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SMT BGA 焊接的一种不良现象:枕头效应(head-in-pillow,HIP)发生的可能原因与机理,及应对对策
  2024-05-27      642

文章来源:SMT工程师之家微信公众号

枕头效应(Head-in-Pillow, HIP),近来有人又开始将其称作 HoP(Head-of-Pillow),无论称其为 HIP 还是 HoP,所指的皆为 BGA 焊点的不良现象,其得名缘由恰似一个人把头靠在枕头上的形状。

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一、BGA枕头效应(Head-in-Pillow,HIP)的发生机理:

最主要是用来描述电路板的BGA零件在回焊(Reflow)的高温过程中,BGA载板或是电路板因为受不了高温而发生板弯、板翘(warpage)或是其他原因变形,使得BGA的锡球(ball)与印刷在电路板上的锡膏分离,当电路板经过高温「回焊区(reflow zone)」后温度渐渐下降冷却,这时BGA载板与电路板的变形量也慢慢回复到变形前的状况(有些情况下变形会回不去),但这时的温度早已低于锡球与锡膏的熔锡温度了,也就是说锡球与锡膏早就已经从熔融状态再度凝结回固态。当BGA的载板与电路板的翘曲慢慢恢复回到变形前的形状时,已经变回固态的锡球与锡膏才又再次互相接触,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。

二、如何檢測出BGA HIP(Head-In-Pillow)焊接不良?

依照上述的理论,枕头效应(HIP)大部分应该都会发生在BGA零件的边缘,尤其是四个角落的位置,因为那里的翘曲最为严重,如果是这样,就可以试着使用显微镜或是光纤内视镜来观察,但通常这样只能看到最外面的两排锡球,再往内就很难辨认了,而且这样观察BGA的锡球还得确保其旁边没有高零件挡住视线,以现在电路板的高密度设计,执行起来限制颇多。

IMG_257

另外,枕头效应(HIP),现在可以使用2.5 D X-Ray检查机发现得到,有些时候也可以经由板内测试(ICT, In Circuit Test)及功能测试(FVT, FunctionVerification Test)检测出来,因为这类机器通常使用针床的作业方式,需要添加额外的外界压力于电路板上,让原本互相挨着的锡球与锡膏有机会分开,但还是会有不良品流到市场,通常这类不良品很快的就会被客户发现有功能上的问题而遭到退货,所以如何防治枕头效应的发生为SMT的重要课题。

目前比较可靠可以分析HIP不良现象的方法是使用染色试验(Dye Penetration),以及微切片分析(Cross Section),但这两种方法都属于破坏性检测,所以非到必要不建议使用。

三、发生HIP(Head-In-Pillow)的可能原因分析

形成枕头效应(HIP)的可能原因有如下几点供参考:

1.BGA封裝(Package)方面        

1) 如果同一个BGA的封装有大小不一的焊球(solderball)存在,较小的锡球就容易出现枕头效应的缺点。  2)

  另外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的问题,进而形成枕头效应。

  (warpage of substrate, inconsistent bump size)

HIP-焊球大小不一

2.锡膏印刷(Solder paste printing)

1)  锡膏印刷于焊垫上面的锡膏量多寡不一,或是电路板上有所谓的导通孔焊垫(Vias-in-pad),就会造成锡膏无法接触到焊球的可能性,并形成枕头效应。2)  另外如果锡膏印刷偏离电路板的焊垫太远、错位,这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桥接,就有机会造成枕头效应。

  (insufficient solder paste volume, printing misalignment)

IMG_259

3.贴片机的精度不足(Pick&Place)  

1)  贴片机如果精度不足或是置件时XY位置及角度没有调好,也会发生BGA的焊球与焊垫错位的问题。2) 另外,贴片机放置IC零件于电路板上时都会稍微下压一定的Z轴距离,以确保BGA的焊球与电路板焊垫上的锡膏有效接触,这样在经过回流焊时才能确保BGA焊球完美的焊接在电路板的焊垫。如果这个Z轴下压的力量或形成不足,也有机会让部份焊球无法接触到锡膏,而造成HIP的机会。

(Inaccurate XYplacement, insufficient placement force)

IMG_260

4.回流焊温度(Reflow profile)       

1)当回流焊(reflow)的温度或升温速度没有设好时,就容易发生没有融锡或是发生电路板及BGA载板板弯或板翘…等问题,这些都会形成HⅠP。

2) 另外,要注意预热区的温度升温,如果太快的话容易驱使助焊剂过早挥发,这样就容易形成焊锡氧化,造成润湿不良。其次最高温度(Peak Temperature)也最好不要调得过高及过久,建议最好参考一下零件的温度及时间的建议。

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        5.焊球氧化(Solder ball Oxidization)

        BGA在IC封装厂完成后都会使用探针来接触焊球作功能测试,如果探针的洁净渡没有处理的很好,有机会将污染物沾污于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,也很有机会让焊球氧化至影响焊锡的接合性。

四、如何改善与防止HIP(Head-In-Pillow)不良发生

既然已经知道HIP形成的原因最主要来自电路板的FR-4以及IC载板高温变形,所以要防止或避免HIP发生就有两个方向可以进行。

§ 方法一是提高电路板板材及IC载板的刚性。一般使用较高(Tg≥ 170℃)的材料,不过费用也会跟着提高。一般无铅制程电路Tg板的材质使用中Tg(Tg≥150℃)。

§ 方法二是增加锡膏量来填补电路板及IC载板因为高温翘曲所形成的间隙,也就是在所有的回焊过程中让BGA锡球与印刷在电路板上的锡膏都保持接触的状态,不过要小心锡膏量如果增加太多反而会造成焊接短路的问题,不可不慎。

§ 方法三是使用支撑载具支撑PCB过炉来减少电路板及IC载板因为高温变形量,进而防止BGA焊接过程中发生HⅠP的现象。

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