目录

1 PoP的焊接

2 QFN的焊接

3 BGA空洞

4 BGA球窝

5 BGA应力断裂

6 片式电容失效与工艺操作

1  PoP的焊接

1.1 类别

1.2 工艺方法

2  工艺方法

生产主要采用的是板上堆叠工艺，此工艺也有两种工艺方法：

•沾焊剂工艺；

•沾焊膏工艺。

1.2 工艺方法

•工艺的核心：焊剂或焊膏的沾涂工艺。

1.3 常见焊接不良

1）开焊（虚焊） / 球窝（枕头）

2）桥连（短路）

1.4 PoP球窝现象产生的机理与原因

1）机理,与BGA球窝现象产生原因一 样，但更复杂，叠加了双层的相互影响

•产生的机理：熔融的焊球与熔融的焊膏间存在Gap!

•产生Gap的原因是BGA变形。BGA越薄越容易变形，F-BGA、P-BGA最严重

必须建立这样的一个概念——动态变形，它比静态的共面性更有价值

2）PoP变形的主要原因

•PoP产生球窝，除了BGA变 形因素外，还多了上下层的相互影响因素

1.5 球窝（枕头）现象对策

a)合适的焊膏量

•BGA角部（四边的角）钢网开窗扩大

b)提高贴片的位置精度；

c)优化温度曲线，减少不同时熔化的时间。

  1.6 桥连(短路)现象产生的原因与对策

原因：

1•BGA和PCB的变形，改变了熔锡条件；

2•焊膏印刷量多；

3•BGA受潮，出现“爆米花”现象；

4•过大的贴片压力，必须记住，桥连的焊膏一定会引起焊点间桥连。

1.7  案例 特殊PoP---ML PoP

1) 什么是ML-PoP？

ML-PoP，即Molded Laser PoP，简写为MLP，是一种由Qualcomm发明的“球 窝”焊盘封装形式，见下图所标POP。

相对于平面焊盘PoP，MLP容易发生球窝与桥连现象。

封装质量与工艺条件 对焊接良率影响非常大。

2 )工艺核心

助焊膏的厚度要求

上层芯片焊球沾涂助焊膏的厚度，越多越好，但不能覆盖到芯片封装体下面。 

•多，提高芯片的自对位能力，在X-Ray检测时，看到的焊点图形丰满而圆；

•少，芯片的自对位能力差，在X-Ray检测时，看到的焊点呈椭圆概率比较高，这是因 为上下球位置偏移所致。

生产控制要求：一般h≈50~70%，60%最佳。

3 ) 生产问题的解决

（1）桥连（短路）

产生的原因与机理

由于激光窝比较深，过多的焊剂将会把窝口封死，形成封闭的空气空间，高温 时气体膨胀将熔融焊锡排挤出去从而形成桥连！

措施

发生桥连多与封装质量有关。在此条件下，减少桥连的方法就是减少助焊膏量（厚度），采用活性比较强的助焊膏。

由于POP上下层焊接后被松香密封，不必担心可靠性的问题。

（2）球窝

产生的原 因 ：  

a）温度不够，此时焊接的焊点呈双球形。 

b）焊剂少。

2.1 QFN

QFN属于BTC封装类别中的最早出现、也是应用最广泛的一类底部焊端封装， 其特点是焊端除焊接面外嵌在封装体内，如图所示。

2.2 工艺特点

1）QFN的焊端基本为一个面（0~0.05mm），与PCB焊盘构成“面—面”连接，正常的焊缝形态如图所示，其非边缘侧的焊缝不是“腰”形就是“坡”形，一般不会形成像BGA那样的“鼓”形，这点对于消除QFN封装体下焊点的桥连缺陷是非常有益的。

如果上下焊盘大小相差很大，焊缝一般为坡形

如果上下焊盘大小基本一样（半边相差不超过焊缝厚度），焊缝一般为腰形

工艺特点

2）由于几乎为“0”的底部（Stand-off）间隙和大尺寸的热沉焊盘等特点，QFN的工艺比较复杂，相对于其它封装，必须考虑热沉焊盘与信号焊盘焊缝厚度的平衡问题！

3）焊接最容易出现的问题为桥连和虚焊以及热沉焊盘空洞超标，见下图。

桥连主要发生在Cu间隔小于0.25mm的情况下，虚焊很多情况下是为了减少桥连而减小钢网 开窗的结果。热沉焊盘空洞超标与多因素有关，本质上是一个取决于PCB厚度与表 面处理，导热孔直径、密度与阻焊，焊膏与钢网开窗等多因素的综合问题。

4） 焊点的可靠性

QFN焊点的可靠性主要取决于QFN的设计，一般而言，焊盘间距越大越好；Die  面积越小越好；QFN封装尺寸越小越好；PCB厚度越薄越好，从可靠性角度讲，不太适合于厚板上的应用。

2.3 桥连现象、原因与对策

1）桥连容易发生的位置

双排内排

2.3 桥连现象、原因与对策

2）主要原因

热沉焊盘焊锡量不足。

热沉焊盘因覆盖率以及散热孔吸锡（Via不塞孔情况下），可形成的焊缝厚度相对 要比信号焊盘焊缝厚度小，表面张力的作用下，周边信号焊盘上的焊锡被挤压 扩展，从而容易出新桥连现象。

【试验】

热沉焊盘焊膏量对QFN信号焊盘焊缝形态的影响试验：

采用喷印技术，信号焊盘焊膏量不变（内圈两个喷印点），

热沉焊盘焊膏量一 个5.4，一个2.5时焊接的结果。

说明热沉焊盘上焊膏量多少对周边信号焊盘的焊缝形态影响很大！

因为焊缝厚度决定了焊锡扩展的尺寸（QFN焊点不存在Z方向的润湿）。

3 对策

a) 提高焊膏覆盖率，如75%以上。

我们可以看到，热沉焊盘提高焊膏覆盖率，如75%以上的焊膏覆盖率决定焊缝的厚度，决定信号焊缝焊锡的扩展尺寸。

显然，覆盖率越高越利于减少桥连现象。

b) 采用厚的钢网，如0.127mm（5mil）。

c) 采用小的钢网开窗。

由于QFN本身焊盘都比较小，大多数在0.2~0.255x0.4~0.45，缩小钢网开窗，容易带来虚焊的风险。如果减少钢网厚度，则会抵消缩小窗口带来的减少焊膏量的效果并带来可靠性的问题。

d) 采用薄的阻焊设计，避免QFN焊盘附近布局导通孔以及丝印字符。

5 空洞现象、原因与对策

1主要原因

a) 热沉焊盘面积大。

b) 与热沉孔的设计有关，特别是是否塞孔有关。

热沉焊盘是为散热而设计，散热是通过散热孔将热量传导到地层而扩散出去， 如图所示。因此，热沉焊盘上一般都打有很多的孔。为了避免焊接时散热孔透 锡，往往进行半塞处理，这是导致出现大空洞的主要原因。

 2 对策

(1)散热孔不塞孔设计

为减少热沉焊盘焊缝中出现大的空洞，散热孔不塞孔。在这种条件下，一般 可采用下列方法来减少冒锡情况：

a）将QFN布局在第二次焊接的面上，即使冒锡也不会对组装工艺造成影 响；

b)对于尺寸比较大的热沉焊盘采用较大直径的散热孔设计，如  0.5~1.0mm；

c）采用小孔设计，但保持足够的孔壁间隔，方便采用避孔焊膏印刷工艺；  

d）将PCB的表面处理设计为OSP；

e）将PCB的厚度增加到2.0mm以上；  

f）将孔布局Layout在热沉焊盘的四周。

(2)优化钢网开窗设计

a）焊膏图形中不包含散热 孔；

b) 设计阻焊条，建立排气通道。

3 BGA空洞

3.1 BGA空洞的类别

BGA空洞，如图所示，根据发生的位置、大小，可简单分为两类：

1)界面微洞 空洞小，数量多，出现在BGA侧IMC与焊球界面，如左图。

2)截面大洞 单一空洞，出现在BGA焊球内，如右图。

                        界面微洞                                            截面大洞

3.2 一般的原因

1）焊剂系统，主要是焊剂的配方存在不足（外因）；

2）BGA焊球表面氧化严重（内因）；

3）焊球与焊膏的相对量不合适（外因）。

4）使用了N2气氛进行焊接。实践中我们发现，焊膏在N2气氛条件下空洞会  更严重，这是因为N2降低了熔融焊球的表面张力的原因。

5）空洞的产生，与温度曲线、BGA吸潮等因素没有太大的关系，它们只影响空洞的数量。

3.3 机理推测

我们都有这样的经验，同一块板上的BGA，有的有空洞，有的却没有；

用无 铅焊膏焊接无铅BGA出现空洞的概率一般比较小，而用有铅焊膏焊接无铅BGA  则比较大；出现空洞后，换用活性比较强的焊膏空洞往往就会消失；调整温度曲 线、对BGA进行烘干，对减少空洞往往没有效果------。

这些经验是我们分析空洞形成原因的基础。

对于非HDI板，空洞的确由焊剂系统挥发物导致的，这点不容质疑。一个能够 解释以上种种现象的理论，目前只有“助焊剂溢出”说。

“助焊剂溢出”说，认为助焊剂挥发物的溢出速度取决于其黏度和厚度。助焊剂黏 度越大，焊剂的挥发物越难以析出熔融焊料，也就越容易形成空洞，如图所示。

什么样的情况下助焊剂的黏度比较大或挥发物比较多呢？一般而言，有以下几种情况：

1 助焊剂系统中溶剂的沸点比较低，如果助焊剂中溶剂沸点比较低，那么，焊剂在焊 膏熔融状态时会比较粘稠。这就是为什么采用无铅焊膏焊接无铅BGA空洞比较少的原因。

2 焊球氧化严重，焊球氧化层越厚，助焊反应生成的金属盐越多，这些金属盐使得焊 剂黏度增加。这就是为什么有些品牌的BGA容易产生而有些则不容易产生空洞的原因。

3 焊球尺寸越小，在同等焊膏量下越容易产生空洞。这是因为，焊球尺寸越小，被覆的焊剂越厚，焊剂挥发物质也越难以逃脱出去。

对HDI板，除上述原因外，更主要的是焊盘上微盲孔的结构。微盲孔内往往有 很多有机残留物，它们的挥发物是形成HDI板上BGA空洞的主要因素，如图所示。

3.4 对策

1 换用合适的焊膏或其它品牌的BGA；

2 换用活性焊膏；

3 减少焊膏量；

4 按焊球尺寸设计焊盘尺寸。

3.5 特定案例

HDI板，有微盲孔的焊盘上的无铅焊点100%会有空洞，如图所示。

焊盘上有微盲孔（Via in pad=VIP）

空洞

主要有两个原因：

1 微盲孔内有残留有机物。

残留有机物在焊接温度下分解形成气体，从而在BGA焊球内形成空洞，这是微盲孔引发空洞的一个最主要原因。

孔内残留有机物的多少与微盲孔的孔形有很大的关系，一般细腰形微盲孔最不容易洗干净，直形孔次之，倒梯形最容易洗干净。为减少空洞，目前许多厂家采用了半（塞）填孔工艺。

2 微盲孔截留空气。

由于HDI孔尺寸很小，焊膏不能填进HDI孔内，会截留空气，这是形成空洞的另一个重要因素。

4 BGA球窝（枕头效应）

4.1 球窝现象

焊球与焊膏没有焊连，而在焊球侧形成球窝，如图所示。

此缺陷属于虚焊的一 种，在无铅工艺、微焊盘条件下常常会发生。

4.2原因

原因比较多，主要有3方面原因：

1 焊球表面深度氧化；

2 焊接时焊球与焊膏在第一次塌落时没有接触，如BGA变形、焊膏薄，机理 见图所示；

3 贴片偏移位置比较大时，也会导致球窝现象，与共面性差导致球窝的机理

相同。

4.3对策

现场：

（1）对BGA进行干燥处理；

（2）选用活性比较强的焊膏或所谓的抗球窝焊膏。采用较强活性焊剂，大多数情况下对解决窝现象有效，但个别情况下则没有效果。

（3）增加焊膏量。如钢网开窗扩口（实际上主要是想增加BGA角部焊膏印刷量）、或采用阻焊剂定义焊盘。

（4）优化温度曲线，减小BGA本身的温度差以及减少焊剂活性的提前失效。

可采用平台保温、低的峰值温度，减少BGA本身的温差；缩短再流时间，延 长焊剂活性作用时间。

（5）采用N2气再流焊接

4.4 其它球窝现象

球窝现象，形成的原因与BGA的封装有关。不同类别的BGA封装，形成球窝的原因不完全一样，如FC-BGA，大多数情况下是因为其加热时变形使焊球与焊膏分离而引发的，而ML-POP的球窝则主要是因为加热不充分而形成的， 下面举三个例子：

1）FC-BGA

FC-BGA属于典型的双层结构，上面为硅片（即管芯，Die），下面为基板，前者的CTE为4ppm/℃，后者的CTE为15ppm/℃，在加热时因膨胀系数不同 而发生四角上翘，见图所示。

FC-BGA之所以发生四角上翘，是因为封装的结构与CTE的不同。对于此类器件，有效的方法就是采用比较低的峰值温度、比较慢的升/降温速率温度曲线。

2）球珊阵列连接器

球珊阵列连接器产生球窝的机理仍然是焊球与焊膏不接触，这并非连接器加热 时的变形所导致的（这种加热时因变形而使焊球不共面的现象，被intel称为动态共面性）。此连接器的封装非常特别，是在焊料无约束的焊端（焊盘为连接针的一部分，没有阻焊定义）上植球的，再流焊接加热时，焊球会沿连接针铺展或者 说发生芯吸现象，会引起焊球变矮。如果再流焊接加热比较快速，连接器周边焊球会先一步熔化，这种情况下，就可能引发球窝现象。这也是一种动态共面性差的典型案例，也说明动态共面性不完全决定于封装本身的变形，也取决于焊球直径的稳定。对于此案例来讲，减少连接器外围与中心的焊球温度差是减少球窝的 有效方法之一。

3）ML-POP

ML-POP属于球-球焊点结构，见图所示，中间封装不仅受热不好且热容量比较大。球窝现象（见图所示）是其主要的焊接不良之一。

BGA侧

BGA侧

5 BGA应力断裂GA应力断裂力5 BGA应力断裂断裂

5.1 应力断裂特征

BGA焊点的应力断裂，一般发生在BGA侧IMC与焊盘界面，典型的特征就是断裂面呈沙质特征，见图所示。

BGA侧

BGA侧

5.2 原因分析

作用在焊点上的应力，无非机械应力和热应力。机械应力，指物体受到外力而 变形时，在其内因各部分之间相互作用而产生的应力。热应力，指温度改变 时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀 缩而产生的应力。它们产生的应力有所不同，一般机械应力为拉应力，而热应 力为压应力。但不管哪类应力，对焊点的破坏机理都是一样的，即作用在焊点 上的剪切应力超过了焊点所能承受的能力而断开，见图所示。

有铅焊点内只有锡和铅的合金相（固溶体），焊点呈软的状态，如左图所示。焊点如果受到应力，一般会直接被吸收。

无铅焊点中的合金相增加了焊点的屈服强度，但却降低了塑性，如右图所示。焊点受到应力无法吸收，被直接传递到界面IMC层，这样，IMC成为影响可靠性 的关键因素。

5.3 对策

为了减少应力断裂发生的概率，一方面规范操作，减少应力；另一方面，提高 焊点的强度，避免产生超厚的IMC。

1）严格管控焊接温度与时间

Cu在熔融的SAC305中的溶解度是在Sn63/Pb37的8.6倍，在与SAC反应时会形成 较厚的IMC层。这点不同于有铅工艺，在有铅工艺条件下Cu与SnPb焊料形成的  IMC 一般不超过2.5μm，这是因为Pb 的抑制作用， 但在无铅工艺下， Cu 与 SAC305形成的IMC厚度很容易超过10μm。有效的措施就是尽可能减少BGA焊 球液态的持续时间，避免IMC的持续生长。

2） 采用低Ag+Ni 合金

低Ag+Ni 合金，具有优良的抗机械振动性能。Ag是加速界面IMC生长的元素，Ni对Cu3Sn的生产具有抑制作用，见左图所示。

如Cu与Sn+1.2Ag+0.5Cu+Ni焊料合金，反应形成的IMC薄而扁平。在250℃下仅形成2μm厚的IMC层，低Ag加Ni具有阻止IMC生长的作用，见图2所示。

同时也说明，Cu与不同的无铅焊料形成的IMC成分、形态也不同，这也反映了无 铅工艺的复杂性！

图1 蓝色为SAC305   粉红色为SAC305+Ni

3 ）装配采用工装

特别是螺装操作，如果不使用底托工装，每装一次螺钉，PCB就会弯曲一次。如果PCB上有多个螺钉，就会产生多次弯曲，这对BGA的伤害是非常大的。

6 片式电容开裂与操作

6.1 组装要点

陶瓷片式电容，由于其片层结构特性而非常脆，很容易受应力损伤（出现裂 纹），组装要点：

（1）布局时，尽可能远离拼板分离边（1206以上10mm）、螺钉、局部焊接 元件、返修元件、经常插拔的插座-----等容易有应力的地方；

（2）对1206以上片式电容，严禁采用局部焊接工艺（喷嘴选择焊接、手工

焊接、返修工作台焊接）；

（3）如果拼板分离边附近（5mm内）有尺寸大于0603的片式电容，严禁采

用手工分板；

（4）如果螺钉附近有尺寸大于0603的片式电容，严禁无支撑安装螺钉操作

；

（5）对于PCB上有0603以上片式电容，尺寸大、上面元件比较重的板，严

禁单手拿取；

（6）如果PCB上装1206以上片式电容，严禁高低温循环筛选。

（7）贴放时的冲击力不要过大。

6.2典型失效特征

1）机械应力作用下的裂纹特征

机械应力造成的开裂，特征非常典型，一般位于焊点下、如图所示的45°角度 开裂。这种开裂，一般外观看不出来，难以检查。

2）热应力作用下的裂纹特征

陶瓷片式电容，如果内部有空洞，很容易出现漏电。漏电会引起温升，而温升又会加剧漏电。在反复循环过程作用下，会引发热爆炸，形成树枝状开裂，如图所示。这种爆裂，是由热应力导致的，所以我们把它归为热应力开裂。

6.3 典型案例

案例1：局部热应力造成片式电容开裂

某产品上有四排同品牌、同规格的片式电容，其中靠近掩模选择焊元件的一排 电容的开裂比其它三排高很多，占到总开裂元件的60%以上，总的失效概率为 1/1000，如图所示。

6.3 典型案例

案例2：机械热应力造成片式电容开裂

某产品上位于拼板分离边（切割边）上的片式电容，出现比较多的烧坏现象，经过确认为 拼板分板导致片式电容出现裂纹，加电后因温度导致断裂处错位，从而引起片式 电容起火烧坏，见图所示。