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如何解決BGA錫球的HIP(Head-In-Pillow)或HoP虛焊問題
BGA封裝IC在回焊過程中容易發生HIP或稱HoP缺點已經是個不爭的事實，而且尺寸越大、球數越多的BGA則越容易發生。這種雙球虛焊的（Head-In-Pillow，枕頭效應）也真的是個相當討人厭的工程問題，因為不論是使用2D X-Ray檢查或是電性測試（FVT或ICT）方法，甚至把產品送去燒機(B/I)都不一定可以100%的偵測出有HIP的問題來。
所以等到產品賣出去後，偶爾就會有BGA焊接的不良品反饋回來。
那到底有沒有辦法可以解決或降低BGA錫球焊接時的HIP(Head-In-Pillow)或Hop(Head-on-Pillow)虛焊問題呢？
答案不能說沒有，但也不敢說可以100%解決HIP/HoP的問題，因為HIP的問題牽涉到IC載板、組裝電路板、回焊爐溫、產品設計、內外應力…等等相關問題，很難說可以一次全部解決。
下面工作熊只能試著提供一些解決HIP/HoP的方法與方向給大家參考：
1.減緩Reflow昇溫的速度，以降低板材變形量
不論是IC載板(substrate)或是組裝的印刷電路板(PCB)，回焊爐中一旦升溫速率過快就可能使得載板或印刷電路板上出現溫度分布不均的現象，將會引起局部的熱應力集中，溫度是影響IC載板與PCB變形的兇手之一，想徹底解決這類問題可能得從熱力學的角度下去研究，比如說板材玻璃纖維（Glass fiber）的方向是否可以調整以抵抗更大的變形，或是可以讓載板或PCB上的銅箔分配更均勻以降低熱效應所造成的應力影響。
對於SMT的製程來說，溫度分佈不均的最大問題無非是升溫速率太快，以致造成局部區域溫度無法跟著環境溫度上升，比如說PCB上的大面積銅箔處（需要吸收更多的熱量後溫度才能上升），還有大塑膠件的零件（塑膠的吸熱率較慢，而且塑膠件還會阻擋延緩熱量傳遞至其焊腳），比如說智慧卡讀卡槽（Smart Card Reader），另外，配置在屏蔽罩（Shielding Can）下方的零件也都不易吸收到經由熱風傳導過來的熱量。
解決方法則可以試著降低回焊升溫的速度，比如調低鏈條速度，或降低某些升溫區的溫度，都可以幫助PCB的溫度達到更均勻化，但要小心不要讓PCB與零件所吸收的熱能過於飽和了，否則可能造成其他問題，比如脆化或起泡，建議要先執行實驗計畫以得到最佳的溫度曲線 (temperature profile)。
另外，也可以考慮採用「熱阻焊墊或限熱焊盤」設計以提昇電路板昇溫的整體均勻性。
2. BGA IC或PCB預先烘烤
IC封裝零件或PCB如果吸濕，在流經回焊爐(Reflow)時除了容易發生分層(delamination)問題外，IC及PCB變型翹曲也是一大隱患，預先烘烤(105°C~120°C)可以逼出水氣，降低過reflow時的變形量。
相關閱讀：
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3.增加電路板上BGA焊點的焊錫量
既然IC載板及電路板的板彎板翹會造成錫球與錫膏不接觸，那麼只要增加錫膏量(solder paste volume)，正確的說法應該是增加印刷錫膏的厚度，應該就可以縮短錫膏與錫球的接觸距離並增加接觸面積，達到提高良率的目的。
只是如何增加錫膏量是個值得探討的問題的課題，而且BGA焊墊處的錫膏印刷量是沒有辦法能無限增加的，因為印得太多可是會造成與相鄰焊墊短路的風險，個人覺得並不需要將所有錫球的焊點都增加錫膏量，比較好的方法是只在變形量較大的焊點增加焊錫量就可以。
下面是一個選擇性的錫膏量增加的方法，根據統計有99%的HIP都會發生在BGA四周最外圍的一排或兩排錫球上而已，特別是在4個直角的地方，所以我們只要把BGA最外圈的錫球焊墊增加錫量應該就可以了，作法是把鋼板開口開成方型的內切圓，而剩下的其他錫球位置則還是維持圓型的開孔。
相關閱讀：
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4.使用過爐載具 (Carrier/template)
有些電路板可能因為設計限制，所以必須使用比較薄的板子，比如說1.2mm、1.0mm、0.8mm，請記住越薄的PCB過回焊爐的變形量就會越大，另外還有下面的其他因素可能造成板子變形：
- PCB的尺寸越大，會因為重力而越容易造成變形。
- PCB上面有較重零組件時。
如果前面3個方法都已經試過了無用，這時候可以考慮使用「過爐載具(carrier)」來降低PCB過回焊變形的風險，或許這也是最後的手段。
過爐載具利用定位柱及定位孔來固定並支撐住PCB，可以有效防止PCB在回焊中變形。雖然使用過爐載具可能所費不貲，還耗費人工，但如果跟HIP的缺點所造成的損失相比可能就微不足道了。
5.採用高Tg的板材
Tg是玻璃轉移溫度，也就是材料由玻璃態轉變成橡膠態的溫度，Tg值越低的材料，表示其板子進入回焊爐後開始變軟的速度越快，而且變成柔軟橡膠態的時間也會變長，板子的變形量當然就會越嚴重。採用較高Tg的板材就可以增加其承受應力變形的能力，但是相對地材料的價錢也比較高。
6.WBGA的IC封裝似乎特別容易變形
上圖顯示這種WBGA的IC封裝因為其先天結構的關係，似乎比較容易發生翹曲的變形問題，這個必須請IC廠商嚴格控管其IC的變形量。
參考文章：
回流焊的溫度曲線 Reflow Profile
板彎板翹發生的原因與防止的方法
BGA枕頭效應(head-in-pillow)發生的可能原因
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訪客留言內容（Comments）
Dear 狂人
請問一下,由於JEDEC 內22A110 HAST條件有兩項
130 °C / 85% RH/96 Hours
110 °C / 85% RH/264Hours
但是在jedec 47內有說明到
It is suggested that 130 °C for 96 hours be used for leaded devices and 110 °C for 264 hours be used for Ball Grid Arrays.
他建議BGA 產品用110/85,不曉得這是否跟BGA 封裝有關係?實在Google不到任何資訊,跪求大大看看有沒有遇到過,感恩
HAST(Highly Accelerated Temperature and
Humidity Stress Test)JESD22-A110D的實驗主要是高濕高溫下,送電給IC讓IC處於靜態模式.
條件有兩項
130 °C / 85% RH/96 Hours
110 °C / 85% RH/264Hours
在JESD22-A110D裡面並沒有提到BGA要用哪個條件,主要是JESD47I(Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuits) 內有提到BGA建議使用110 °C / 85% RH/264Hours,但是規範內並沒有說明原因
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Dear 工作熊,
文中提到” 減緩Reflow昇溫的速度，以降低板材變形量” 及”越薄的板子過回焊爐的變形量會越大”, 那如果使用軟板的話情況就會更嚴重?