球窝缺陷的补救措施

在BGA元件上经常会随机地出现球窝缺陷，而且没有任何特殊原因。图1是一个典型的球窝缺陷，从图中可以看到焊球好象与整个焊料连接在一起，但在实际上它只是放在没有形成金相连接的窝坑里。问题是，遇到过这种缺陷的用户担心的是，在检查或者功能测试过程中，不是每次都会发现这种缺陷。因为这种缺陷往往是整个焊料和焊球之间形成局部连接，所以电路最后往往能够通过功能测试、光学检查和ICT测试。因为没有形成真正的金相连接，所以焊点不牢固，在焊接后进行的所有测试都合格之后，可能很快就会失效。在焊接工艺之后，存在球窝缺陷的电路板经常会在后续的组装工艺、运输过程中因为热胀冷缩而失效，或者在现场失效。

经常谈到的原因
以下是可能造成球窝缺陷的几种原因:
焊膏或者焊球的可焊性。有人认为，一些难以焊接的元件（或者元件受到污染）和焊膏结合的活性不够，不足以湿润元件表面，造成球窝缺陷。但是，从对未经加工元件进行的可焊性测试发现，这个原因并不成立。因为这种缺陷经常会出现在易于焊接的产品中（从锡铅焊料到无铅焊球的湿润），看来组件可焊性差或者助焊剂活性弱并不是造成球窝缺陷的罪魁祸首。
焊膏印刷的高度变化。有人提出，这种缺陷可能会因为焊膏印刷的高度不够或者数量不足而随机出现，因而组件不能妥善地放在焊膏上。这可能是由于孔阻塞、焊膏释放不良或者模板损坏而造成的。但是，这可能会造成焊点开路，而这比典型的球窝缺陷要明显得多。
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图1 球窝缺陷的剖视图。
BGA缺乏共面性。人们认为BGA焊球的共面性是造成球窝缺陷的另一个原因。共面性问题可能是形成球窝缺陷的一个因素，因为可能会在焊接过程中造成焊膏和组件之间没有接触上。不过焊球制作的误差很小，焊球的共面性就不大可能成为造成球窝缺陷的根源。
把整个BGA上的球窝缺陷位置绘成图，就可以看到，球窝缺陷往往出现在元件的一侧或者一角，而不是在别的地方出现。用户发现，95%以上的球窝缺陷都是以这种形式出现。可焊性不好、焊膏高度和数量不足，或者元件共面性不会在组件的某一处重复出现这种问题。必定有其他原因。
在几家用户的调查中，我们对一些情形进行仔细的检查与比较，发现这种缺陷经常出现在组件的一侧或者一角，它的冷却速度比另一侧或者另一角更快。把热电偶贴到元件四个角上，我们发现存在温差（ΔT），从而得出这个结论。缺陷反复出现在温度较低的那个角上，这表明元件左上角的温度至少会比右下角低几度。根据这个现象我们假设，也许是元件上的温差引起球窝缺陷。
根据这个发现，一些用户提高整个电路板的温度，这样也提高了组件温度较低处的温度。不过，这个方法并没有降低缺陷水平。这说明，尽管再流焊曲线与缺陷的形成有点关，但是焊料没有充分熔化或者没有足够的时间来充分湿润组件并不会促使缺陷的形成。

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图2用户原来的再流焊曲线。
有一家客户饱受球窝缺陷之苦，同意试用一种再流焊曲线进行实验，把它作为可能的解决办法。这家客户说原来的球窝缺陷水平大约在0.9%左右。他们按照人们经常提到的那些原因展开调查，但是这类缺陷仍然不断出现，占的比例相同。用户提供他们使用的再流焊曲线资料，并且对出现缺陷的频率和位置进行了分析。很明显，球窝缺陷并不是在整个元件各处随机地出现的。差不多所有缺陷是集中在元件的一角。用户用了一个与图2相似的再流焊温度曲线，温度直线上升到峰值（或者呈三角形），没有明显的均温区。再流焊曲线的升温速度保持在每秒0.9℃至 1.0℃之间。峰值温度在210℃至215℃之间。在测量元件四个角的温度之后，可以清楚看到，球窝缺陷是出现在温度最低的那个角上。进一步研究发现，元件的温差大约是7℃，而较热的一角达到再熔温度（183℃），会造成熔化时间不一致。这个温差是大型BGA周围的元件引起的，而且温度较高的一角是在元件的边缘，因而温差较大，随后在再流焊炉进入再熔区时，这个角的温度比较高。
这家用户同意把再流焊曲线调整一下。假设温差造成元件湿润不均匀，那么这将造成元件翘起几度。元件翘起可能会迫使元件温度最低角的引脚与焊膏失去接触。当所有的角同时开始熔化时，当温度最高的一角比温度最低的一角更快熔化和湿润元件引脚时，才会出现这个现象。如果能够让各个角上的焊料以更一致的速度熔化，也许就不会出现这种翘起，也就能够消除球窝缺陷。图3是为了做到这点建议使用的再流焊曲线。
图3给出了电路板上两个位置再流焊曲线的数据。这两个位置是元件温度最高和温度最低的边角，那里正是出现球窝缺陷的地方。修改温度曲线的第一个目的是在焊料接近液相线温度时减少元件上的温差。可以增加时间长、温度较高的均温来做到这点。目标是160℃至180℃范围内均温75秒以上，最后把均温温度保持在175℃附近，同时温差最小。第二个目标是使这个曲线迅速转入焊料液相线阶段。由于均温温度较高、温差最小，在175℃至190℃之间快速加热是迫使整个元件的焊料同时熔化的关键。用户用这个实验性再流焊曲线时不需要对工艺做任何改动，也不需要更换材料。
用户说，连续几周把原来的温度曲线用到数千块电路板，缺陷水平为0.9%。在改用这个实验性再流焊曲线后，生产了将近一千块电路板，一个缺陷也没有。
根据这些发现，有人提出一种缺陷形成的机理。在使用原来的再流焊曲线时，由于元件的温差，元件一角的焊膏熔化，在局部地方焊膏和元件之间产生湿润作用。在温度较高的一角，温度高于液相线，而温度较低的一角温度低于液相线，这时，由于这种湿润作用，把温度较高的一角向下“拉”，导致元件略微翘起。假设这个力还不够大，不足以使元件温度较低一角的的引脚从焊膏拔出来。但是，一旦缺陷形成，可以设想，在温度较低一角的焊球完全没有与焊膏连接。如果焊球完全脱离焊膏（没有任何焊膏残留），焊膏中的防氧化剂没有发挥功效，结果造成焊球很快氧化。由于焊球脱离焊膏，焊膏本身无法散热，而且在焊球被迫回到焊膏之前，它可能会熔化。焊膏熔化还会使焊料湿润焊盘，这意味着助焊剂会在电路板上铺开，无法防止熔融焊料表面氧化。一旦把焊球回落到熔融的焊料中，两个表面都已经充分氧化了，这样，焊料可能就无法湿润焊球。结果焊球只是在坐在焊料上面，而没有形成金相连接。
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图3建议使用的再流焊温度曲线，它能够减少缺陷。
Conclusion 结论
经过证明，如果再流焊温度曲线有一个温度较高、时间较长的均温区，而且能够迅速达到焊料液相线状态，对于减少球窝缺陷是有利的。这证明，许多人们认为是随机出现的球窝缺陷有了确定的原因、大致的机理和矫正的方法。只有温差最小、焊料相变很快的再流曲线能够消除球窝缺陷。图3所示的温度曲线能够消除所有由于组件翘起而引起的缺陷。这个办法能够消除在小范围内重复出现的这些缺陷。
直线上升到峰值的温度曲线会增大组件上的温差，导致组件翘起，因而加剧球窝缺陷。大型BGA组件上温差明显的再流焊曲线在焊料相变时可能会引起球窝缺陷。我们可以设计出一条均温时间长、温度高而且迅速地将温度提高到高于焊料液相线温度的再流焊温度曲线，从而完全消除这些缺陷。