BGA 封装焊接可靠性分析及工艺改进研究

一、BGA 封装焊接可靠性的概述

BGA（BallGridArray）封装技术以其高密度的特点，能够在有限的空间内实现更多的电气连接，使得芯片的性能得到了极大的提升。

然而，BGA 封装的焊接[1]可靠性却成为了制造过程中面临的主要难题之一。焊接缺陷：焊点断开、翘起、冷焊、开路和短路等情况时常出现。使得电子产品在运行时会出现信号丢失，导致数据传输失败；不良电气连接使设备的性能大打折扣，出现卡顿、死机等问题。

因此，对 BGA 硬件进行全面的可靠性分析，并在此基础上开展相应的工艺改进研究。通过深入研究 BGA 封装焊接的可靠性问题，找出导致焊接缺陷的原因，并采取有效的工艺改进措施，提高电子产品的质量和稳定性。

二、BGA 封装焊接可靠性分析

（一）可靠性指标

BGA 焊接的可靠性需要对多个关键参数进行测试，主要包括内部压力、温度和应力等多个参数。在焊接过程中，焊点是连接芯片和电路板的桥梁，它不仅要保证电气连接的稳定性，还要承受一定的外力[2]。

内部压力是影响焊点可靠性的重要原因之一。在焊接过程中由于气体膨胀、材料的热膨胀系数不匹配等原因使其产生过高的内部压力，焊点会因为无法承受过高的内部压力而使其结构发生破坏，导致焊点断开。

温度也是影响焊点可靠性的关键因素。不恰当的温度和应力分布会影响焊点的微观结构，降低其机械性能和电气性能。当焊接温度过高时，焊点的金属组织会发生变化，使焊点的强度降低，容易出现断裂等问题。而过低的温度则可能导致焊点无法充分熔化，形成冷焊等缺陷，容易出现松动和断开。

应力则是影响焊点可靠性的另一种因素。产品在使用过程中，焊点会受到各种应力的作用，如热应力、机械应力等。这些应力会使焊点产生变形和疲劳，最终导致焊点失效。产品工作时，由于材料的热膨胀系数不同，焊点会受到热应力的作用。这种热应力长期作用在焊点上，会使焊点的结构逐渐损坏。因此，对这些参数进行实时监控和精确控制，可以提高焊接的可靠性。

三、BGA 封装焊接工艺改进

（一）设备选择

BGA 的焊接质量很大程度受限于所使用设备。低性能的设备存在加热不均匀、焊接精度不高等问题。加热不均匀会导致焊点的温度不一致，有些焊点温度过高，而有些焊点温度过低，从而发生了冷焊、虚焊等缺陷。焊接精度不高则导致焊点的位置不准确，影响电气连接的稳定性。

高性能的设备具有更好的稳定性，能够提供更精确的焊接参数控制一些先进的焊接设备采用了精准的加热技术和控制系统，能够实现对焊接温度、时间等参数的精确控制，保证了焊点的质量。这些设备还具有更高的自动化程度，能够减少人为因素对焊接质量的影响。

（二）温度控制

焊接温度是影响 BGA 芯片焊接质量的重要因素。在BGA 焊接过程中，过高或过低的温度都会对焊点的质量产生不利影响。

过高的温度会使焊点的金属组织发生变化，降低其机械性能。如果温度过高，液态金属会发生剧烈的化学反应，导致金属组织变得疏松，强度降低。当焊接温度超出焊点所能承受的范围时，焊点的可靠性会大幅下降。过高的温度还会使焊点周围的材料受到热损伤，影响整个电路板的性能。

过低的温度则会导致焊点无法充分熔化，形成冷焊等缺陷。冷焊的焊点结构不够紧密，连接不够牢固。在电子设备的运行过程中，焊点容易出现松动和断开的情况，导致信号传输中断、设备故障等问题。

在焊接过程中，必须严格将温度控制在适当的范围内，以保证焊点的质量。在生产中，通常采用温度传感器来实时监测焊接温度，并根据监测结果调整加热设备的功率。同时，根据不同的 BGA 芯片和焊接材料，确定合适的焊接温度曲线。

（三）焊接速度

焊接速度同样影响焊点的质量。过慢的焊接速度会导致焊点过热，使金属组织发生变化。当焊接速度过慢时，焊点在高温下停留的时间过长，金属组织会发生氧化、变形等现象。金属组织的变化会降低焊点的强度和导电性，影响焊点的可靠性。

过快的焊接速度则会导致焊点无法充分熔化，出现翘起、冷焊和开路等问题。当焊接速度过快时，热量来不及传递到焊点的各个部位，焊点就无法充分熔化。过快的焊接速度会使焊点无法形成良好的连接，出现各种缺陷。

合适的焊接速度，能确保焊点完全熔化并形成凸起，从而提高焊点的可靠性。合适的焊接速度需要根据焊接设备的性能、焊接材料的特性以及BGA 芯片的规格等因素来确定。通过调整焊接设备的电机转速或送丝速度来控制焊接速度。通过精确控制焊接速度，可以保证焊点的质量，提高电子产品的性能和稳定性。

（四）焊料选择

焊料的质量直接关系到焊点的可靠性。在 BGA 焊接中，焊料的作用是将芯片和电路板连接在一起，形成稳定的电气连接和机械连接。

焊料中的焊剂、薄板和钎料等成分的质量，需要进行严格控制。焊剂的主要作用是去除焊点表面的氧化物，提高焊料的润湿性。薄板和钎料的质量也会影响焊点的强度和导电性。劣质焊料会降低焊点的强度和导电性，增加焊接的缺陷。劣质焊料中的杂质会在焊点中形成气孔或裂纹，降低焊点的强度。

在选择焊料时，通过化学分析、物理性能测试等方法，检测焊料中的成分和性能。同时，根据不同的 BGA 芯片和焊接工艺，选择合适的焊料。

四、BGA 封装焊接的挑战

BGA 封装焊接面临着诸多挑战，主要包括焊点质量检测、常见缺陷（如连锡、空洞）及其成因分析等方面。

焊点质量检测困难是 BGA 封装焊接的一个突出问题。由于 BGA 封装的焊点位于芯片底部，传统的检测方法难以准确检测其质量。传统的检测方法如目视检查、飞针测试等，对于表面的焊点检测比较有效，BGA 焊点被芯片遮挡，很难通过传统方法进行检测。

常见的焊接缺陷如连锡和空洞，会严重影响焊点的电气性能和机械性能。连锡会导致电路短路。当出现连锡时，电流会绕过正常的电路路径，损坏电子元件。空洞的存在会使焊点的结构变得脆弱，容易在受到外力作用时断裂，导致设备故障。

针对这些问题，提高焊接可靠性的工艺改进建议包括预热、清洁焊盘、选择合适的焊接温度和时间等。预热可以使芯片和电路板在焊接前达到一定的温度，减少焊接过程中的热应力，降低焊接缺陷的发生概率。清洁焊盘可以去除焊盘表面的氧化物和杂质，提高焊料的润湿性，保证焊点的质量。

5.结束语

综上所述，BGA 封装焊接可靠性的提升是一个系统性工程，需要从材料选择、工艺参数优化到设备升级的多维度协同改进。本研究通过深入分析焊接失效机理，提出了针对性工艺优化方案，提高了焊点的可靠性，为电子制造行业解决 BGA 焊接难题提供了可借鉴的实践经验。

[1]王祥林,徐颖.孔洞对 BCA 封装焊点热疲劳可靠性影响的概率分析[J].电子元件与材料,2017,36(11):83-90.

[2]李龙，冯瑞，赵淑红.有铅焊膏和无铅 BGA 混装焊点的可靠性探索[J].电子工艺技术,2018，39(2):88-91.