BGA二次回流后焊球"选择性"开裂？VIPPO埋通孔设计暗藏热撕裂陷阱！

发布时间： 2026-05-28 00:00

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在电子组装工艺中，BGA（球栅阵列）器件的焊接可靠性一直是工程师关注的焦点。尤其是经历过二次回流后，偶尔会遇到一种令人头疼的"怪病"——绝大多数焊点完好无损，偏偏某几颗焊球出现了开裂，是器件翘曲变形？是局部受热不均？还是焊接热输入过高？

近期，某客户就遇到了这样的棘手案例：一批BGA器件在完成二次回流焊接后，检测发现个别焊球存在开裂异常。

问题看似偶发，却直接关系到产品的长期可靠性，为了找到真正的原因，我们进行了一套完整的失效分析。

而最终的原因，出乎很多人意料...

1.先看现象：开裂具有高度"选择性"

失效样品切片后在光学显微镜下观察，发现了三个极具规律性的特征：

开裂焊球仅3颗，且每一颗的正下方都存在埋通孔（Via-in-Pad）结构；

失效样品B切片后截面光学观察照片

开裂位置全部位于BGA器件侧——具体在靠芯片一侧的IMC与焊锡之间，而PCB侧焊接界面完好无损；

失效样品B切片后截面光学观察照片

其余无埋通孔结构的焊球全部正常，无任何开裂迹象。

PS：作为对照，同时检测了4片正常样品（A/C/D/E，同批次且焊接后未失效），结果显示：所有正常样品的焊球完好，且焊球下方均无埋通孔结构。

结论：

焊球开裂与埋通孔结构存在强相关性，失效具有明确的位置选择性。

2.排除常见干扰因素：器件翘曲？局部受热不均？

① 焊球高度测量 → 排除器件翘曲变形

如果BGA器件在回流过程中发生明显翘曲，不同位置的焊球会被拉伸或压缩，导致高度出现显著差异。我们对失效样品（共15颗焊球）及正常样品进行了高度统计：

测量对象	平均高度
失效样品B焊球	201.64 μm
正常样品C焊球	202.27 μm

PS：两者差异微乎其微；同时，失效样品内部开裂焊球与未开裂焊球的高度也基本一致。

结论：

排除器件翘曲变形导致焊球开裂的可能。

② IMC厚度测量 → 排除局部受热不均

我们分别测量了失效样品开裂焊球、失效样品正常焊球，以及正常样品焊球的PCB侧IMC厚度：

测量对象	平均IMC厚度
失效样品B - 开裂焊球（Ball-3）	3.13 μm
失效样品B - 正常焊球（Ball-4）	3.32 μm
正常样品C - 正常焊球（Ball-3）	3.29 μm

PS：焊点界面IMC（金属间化合物）的厚度是反映焊接热输入的敏感指标，如果某颗焊球局部受热异常，其IMC厚度会明显偏离其他焊球，三者非常接近，说明开裂焊球并未经历异常的局部热输入。但值得注意的是，三个数值均偏厚（通常BGA焊点理想IMC厚度在1~3 μm范围），提示整体焊接热输入偏高——但这属于另一工艺问题，并非导致本次选择性开裂的直接原因。

结论：

开裂与局部受热不均无关，焊球开裂是在相对一致的热环境下发生的。

3.锁定关键特征：开裂界面呈现"退润湿"形貌

通过扫描电镜（SEM）对开裂焊球进行高倍形貌观察，并结合能谱（EDS）分析界面成分，失效机理逐渐清晰：

开裂位置：位于BGA侧镍层表面形成的IMC与焊锡之间。
形貌特征：焊锡侧大面积无明显IMC生成，呈现典型的"退润湿"（De-wetting）特征——焊锡曾经与IMC层形成过接触，但在后续过程中发生回缩、脱离，冷却后再也未能重新铺展润湿。

失效样品切片后截面形貌观察图

PCB侧：IMC形貌正常，呈连续扇贝状，无异常。
成分分析：开裂界面仅检测到C、O、Ni、Sn、Cu等常规元素，未发现卤素、硫等异常杂质。

失效样品切片后截面形貌观察及成分分析结果

PS：正常样品的焊球两侧IMC均发育正常，无任何退润湿迹象。

结论：

开裂发生在二次回流过程中。当焊锡处于熔融或半熔融状态时，与BGA侧IMC界面发生脱离；由于IMC本身润湿性较差，后续再次接触时已无法形成有效冶金结合，最终留下开裂缝隙。这种在凝固阶段因应力回缩导致的界面分离，正是热撕裂（Hot Tear）的典型微观表现。

为什么偏偏是带埋通孔的焊盘出了问题？

失效焊盘采用了VIPPO（Via-In-Pad Plated Over）结构，即焊盘正中有一个被铜箔覆盖的埋通孔。相比传统的狗骨式（Dog-Bone）走线，VIPPO虽能节省空间、缩短走线，但在二次回流中埋下了一个隐患——热撕裂（Hot Tear）。

机理详解：

VIPPO结构从下到上依次是：

PCB树脂基材 → 孔壁镀铜 → 孔内填平 → 焊盘铜箔 → 焊球。

问题出在材料的热膨胀系数（CTE）失配：

铜的CTE ≈ 17 ppm/℃

PCB树脂（FR4）的CTE ≈ 45 ppm/℃（Z向）

在二次回流升温过程中，当温度升至约215℃（接近焊锡熔点）时，树脂的膨胀量远大于铜，由于VIPPO焊盘下方正是埋通孔区域，树脂向上膨胀会推动焊盘中心变形，在焊球与焊盘界面处产生分离应力，此时焊锡处于半熔融或刚熔融的脆弱状态，界面处的IMC与焊锡发生分离——即"热撕"。

温度继续升至~240℃焊锡完全熔融时，焊球虽重新液化，但由于界面已经分离，且IMC本身润湿性较差，熔融焊锡无法重新铺展并润湿已暴露的IMC表面，正如原文所述："因热膨胀系数差异造成的中间空间开始逐渐缩小，由于IMC本身润湿性差，再次接触无法形成有效润湿。" 降温凝固后，这个分离界面便永久保留为开裂缝隙。

这与前文SEM观察到的"退润湿"形貌完全吻合：焊锡曾经与IMC接触，但在热应力下回缩脱离，冷却后再也未能重新结合。

改进建议：

工艺端：回流过程使用氮气保护
氮气环境能改善焊锡润湿性，并减少界面氧化风险。即使在二次回流中焊球与IMC发生瞬时分离，氮气也有助于熔融焊锡在凝固前重新铺展，提高界面愈合的概率。
结构端：点胶局部强化
对关键BGA区域采用点胶方式进行局部机械加固。胶粘剂可约束二次回流过程中的局部变形，直接减小VIPPO焊盘鼓出导致的界面拉应力。（注：原文明确为"点胶方式局部强化"，与整板Underfill工艺不同）
设计端：尽量避免VIPPO结构
如果PCB布线密度允许，优先采用传统的Dog-Bone走线，将通孔避开焊盘正下方。这是从源头消除CTE失配应力的最根本方法。