问
像这种不是VIA设计的PCB端有微空洞,一般什么原因会造成呢?
美国KPMH Group联合创始人林建平(答)
你这张截面照片显示的是BGA焊点底部与焊盘界面之间出现了明显的连续微空洞(microvoidchain),这些空洞沿着焊点与铜焊盘之间的界面分布,而不是集中在焊料中心或体积内部。
根据这种特征,这类“连续微空洞”有以下几个高度可疑的根因:
焊盘可焊性差或有氧化/污染
• 图中空洞紧贴铜焊盘表面分布,说明焊锡与铜的润湿不完全。
• 很可能是焊盘有氧化物、残留油污,或表面处理(如OSP)不良,导致气体未能顺利逸出而被困在界面。
焊接温度曲线不当导致气体排出不充分
• 比如预热不足,助焊剂中的溶剂未完全蒸发就快速升温,气体来不及释放,最终在焊盘界面处形成空洞。
• 特别在BGA封装下方这种封闭空间,排气更困难。
PCB吸湿未充分烘烤
• 若PCB未充分烘干,内含的水分会在回流过程中迅速气化,沿焊盘扩散,最终形成沿焊盘的连续微空洞。
• 特别是多层板或有沉铜工艺的板子更易吸湿。
焊锡膏中助焊剂类型或分布不均
• 助焊剂活性太强,或者焊锡膏存储/回温不当,导致回流时产生异常气体。
建议对策
这张图展示的是一个BGA焊球的截面图,你用红圈标注的区域位于焊球底部——也就是连接PCB焊盘的一侧,图像中明显可以观察到:
失效特征分析
• 焊盘与焊球底部之间可能存在微小气泡、孔洞(voids)或微裂纹。
• 焊球与PCB焊盘之间的焊料润湿界面出现了分离现象。
• 没有发现显著的冶金结合缺陷,但可能存在界面分层现象(delamination)。
• 从结构上分析,表现出初期界面疲劳或潜在剥离趋势。
初步判断这不是热撕裂,而是更偏向:
焊接界面润湿不良+PCB焊盘失效趋势可能的失效类型包括:
焊盘分层(PadLifting/Delamination)
• 由于印刷电路板(PCB)层压工艺或局部热冲击,焊盘可能会发生与基材分离的现象。
• 常见于多层板,尤其是盲埋孔/HDI结构板。
界面空洞/未充分冶金反应
• 焊盘氧化、污染或助焊剂不够活跃,会导致焊球与焊盘润湿效果差。
• 焊接过程中出现气泡残留可能是由于预热程度不足或焊锡膏挥发不完全所致。
热疲劳初期迹象
• 热循环后出现微裂纹,界面松动。
• 若继续使用,可能会导致底部发生开裂型的热撕裂。
对应改善对策
建议你做以下进一步确认
• X-Ray检查空洞的位置和分布(是否靠近底部)。
• Dye&Pry实验:用染料检测BGA界面的微裂纹。
• C-SAM检测大尺寸PCB焊盘层压是否分层。
• 横截面更多样本分析:确定是否为批次性或随机问题。
这张图片显示了典型的BGA热撕裂失效特征,你标注的“Crack”处清晰地表明裂纹发生在:
• 焊球位于芯片端的上方.
• 属于焊球与封装内部层(substrate或dieattach之间)的分层裂纹.
• 属于内部热撕裂(热应力导致的内部界面失效),非典型的PCB焊盘脱落或焊点冷焊。
根据图片判断的热撕裂成因:
热应力集中于封装上部结构
• 芯片端上部界面出现裂纹,表明BGA封装本身结构在热冲击过程中产生的应力导致了这一现象。
• 属于典型的“芯片端热撕裂”,尤其在大芯片、大封装、高厚度基板BGA中更容易出现。
可能与二次回流或回焊有关
• BGA上端区域因为回流加热再次软化,叠加应力释放,会在内部脆弱界面造成开裂.
• 一些工艺中,Top面BGA先焊,Bottom面二次回流时BGA再次受热,更容易导致这种热撕裂。
可能是结构设计应力集中点
• 某些BGA设计内部没有缓冲区(如Underfill或空腔填充不足),热应力直接集中在焊球与substrate接触界面或dieattach层.
• 一旦材料粘接不牢或热老化,就容易裂开。
补充建议:除了点胶(Underfill)
还可考虑以下预防措施:
BGA(Ball Grid Array)热撕裂(Thermal Pad Cracking or Pad Lifting/Tearing)是指在回流焊过程中或焊后因温度变化导致BGA焊盘或焊球结构出现裂纹、撕裂或焊盘脱落等失效现象。这种失效可能导致电气连接不良或器件失效,属于典型的热机械失效问题。
造成BGA热撕裂的主要原因有:
热膨胀系数不匹配(CTEmismatch)
• BGA封装材料(芯片、基板、封装树脂)与PCB的热膨胀系数不同。
• 回流焊加热和冷却过程中,因膨胀/收缩不一致产生热应力。
• 特别是多层PCB与大尺寸BGA之间差异大时更易引发焊盘剥离或裂纹。
回流焊温度曲线控制不当
• 升温速率过快或冷却速率过快,造成温度冲击,增加热应力。
• 峰值温度过高或保温时间过长,使焊盘、焊球疲劳甚至损坏。
• 温度曲线没有针对BGA封装特性进行优化。
PCB焊盘设计问题
• 焊盘过小或焊盘结构设计不合理,承受热应力能力差。
• 焊盘与PCB的结合不牢,容易因热应力撕裂。
• 铜箔附着力不足或基材层压不良。
BGA封装质量问题
• BGA芯片封装内部结构不良,如焊球附着力差、树脂应力集中等。
• 焊球材料疲劳性能差,容易因温度变化导致裂纹。
PCB材料问题
• PCB材料的热性能差,例如玻璃转化温度(Tg)低、分层温度低。
• 层压工艺不良,焊盘容易脱落。
机械应力叠加
• 在热循环基础上,如果有机械应力(如翘曲、外力压迫),更容易导致焊盘撕裂。
• 大尺寸BGA器件或布板设计不合理易形成翘曲,加剧焊盘应力集中。
如何预防BGA热撕裂