BGA二次回流后焊球"選擇性"開裂？VIPPO埋通孔設計暗藏熱撕裂陷阱！

發布時間： 2026-05-28 00:00

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在電子組裝工藝中，BGA（球柵陣列）器件的焊接可靠性一直是工程師關注的焦點。尤其是經歷過二次回流后，偶爾會遇到一種令人頭疼的"怪病"——絕大多數焊點完好無損，偏偏某幾顆焊球出現了開裂，是器件翹曲變形？是局部受熱不均？還是焊接熱輸入過高？

近期，某客戶就遇到了這樣的棘手案例：一批BGA器件在完成二次回流焊接后，檢測發現個別焊球存在開裂異常。

問題看似偶發，卻直接關系到產品的長期可靠性，為了找到真正的原因，我們進行了一套完整的失效分析。

而最終的原因，出乎很多人意料...

1.先看現象：開裂具有高度"選擇性"

失效樣品切片后在光學顯微鏡下觀察，發現了三個極具規律性的特征：

開裂焊球僅3顆，且每一顆的正下方都存在埋通孔（Via-in-Pad）結構；

失效樣品B切片后截面光學觀察照片

開裂位置全部位于BGA器件側——具體在靠芯片一側的IMC與焊錫之間，而PCB側焊接界面完好無損；

失效樣品B切片后截面光學觀察照片

其余無埋通孔結構的焊球全部正常，無任何開裂跡象。

PS：作為對照，同時檢測了4片正常樣品（A/C/D/E，同批次且焊接后未失效），結果顯示：所有正常樣品的焊球完好，且焊球下方均無埋通孔結構。

結論：

焊球開裂與埋通孔結構存在強相關性，失效具有明確的位置選擇性。

2.排除常見干擾因素：器件翹曲？局部受熱不均？

① 焊球高度測量 → 排除器件翹曲變形

如果BGA器件在回流過程中發生明顯翹曲，不同位置的焊球會被拉伸或壓縮，導致高度出現顯著差異。我們對失效樣品（共15顆焊球）及正常樣品進行了高度統計：

測量對象	平均高度
失效樣品B焊球	201.64 μm
正常樣品C焊球	202.27 μm

PS：兩者差異微乎其微；同時，失效樣品內部開裂焊球與未開裂焊球的高度也基本一致。

結論：

排除器件翹曲變形導致焊球開裂的可能。

② IMC厚度測量 → 排除局部受熱不均

我們分別測量了失效樣品開裂焊球、失效樣品正常焊球，以及正常樣品焊球的PCB側IMC厚度：

測量對象	平均IMC厚度
失效樣品B - 開裂焊球（Ball-3）	3.13 μm
失效樣品B - 正常焊球（Ball-4）	3.32 μm
正常樣品C - 正常焊球（Ball-3）	3.29 μm

PS：焊點界面IMC（金屬間化合物）的厚度是反映焊接熱輸入的敏感指標，如果某顆焊球局部受熱異常，其IMC厚度會明顯偏離其他焊球，三者非常接近，說明開裂焊球并未經歷異常的局部熱輸入。但值得注意的是，三個數值均偏厚（通常BGA焊點理想IMC厚度在1~3 μm范圍），提示整體焊接熱輸入偏高——但這屬于另一工藝問題，并非導致本次選擇性開裂的直接原因。

結論：

開裂與局部受熱不均無關，焊球開裂是在相對一致的熱環境下發生的。

3.鎖定關鍵特征：開裂界面呈現"退潤濕"形貌

通過掃描電鏡（SEM）對開裂焊球進行高倍形貌觀察，并結合能譜（EDS）分析界面成分，失效機理逐漸清晰：

開裂位置：位于BGA側鎳層表面形成的IMC與焊錫之間。
形貌特征：焊錫側大面積無明顯IMC生成，呈現典型的"退潤濕"（De-wetting）特征——焊錫曾經與IMC層形成過接觸，但在后續過程中發生回縮、脫離，冷卻后再也未能重新鋪展潤濕。

失效樣品切片后截面形貌觀察圖

PCB側：IMC形貌正常，呈連續扇貝狀，無異常。
成分分析：開裂界面僅檢測到C、O、Ni、Sn、Cu等常規元素，未發現鹵素、硫等異常雜質。

失效樣品切片后截面形貌觀察及成分分析結果

PS：正常樣品的焊球兩側IMC均發育正常，無任何退潤濕跡象。

結論：

開裂發生在二次回流過程中。當焊錫處于熔融或半熔融狀態時，與BGA側IMC界面發生脫離；由于IMC本身潤濕性較差，后續再次接觸時已無法形成有效冶金結合，最終留下開裂縫隙。這種在凝固階段因應力回縮導致的界面分離，正是熱撕裂（Hot Tear）的典型微觀表現。

為什么偏偏是帶埋通孔的焊盤出了問題？

失效焊盤采用了VIPPO（Via-In-Pad Plated Over）結構，即焊盤正中有一個被銅箔覆蓋的埋通孔。相比傳統的狗骨式（Dog-Bone）走線，VIPPO雖能節省空間、縮短走線，但在二次回流中埋下了一個隱患——熱撕裂（Hot Tear）。

機理詳解：

VIPPO結構從下到上依次是：

PCB樹脂基材 → 孔壁鍍銅 → 孔內填平 → 焊盤銅箔 → 焊球。

問題出在材料的熱膨脹系數（CTE）失配：

銅的CTE ≈ 17 ppm/℃

PCB樹脂（FR4）的CTE ≈ 45 ppm/℃（Z向）

在二次回流升溫過程中，當溫度升至約215℃（接近焊錫熔點）時，樹脂的膨脹量遠大于銅，由于VIPPO焊盤下方正是埋通孔區域，樹脂向上膨脹會推動焊盤中心變形，在焊球與焊盤界面處產生分離應力，此時焊錫處于半熔融或剛熔融的脆弱狀態，界面處的IMC與焊錫發生分離——即"熱撕"。

溫度繼續升至~240℃焊錫完全熔融時，焊球雖重新液化，但由于界面已經分離，且IMC本身潤濕性較差，熔融焊錫無法重新鋪展并潤濕已暴露的IMC表面，正如原文所述："因熱膨脹系數差異造成的中間空間開始逐漸縮小，由于IMC本身潤濕性差，再次接觸無法形成有效潤濕。" 降溫凝固后，這個分離界面便永久保留為開裂縫隙。

這與前文SEM觀察到的"退潤濕"形貌完全吻合：焊錫曾經與IMC接觸，但在熱應力下回縮脫離，冷卻后再也未能重新結合。

改進建議：

工藝端：回流過程使用氮氣保護
氮氣環境能改善焊錫潤濕性，并減少界面氧化風險。即使在二次回流中焊球與IMC發生瞬時分離，氮氣也有助于熔融焊錫在凝固前重新鋪展，提高界面愈合的概率。
結構端：點膠局部強化
對關鍵BGA區域采用點膠方式進行局部機械加固。膠粘劑可約束二次回流過程中的局部變形，直接減小VIPPO焊盤鼓出導致的界面拉應力。（注：原文明確為"點膠方式局部強化"，與整板Underfill工藝不同）
設計端：盡量避免VIPPO結構
如果PCB布線密度允許，優先采用傳統的Dog-Bone走線，將通孔避開焊盤正下方。這是從源頭消除CTE失配應力的最根本方法。