如何解決BGA錫球的HIP(Head-In-Pillow)虛焊問題

BGA封裝IC在焊接過程容易發生HIP缺點已經是個不爭的事實,而且尺寸越大越容易發生,這(Head-In-Pillow,枕頭效應)的雙球虛焊真的是個相當討人厭的問題,因為不論是使用X-Ray、電測(FVT或 ICT),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)虛焊問題呢?

答案不能說沒有,但也不敢說可以100%解決HIP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…等等相關問題,很難說可以一次全部解決,下面工作熊試著提供一些方法給大家參考:

減緩Reflow昇溫的速度,以降低板材變形量

不論是IC載板或是組裝的電路板(PCB),當電路板上出現溫度上升分布不均時將引起局部應力分配不均,是影響IC載板與電路板變形的兇手之一,想徹底解決這個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)的方向是否可以增強變形抵抗能力,或是銅箔分配所造成的熱效應等。







但溫度分佈不均的最大問題無非是升溫速度太快,以致造成局部區域溫度無法跟著環境溫度上升,比如說大面積的銅箔處(容易吸熱),還有大零件的地方,比如說智慧卡讀卡槽(Smart Card Reader)以及屏蔽罩(Shielding Can)的下方溫度都不易上升,所以試著降低Reflow升溫的速度(調低鏈條速度,或降低某些升溫區的溫度),都可以幫助板子的溫度達到均勻化,但要小心不要讓板子與零件所吸收的熱能太過飽和,否則可能造成其他問題(脆化或起泡),建議要執行實驗計畫以得到最佳的溫度曲線 (temperature profile)。

另外,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。

BGA IC預先烘烤

IC封裝零件如果吸濕,在流經回焊爐(Reflow)時除了容易發生分層(delamination)的問題外,IC變型翹曲也是一大隱患,預先烘烤(105°C)可以逼出水氣,降低過reflow時的變形量。

相關閱讀:JEDEC J-STD-033B第四章節-乾燥(中文翻譯)

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)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,因為印多了可是會造成短路的,個人覺得並非所有的錫球焊點都要增加錫膏量,所以比較好的方法是只在變形量較大的地方增加就可以了。

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都只發生在BGA四周最外面一排的錫球上而已,所以我們只要把BGA最外圈的錫球焊墊增加錫量就可以了,我們的作法是把鋼板開口開成方型的內切圓,其他的錫球還是維持圓型的開孔。

相關閱讀:增加錫膏量可以改善BGA焊接不良?

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都只發生在BGA四周最外面一排的錫球上而已,所以我們只要把BGA最外圈的錫球焊墊增加錫量就可以了,我們的作法是把鋼板開口開成方型的內切圓,其他的錫球還是維持圓型的開孔。

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,請記住越薄的板子過回焊爐的變形量會越大,另外還有其他的原因可能造成板子變形:

  • 板子的尺寸越大也越容易造成變形。
  • 板子上面有較重零組件時。
  • 二次回焊的板子。
    如果前面的方法都已經試過了,這時候使用過爐載具(carrier)或許已經是最後的手段,過爐載具利用定位柱及孔來支撐住電路板的板型尺寸,可以有效防止變形。雖然使用過爐載具可能所費不梓,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。

WBGA的IC封裝似乎較容易變形

WBGA的IC封裝似乎較容易變形

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:
BGA枕頭效應(head-in-pillow)發生的可能原因
板彎板翹發生的原因與防止的方法
回流焊的溫度曲線 Reflow Profile

訪客留言內容(Comments)

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?

wappon;
FPC又是不同的特性了,而且FPC一定得使用過爐托盤治具,否則一定變形。
另外FPC上面打BGA其底下一定要貼補強版,否則就算過爐後沒問題,使用上彎折到也會出問題。

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

沒有原文所以不是很清楚這個要求是什麼。
如果僅解釋BGA及帶腳的封裝,BGA使用FR4(也就是PCB)當基板,加熱一般不建議溫度超出100°C太高,否則會有軟化的問題。

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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