效应能够生成影像。这种影像能够清晰揭示出待测物的内部构造，从而在不损害待测物的前提下，识别并观察其中存在问题的区域。

目的：X射线扫描技术能够迅速且高效地进行观察，从而识别出球栅阵列封装（BGA）中的空焊、虚焊等焊接缺陷，并分析球栅阵列封装（BGA）及线路板等内部结构的位移情况，同时揭示架桥、短路等潜在问题。

然而，2DX-ray技术有其固有局限，它仅能呈现出二维平面图像。其工作原理是将三维立体的实物样品投影至二维显示屏上形成图像。对于结构较为复杂的产品，由于不同深度的信息在二维平面上会重叠，极易造成混淆。以同一位置存在多个元器件的表面为例，焊锡所形成的阴影会相互交织，进而干扰检测的精确性。因此，2DX-ray技术通常被用于对结构复杂的产品进行初步和快速的评估。

3D X-ray (CT)

3DX-ray技术完美克服了2D X-ray技术的局限，它能够呈现清晰的三维立体图像，并具备卓越的高密度分辨率和空间分辨率。此外，该技术还能生成模拟断层扫描图像。在解决球栅阵列封装（BGA）焊点缺陷问题上，3DX-ray表现出色。

目的：能精确且直观地审视球栅阵列封装（BGA）的焊接品质与结构瑕疵，同时亦能显现出这些缺陷在焊接层内部的形态、具体位置及其尺寸。

在执行上述非破坏性检测方法以识别焊点缺陷时，目视检测与2D X-ray技术均显现出其局限性。然而，3D X-ray（即CT扫描）作为当前最尖端的无损检测技术，能够完美应对焊点缺陷的检测挑战。尽管其测试成本相对较高，若产品允许被破坏，则可转而采用下文所述的破坏性检测方法进行测试。

<！--[if gte vml 1]> 二、发现并解决。

鉴于球栅阵列封装（BGA）的失效往往源于机械应力的典型影响，对生产线制程实施应力检测便显得尤为重要。

生产线上的典型应力处理流程主要包括：表面贴装技术（SMT）、电路板分割（分板）工序、集成电路测试（ICT）、功能测试（FCT）以及螺丝组装等环节。

三、探讨球栅阵列封装（BGA）的破坏性失效分析

染色试验检测焊点

染色检测技术，通过将高渗透性、高着色性的红墨水渗透至焊点裂缝区域，随后拉开焊点，从而观察焊点内部的裂缝状况及分布，是一种兼具成本效益与破坏性的检测手段，能够全面揭示焊点界面的信息。检测伊始，需使用水润滑切片锯（优先选择）或旋转工具，小心取下含有球栅阵列封装（BGA）的PCBA部分，并确保留下足够的板材以便于操作。接下来，将球栅阵列封装（BGA）浸泡于助焊剂去除剂中，持续3小时，以彻底清除所有残留的助焊剂，确保红墨水能够渗透至任何裂缝或分离点。随后，使用酒精进行冲洗并风干，以确保所有助焊剂去除剂被彻底清除。随后，将球栅阵列封装（BGA）置于局部真空环境中，进行染色处理6分钟，随后用气罐吹走多余的红墨水，并在100℃的烤箱中至少干燥3小时。样品亦可在室温下干燥，但需至少48小时，以确保红墨水完全干燥。这一步骤至关重要，因为操作过程中任何未干燥的红墨水都可能导致错误的检测结果。最后，利用试验台将球栅阵列封装（BGA）从基板上拉下。此时，所有焊点均会从最薄弱的界面开始断裂。在拉断器件时，必须谨慎控制施加的外力，以确保焊点能够沿着预裂缝区域断开。

<！--[if gte vml 1]> 红墨水试验是检验印刷电路板（PCB）上球栅阵列（BGA）封装及其集成电路（IC）焊接质量的常用方法。该方法通过审视并剖析PCB与IC组件焊点着色状态，进而对焊接是否存在裂纹进行判断。

切割、渗透、烘干、分离以及观察。

目的：通常而言，红墨水测试能够清晰显现出整个球栅阵列封装（BGA）底部所有锡球的焊接状况。此方法作为电子组装焊接质量评估的常规手段，有助于检测电子元件焊接工艺中是否出现虚焊、假焊、裂缝等潜在缺陷。

借助立体显微镜对焊点两侧的界面进行细致观察，以搜寻所有染料标记。下方的插图则展示了一个焊点在染料测试中出现的典型失效界面。

<！--[if gte vml 1]> 染色技术能够揭示焊盘的裂纹、界面断裂以及球窝焊点等问题。以下图片展示了球窝焊点的具体实例。

<！--[if gte vml 1]> 2、金相检测

金相检测能够为球栅阵列封装（BGA）的焊点界面提供最精确的数据分析，使得大多数异常状况得以最终确认。通过剖面分析所获取的详实信息，有助于明确缺陷问题源于工艺流程还是材料本身，从而指导我们确定在哪个环节进行问题纠正。然而，金相检测也存在一定的局限性，其检测过程依赖大量的人工操作，且每次仅能对单一平面进行评估。同时，它还依赖于相对昂贵的设备来完成。

此刻，X射线检测与染色试验的结果往往成为重要的参考，它们能够有效辅助我们判定评估的具体平面以及可能存在的各类缺陷。若无显著问题，一般倾向于选择对角线或边缘区域进行检测，因为这些区域往往含有角部焊点，缺陷大多集中在这些地方。随后，将样品置于旋转砂轮上，通过使用不同粗细的砂磨纸进行机械研磨，直至达到所需的焊点平面。接着，运用抛光钻石进行粗抛光，以及氧化铝进行最终的抛光处理。此外，采用铜蚀刻技术对样品进行蚀刻，以增强焊点特征的显现。在大空洞、畸形焊点和球窝焊点等方面，通常在低倍率（5倍至150倍）的显微镜下便可观察到；而裂缝、微空洞、黑斑和焊盘裂纹等缺陷，则需在更高倍率（150倍至1500倍）的显微镜下才能显现。

扫描电子显微镜（SEM）作为金相检测的辅助手段，能够呈现金属间化合物界面、裂缝及各类缺陷的细节图像，其高倍放大能力为观察微小特征与缺陷提供了优异的分辨率。与之相连的能量色散光谱（EDS）检测设备，则负责收集SEM成像区域内元素的详细信息。这一功能尤为关键，因为众多分析特征往往表现为微小的斑点或薄层，例如铜锡金属间化合物层（如Cu6Sn5和Cu3Sn）等。

3、分析焊点质量

取样、清洗、真空镶嵌、研磨、抛光、微蚀（若需要）以及分析。切片质量的高低直接关系到失效部位的准确识别，因此对检测人员的专业技能提出了极高的要求。

切片分析的目的：此设备不仅适用于检测PCBA焊点内部的空洞、界面结合的紧密程度以及润湿质量，更可对电路板的品质优劣作出精准评估。

SEM/EDS联用

基于切片分析的初步研究，若欲深入探究焊点缺陷形成的根本原因，则可通过扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS）技术对焊点的失效机理进行详尽分析。

四、球栅阵列封装（BGA）的应力测试：方法与操作流程

依据IPC-9704标准，进行球栅阵列封装（BGA）的应力分析测试时，须在四个对角位置粘贴应变片。

<！--[if gte vml 1]> 应力测试仪型号为TSK-64-64C-12，配备应变片TSK-1E-120-3A-11L50W05MS。

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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。

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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。

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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%củaBGA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%。