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什么是枕頭缺陷？

      枕頭現(xiàn)象是回流焊后球柵陣列（BGA）、芯片級封裝（CSP）或層疊封裝（PoP）的焊球與焊膏之間不能完全熔合形成焊點的一種缺陷。由于某些原因，印制電路板（PWB）上所印刷的焊膏和封裝器件的焊球沒有熔接到一起形成一個整體。乍一看，好像有一層膜在熔融焊料的表面，阻止了焊膏與封裝焊球的結合。事實上，可能真是如此，因為在有些案例中，熔融焊料的表面好像有一層氧化膜；在其它情況下，似乎在冷卻前，當翹曲恢復時，熔融焊料的表面已經(jīng)足夠冷并阻止其與焊球再次接觸時進行融合。切片檢查發(fā)現(xiàn)，它看起來就像一個頭完全被壓進了一個軟的枕頭中（圖1）。

      枕頭缺陷正是如下原因造成的：浸潤不良和器件的翹曲。這兩個原因很難通過檢查加以區(qū)分，但可以被識別出來，因為隨機發(fā)生的枕頭缺陷是由潤濕不良造成的，而器件變形造成的缺陷則發(fā)生在邊緣或中心位置。浸潤不良或翹曲的原因可以被分成以下三個可能的因素：供應、工藝和材料問題。

供應問題
    由供應問題（supply  issues）所造成的枕頭缺陷問題可以在BGA、CSP或PoP封裝器件在產(chǎn)線組裝之前被確定，這包括在制造、器件包裝、運輸/存儲過程中焊球的氧化問題。產(chǎn)品制造商或組裝者很難進行控制，但是必須了解并采取預防性措施，以盡量減少這類問題的產(chǎn)生。

     一種不為人所共知的，由制造過程所產(chǎn)生的銀熔析（silver  segregation）現(xiàn)象可能是產(chǎn)生枕頭缺陷的原因。銀熔析是指焊料內(nèi)的含銀金屬化合物在焊球冷卻過程中遷移到焊球外表面的現(xiàn)象。在一些案例中，焊球表面的銀含量測試結果高達35%。焊球表層的高含量銀層會在元件焊接過程中改變整個浸潤和回流的動態(tài)過程。銀熔析會導致焊球的熔化不良，使得焊球不能與焊膏的主體部分熔接在一起。銀熔析的機理目前我們還沒有完全掌握，但可以從對冷卻過程的控制入手進行研究。

     另一個與供應相關的問題是封裝上焊球的氧化。焊球的氧化主要發(fā)生在器件的儲存過程中，其中包括恒溫恒濕（MSL）箱和惰性氣體干燥箱儲存、烘烤和器件在線等環(huán)節(jié)。惰性氣體和恒溫/恒濕存儲大多數(shù)情況下是可控的，能夠防止氧化和/或氫氧化物的產(chǎn)生。器件的烘烤過程可能而且通常會使焊球發(fā)生氧化。

工藝問題
    由組裝生產(chǎn)線設置而產(chǎn)生的枕頭缺陷被歸結為工藝問題。其中包括印刷機設置、貼片設置和回流焊接等。如果焊膏印刷機沒有被設置好，那么印刷工藝就無法有效運作。與焊膏特性不相關的印刷問題包括：定位不良、不完善或不正確的印刷機參數(shù)設置和較差的鋼網(wǎng)設計。在印刷過程中電路板放置不當也會造成不良的或不一致的脫模率。定位不良會導致印刷偏移出焊盤或抽出（pump-out）其重要。印刷機設置的最后一個重要方面與電路板的支撐和電路板與鋼網(wǎng)之間的襯墊（gasketing）有關。為了防止這一點，確保電路板跟鋼網(wǎng)之間沒有間隙是很重要的。在某些情況下，會要求采用專用的真空板支撐，從而獲得最佳的襯墊和定位作用。

      在所有的工藝問題中，鋼網(wǎng)設計可能是最重要的。不良的鋼網(wǎng)開孔會導致焊膏沉積不足，這會造成元件跟焊膏接觸不良或者沒有足夠的助焊劑來消除焊球表面/焊膏內(nèi)的氧化物。面積比以及脫模率在這里起著巨大的作用。雖然鋼網(wǎng)可以使焊膏量有一定增加，但這通常是焊膏本身造成的差別。把鋼網(wǎng)的具體參數(shù)輸入到焊膏測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)就可以計算出焊膏的理論沉積量，然后通過測量實際的焊膏量并計算得出一個百分比（脫模率）。

確保高的脫模率
      不一致或低的脫模率會降低焊盤上的總的焊膏沉積量，因此，可能導致了助焊劑的潤濕不足，并因此造成枕頭缺陷的發(fā)生。脫模率（圖2）成為目前非常值得我們用科學方法加以研究的一個項目（從統(tǒng)計學角度）。此外，還有一些變量會影響脫模率，如鋼網(wǎng)類型、環(huán)境條件和焊膏本身的特性等。室內(nèi)溫度有時包括濕度也會影響脫模率，因為當焊膏的溫度變高時會導致其粘度降低；對于水洗類焊膏來說，濕度同樣會有影響，可能會導致冷塌陷的發(fā)生。

      測量脫模率可以成為確保獲得最大焊膏量的有效途徑，但脫模率只能在變量已被納入考慮后測量。正是焊膏沉積量的變化才能顯示出缺陷率的變化。過多變化的后果是導致超細間距的器件缺陷等級上升的原因之一。

針對所有應用不會有一個單一的答案，因此必須檢查每一個焊膏印刷的工藝過程。只有這樣，才能定義出脫模率的上、下規(guī)格界限。每個單一過程會有一個不同的脫模率下限，且必須通過試驗來確定。例如，要定義出影響焊膏高度的變量，在實際印刷過程中需要排除由于外界變化所出現(xiàn)的所有其它因素。較為常見的一些變化因素是跟電路板和刮刀有關。由于焊膏脫模過程中對這些基本特性進行了改進，焊膏高度的變化就可以被減少到最小，缺陷等級也將下降。

                         

回流
    大多數(shù)的枕頭缺陷產(chǎn)生在回流焊接工序，而這是一個平衡的過程。一個好的溫度曲線是介于太少跟太多的中間點�；亓鬟^程中，器件受熱變形時一側，或者對應的另一側（“普林格爾效應，Pringle  effect”或“馬鈴薯片，potato  chip”）甚至角部或中心區(qū)域會抬高。仔細閱讀元件制造商的推薦資料并確保其回流溫度不超過最大工藝能力的限制是非常重要的，這也是為什么OEM打電話說當他們更換了一種焊膏后發(fā)現(xiàn)枕頭缺陷減少了的原因所在；經(jīng)過推薦使用較低的峰值溫度并檢查器件的資料，他們發(fā)現(xiàn)多年來一直用過高的溫度在生產(chǎn)。

    通常情況下，回流溫度曲線的設置可以為現(xiàn)有焊料和器件提供了最大可能的溫度拉升范圍，但是針對枕頭缺陷的預防可能需要進行調(diào)整。除此之外，一些次要的目標是好的潤濕、固態(tài)金屬間化合物的形成、均勻焊點以及細小而緊密的晶體結構（圖4）。所有這些都是通過回流過程控制來實現(xiàn)的。

      回流過程中有四部分可以調(diào)節(jié)，以減少枕頭缺陷。它們是升溫斜率、液態(tài)時間（TAL）、峰值溫度和降溫速率。每一部分對最終的焊點結構都有著不同的影響，而且每一個因素都很重要。

枕頭和葡萄缺陷：關聯(lián)缺陷  
        分成四個部分的回流過程的第一步是升溫斜率，它對金屬間化合物的形成具有很重要的作用。升溫斜率，也就是從室溫到峰值溫度的過程，應注意的幾個原因如下：升溫斜率決定助焊劑的鋪展與揮發(fā)，就像有一只“黑手”操縱著枕頭、葡萄缺陷及氧化物的形成。一個緩慢的升溫過程可以使更多溶劑揮發(fā)出來，或“放氣”，這樣可以使助焊劑更貼近所接觸的區(qū)域，減少濺錫和塌陷，也提供了足夠的時間使助焊劑的溶劑盡量全部揮發(fā)，從而減少空洞以及保持電路板的溫差（ΔT）小于10。C。然而，這個額外的時間可能對一些易受影響的要點問題產(chǎn)生不利影響，特別是造成器件可焊端與基板鍍層，以及焊料合金本身的氧化。

   形成枕頭和葡萄缺陷的另一個原因是回流時間的延長使助焊劑消耗過多。不完全結合或葡萄缺陷（圖5）是助焊劑消耗過多的另一個副產(chǎn)品，并且數(shù)量不斷增加。回流過程中當錫粉的外表面已經(jīng)失去了助焊劑的保護并且沒有熔進焊膏的主體時，葡萄現(xiàn)象就會發(fā)生，這就產(chǎn)生了一個不光滑的表面，類似于葡萄。當助焊劑消耗過多發(fā)生在BGA和CSP上的時候，它看起來就是一個枕頭缺陷。

      在有表面葡萄現(xiàn)象的焊點切片中可以看到，其濕潤性、金屬間化合物層以及張力強度等都沒有受到影響，并且電氣性能得以維持。這表明，葡萄現(xiàn)象僅僅只是表觀的。然而，制造商仍然應該盡量避免葡萄現(xiàn)象的發(fā)生，因為質檢人員通常會把這誤判為不正常的焊點，如冷焊或者其它缺陷，而且視覺檢測設備也會把此類焊點誤判成缺陷焊點并進行報告。

翹曲  
      歸結于供應商的另一個主要問題是BGA元器件的完好性（integrity）。在產(chǎn)品制造的回流焊接過程中，元器件的完好性不足會使元器件發(fā)生翹曲，而這是造成枕頭缺陷的主要原因之一。如果BGA在焊接過程中開始變形，焊球就會與焊膏失去接觸，從而不能浸潤到整塊焊錫。元器件的封裝設計、材質和完好性都可能造成器件的翹曲。新的封裝器件在應用到生產(chǎn)之前，應該進行內(nèi)部驗證測試，以了解其在生產(chǎn)過程中的潛在翹曲問題。

    液態(tài)時間（TAL）和峰值溫度對枕頭缺陷有同類影響。將液態(tài)時間（TAL）和峰值溫度合并成“總熱量輸入”比較合理，因為可以用更長的液態(tài)時間和較低的峰值溫度，也可以用更高的峰值和較短的液態(tài)時間。正因為如此，他們可以一起在回流過程中發(fā)揮著最為關鍵的作用。關鍵點是熱量！熱量是形成金屬間化合物和均勻焊點的關鍵，再加上適當?shù)闹�焊劑活化作用。也正是這種熱量輸入使得BGA和CSP封裝發(fā)生翹曲，從而導致了枕頭缺陷的發(fā)生。

     冷卻是防止不良焊點的最后一步，這是因為冷卻速率控制著焊點中金屬晶格結構的形成。越小、越緊密的晶格結構，焊點的強度會越高。由于焊點斷裂時會沿著晶格的水平方向延伸，因此晶格結構越長、越大、越稀疏，則越容易開裂。焊點是否致密可以通過視覺檢查焊料回流焊后焊點表面的光潔度來判斷。

物料問題  
       由于焊膏或者助焊劑性能不佳所造成的枕頭缺陷被列為物料問題。其中包括標準開孔的脫模率低、浸潤力不足（助焊劑）、低的抗氧化性和活性等。解決枕頭缺陷的關鍵是讓每個焊球能與焊接材料充分接觸并一直維持著接觸，主要是與焊膏的接觸。如果焊膏本身性能就很差或脫模率不一致，我們又如何知道哪些焊球未與焊膏接觸呢？低的面積比可以解決很大的脫模問題，尤其是當鋼網(wǎng)沒有做電拋光或是非電鑄（E-Fab）的，你必須使焊接材料與工藝過程及鋼網(wǎng)設計配套。

    焊膏的另一問題是助焊劑的作用過程。分三個部分：活化、抗氧化性及延長鋼網(wǎng)/粘性壽命。高活性是一個明智的選擇，因為這是助焊劑中的有用部分，可以去除焊球及焊料中的氧化物�？寡趸�性，例如助焊劑中高含量的松香，是很有效的，可以防止合金形成新的氧化物，這意味著將有更大的活性來防止器件的氧化。此外，抗氧化性也增加了粘性，這對于防止枕頭缺陷的產(chǎn)生是非常有幫助的。如果焊膏一直維持著粘性，即使器件翹曲，焊膏也會延伸并保持連續(xù)性，因而在回流時焊膏和器件會始終維持一個整體并形成單一合金。

此外，還有一些額外的方法增加抗氧化性及活性，如氮氣回流或增加助焊劑/焊膏浸蘸工藝。氮氣回流可以預防在回流過程中增加氧化物的形成，但不會去除器件上已有的氧化物和氫氧化物。助焊劑或焊膏浸蘸是可行的選擇，因為這直接在器件上增加了活性物質，而不是等著板子上的助焊劑來去除。此外，助焊劑和焊膏也可以用于后道的返工。當然，物料的解決方案可以同時克服供應問題及工藝問題，如使焊膏與工藝匹配。

材料測試
       新的測試程序已經(jīng)可以用于開發(fā)解決枕頭缺陷的焊膏。一種使焊球溶入焊膏的新方法似乎值得進一步研究。看起來，如果助焊劑有足夠的抗氧化性，即使是熔化的焊錫（圖6）也能得到益處。在最近的測試中，在焊料熔化一段時間后，焊球能夠很好地與其結合形成良好的焊點，并且在消除枕頭缺陷的測試中也表現(xiàn)良好。

     已被證明有用的其它測試包括：一個全面的“粘力”測試，其中不僅僅決定了峰值力，也包括“粘性”。粘性是在粘力變成“0”之前焊膏所延伸的總長度，換句話說，就是焊膏在斷開之間所伸的長度。

     這一點很重要，因為長久的粘性可以允許器件有更大程度的翹曲，同時仍保持著大部分焊膏在電路板上接觸。

    這將確保在焊膏液化時，兩端焊膏仍保持著電氣和物理接觸。在電路板焊盤和焊球表面維持著接觸是非常必要的。從技術上講，如果這兩個表面沒有分離過，那就不會形成枕頭缺陷。

結論  
       通過失效分析和實踐證明，已確定有兩個主要原因會造成枕頭缺陷（HIP），就是潤濕不良和翹曲。將整個組裝線分開來分析，可以確定有以下三個方面造成了這些原因：供應，工藝和材料。

     用戶最難控制的就是供應鏈問題。器件制造商提供的BGA或CSP可能始終會有變形的傾向或沒有適當?shù)目刂拼胧┤�減少焊球的氧化。因此，用戶必須確保產(chǎn)品在生產(chǎn)裝配過程中對制造工藝和控制過程都進行優(yōu)化。

     用統(tǒng)計學來審查和調(diào)節(jié)工藝過程有以下兩個重要目標：首先，從外部針對工藝過程的每個部分（注意做到每個細節(jié)）進行分析，可以大幅度增加對工藝過程的理解。其次，利用這些數(shù)據(jù)來消除工藝過程本身的問題，同時簡化流程的每一步，并消除冗余，增加流量，節(jié)省成本；同時，將缺陷降到最低化并且良率得到提升。印刷過程需要優(yōu)化，因為這里可以追溯到大多數(shù)焊料問題，因此建立起成功優(yōu)化的基礎。一旦一致的印刷工藝得到保證，那么其它問題，如葡萄和枕頭缺陷，就能通過優(yōu)化回流參數(shù)或選擇合適的焊膏來解決，而這類焊膏就是具有一個增強型的抗氧化性、更長的粘性壽命或者更佳的浸潤性能。