文章来源：表面贴装与微组装工艺技术公众号  作者：杜柳，蔡成 

高混装度PCBA的BGA组装合格率提升工艺研究

杜柳1，蔡成1

（1.成都凯天电子股份有限公司，四川 成都 610091）

摘要：某航空电子产品的PCBA混装度高，其上共存有多种封装的无铅的、有铅的BGA器件，工艺复杂，BGA组装合格率不足80%，造成很大的浪费。本文基于鱼骨图分析了BGA组装流程，确定了造成BGA组装合格率低的原因，并采取了针对性的工艺改进措施使BGA组装合格率提升到99%以上；研究也表明，在无铅BGA获得良好焊点的情况下，同一PCBA上的有铅BGA焊点存在潜在的可靠性风险。

关键词：BGA混装；可焊性；合格率；可靠性风险。

Study on BGA Mix Assembly Improvement Technology of a Complex PCBA

Du Liu1, Cai Cheng1

(1.Chengdu CAIC Electronics Co., Ltd, Chengdu 610091, China)

Abstract: On the high mixing degree PCBA of an avionics product, there are many kinds of lead-free and leaded BGA devices coexisting, The process is complicated, and the qualification rate of the BGA mixed assembly is less than 80%, resulting in great waste. In this paper, the BGA assembly process was analyzed based on fishbone diagram, and the reasons for the low qualified rate of BGA assembly were determined, the qualified rate of BGA assembly was increased to more than 99% by taking targeted process improvement measures. The study also shows that, in the case of good solder joints obtained by lead-free BGA, solder joints with leaded BGA on the same PCBA have potential reliability risks.

Key words: BGA Mixed Assembly, Solderability, Qualification Rate, Reliability Risk

航空电子产品作为高可靠性产品，BGA器件组装一直沿用锡铅焊膏焊接的混装工艺[1]，对有铅BGA、无铅BGA共存的PCBA的组装，BGA焊接工艺窗口较小、组装难度大[2]。另一方面，受制于国内芯片制造和工艺能力，航空电子产品中早期定型的很多PCBA所用BGA器件均为进口器件，但因进口器件存在货源不可追溯、停产断档、超期使用等风险[3]， BGA器件本身优劣成为影响PCBA组装合格率的重要因素之一。

某航空电子产品中的CPU组件是高密度、有多种不同封装BGA的高混装度[4]的PCBA，在长期生产中存在一次组装合格率不足80%的问题，而检测结果表现，造成组件性能不合格的主要原因是BGA器件焊接质量不良。为了提高BGA的组装质量，从人、机、料、法、环等各方面BGA组装工艺进行了深入研究，并针对性采取改进措施。

1  问题简述

所述低合格率PCBA上的BGA器件共7种，各BGA器件的封装形式、尺寸、焊球材料等性能差异较大，具体见表1。PCB焊盘采用HASL锡铅焊料，BGA器件采用Sn63Pb37共晶焊料混装工艺组装完成后进行性能测试，发现合格率不足80%。对不合格PCBA检测发现，BGA焊接缺陷主要体现在小球径BGA的焊球和焊料不相融、无铅BGA焊点分层等，典型焊点缺陷如图1所示。

       2  原因分析

针对PCBA上BGA组装合格率低的问题，基于图1所示BGA焊点缺陷的事实，结合该组件生产的实际条件，采用如图2所示鱼骨图对BGA组装的人、机、料、法、环各生产要素进行全面分析，初步判定导致BGA组装质量问题的可能原因有：

       BGA无可焊性；

焊膏印刷质量差；

回流焊参数不合理。

3  工艺试验

为了验证BGA焊接质量不良原因判定的准确性，拟进行BGA可焊性、焊膏印刷质量控制、回流焊和进行分析等工艺试验，并采取针对性的工艺改进措施。

3.1 可焊性试验

对来料BGA进行质量检测，发现各BGA焊球的外观光学检测形貌不相同，且个别器件有明显的污染、变形、氧化等现象，典型外观缺陷如图3所示。

为进一步确认BGA焊球的可焊性，在光学检测条件下剔除外观质量明显不合格的BGA后，选出外观合格的BGA进行可焊性试验，试验按IPC/ECA J-STD-002C中方法G[5]执行，采用润湿称量法获得BGA焊球的力-时间润湿曲线，并按照曲线上的零交时间T0、从测试开始到2s时的润湿力F2数据，依据IPC/ECA J-STD-002C给出的A组标准、B组标准来评判BGA焊球的可焊性。BGA焊球的可焊性测试结果如表2所示，其中编号D6的BGA器件典型的无可焊性的力-时间润湿曲线如图4所示。

从表2的结果可见，编号D4、D5、D6的BGA器件的T0＞2s、F2＜0，因此确定D4、D5、D6编号的BGA无可焊性，不可用于PCBA组装，否则会形成图1.a所示的焊球和焊料不相融的焊点缺陷；编号D1的BGA器件可焊性良好，符合可焊性A组标准，焊接工艺窗口较大；编号D2、D3、D7的BGA器件可焊性较好，符合可焊性B组标准，但焊接工艺窗口相对小。

D4、D5、D6编号的BGA器件均为小球径的进口器件，存在货源不可追溯、停产断档问题，且库存时间久，这些因素均可能造成BGA焊球可焊性下降，导致BGA直接组装后出现图1.a所示的焊点缺陷。为了恢复D4、D5、D6的可焊性，采取去除BGA原有焊球并重新植球的措施，使BGA可焊性达到组装要求。

3.2 焊膏质量控制试验

试验PCBA为高混装度组件，其上7种BGA封装尺寸差异较大，各BGA对焊膏需求有差异，基于宽厚比大于1.5和面积比大于0.66参考原则，获得各BGA的最佳钢网厚度，如表3所示。综合考虑钢网对焊膏印刷脱模效果、预制焊膏体积、焊点质量等的影响，确定以0.13 mm厚的钢网进行后续试验。

鉴于D4~D7 编号的BGA为小球径器件，其钢网开孔较小，焊膏印刷质量不易保证，为了提高焊膏印刷质量的稳定性，增加对PCBA焊膏印刷后的SPI检测功能，避免焊膏印刷缺陷。

3.3 回流焊试验

针对试验PCBA制作测温板，测试BGA回流焊曲线。初始回流焊曲线测试结果表明，BGA回流焊接时温度在217 ℃以上时间仅20 s左右，不足以使无铅BGA获得良好焊点，因而须对初始回流焊曲线进行修正、优化，经迭代试验，获得图5所示回流焊曲线，从图可见，有铅BGA的回流焊峰值达到227 ℃，无铅BGA焊接峰值温度232 ℃、峰值以上时间约50s左右，理论上应能获得良好的混装焊点质量[6]。

采用图5所示回流曲线组装BGA，并对BGA焊点进行检测，结果如图6所示，从焊点形貌看，无铅BGA焊点坍塌明显、焊点没有分层缺陷、焊点内空洞在合理范围内，焊点X-Ray形貌也均匀一致，因此，初步判定优化后的BGA回流焊曲线可以满足试验PCBA的BGA焊接质量要求。

3.4 金相切片及EDS分析

为从机理上分析BGA焊点可靠性，选取试验PCBA上有代表性的无铅BGA（D1）和有铅BGA（D2）进行金相切片分析。切片获得的金相焊点形貌如图7和图8所示。

由图7可见，无铅BGA焊点焊球坍塌明显，焊膏、焊球充分地融为一体，但BGA焊盘尺寸偏大导致焊点宽高比偏大。从图7中无铅BGA焊点的成份可见，焊膏中Pb元素已扩散至焊点中间部位，BGA器件侧的界面也有微量Pb元素存在，说明无铅BGA的混装焊点熔融充分。同时，从图7中无铅BGA焊点在PCB侧的界面EDS成份可见，焊点在PCB侧的界面形成了Cu和Sn的化合物，Cu和Sn两元素的成份比接近Cu6Sn5化合物；同时，从界面形貌可见，化合物Cu6Sn5呈扇贝状，且化合物的厚度最小值1.005 μm，最大值3.740 μm，处于1 μm～4 μm的合理厚度范围内[7]。

由图8可见，有铅BGA焊盘设计过大，加之回流焊温度高，使BGA焊球过度坍塌、宽高比过大；从图中有铅BGA焊点的界面EDS成份可见，焊点在PCB侧的界面形成了Cu6Sn5化合物，但从界面形貌可见，化合物层厚度最大值达到了4.010 μm；而BGA侧的器件阻焊膜已嵌入焊点处形成应力集中点，形成了可靠性隐患。

综合金相切片及界面EDS分析结果可见，无铅BGA焊点可靠性良好，而有铅BGA焊点存在可靠性隐患。

1  性能验证

采取对无可焊性的BGA重新植球处理、焊膏印刷质量SPI检测控制、回流焊曲线优化等改善措施后，组装10个PCBA进行单板性能测试和随整机的高低温、振动等试验，产品各项性能指标均合格，试验组件的一次组装合格率达到100%，说明试验PCBA原来一次组装合格率低的问题原因定位准确，采取的改善措施有效。

2  结论

本文对航空电子产品上某合格率低的复杂PCBA上多种BGA混装的焊接工艺进行了改进试验，通过分析原因、工艺试验和验证，获得以下结论：进口BGA可焊性不良是导致其焊接缺陷的根本原因。组装前对BGA的可焊性进行检测，尤其是可焊性更易出问题的小球径BGA，并对可焊性不良的BGA采取重新植球、或更换合格BGA的措施是保证BGA焊接质量的前提条件。无铅BGA、有铅BGA共存于同一PCBA上的混装工艺，在确保无铅BGA获得良好焊点的情况下，有铅BGA的焊球会过度坍塌、阻焊膜嵌入焊点内，焊点的长期可靠性存在风险。通过采取对无可焊性BGA重新植球、增加SPI焊膏印刷质量检测、优化混装BGA回流焊工艺曲线的工艺改进措施后，组件的合格率从80%提升到99%以上，改进措施可行、有效。

参考文献

[1]吴军，有铅和无铅BGA混装工艺研究[J].电子工艺技术,2012,33(2):82-85.

[2]江平，无铅有铅混装焊接技术[J].电子工艺技术,2013,34(6):356-358.

[3]张颂国.进口电子元器件的选用控制及风险管理[J].电子产品可靠性与环境试验,2017, 35(1): 56-61.

[4]贾忠中.SMT可制造性设计[M].北京:电子工业出版社,2015.

[5]IPC/ECA J-STD-002C-2008,元器件引线端子焊片接线柱和导线的可焊性测试[s].

[6]徐驰,包晓云.有铅焊料焊接无铅BGA回流参数探索[J].电子工艺技术,2011, 32(6): 342-345.

[7]樊融融.现代电子装联工艺可靠性[M].北京:电子工业出版社,2012.