导致BGA和PCB的翘曲的因素及解决办法

在加热和随后的冷却循环进行过程中，BGA封装或PCB都可能发生翘曲。这种情况会使封装成为中央低两边翘起的弓形。在X光检查中发现的桥连表示加热-冷却循环把角向上或向下推，或者导致开路，可以在内窥镜检查或目视检查中发现这些问题。如果PCB发生翘曲，就可能在其他的各个元件区域上造成开路或短路。

导致这些问题的原因

BGA和PCB的翘曲问题是各种封装元件的材料之间的热膨胀系数（CTE）不相匹配造成的，例如基板、硅芯片、EMC的封装材料。在放置和移动时，温度升高的速率会影响整个元件的温度均匀分布，所以升温速率和翘曲的大小有间接的关系（图1）。

图1：由BGA翘曲造成的开路。

而且，在其他条件相同时，封装越大，发生翘曲现象的可能性就越大。当然，返工加热方式的类型（热风返工系统、红外加热（IR）、热风回流炉、汽相炉等）对翘曲也会有影响。使用低CTE导热材料，可以是定制CTE，部分或完全消除此问题。

一些使用塑料外壳的球栅阵列（PBGA）包含热扩散器，它会造成BGA封装顶部的膨胀速率比底部的更快；这种塑料膨胀会把BGA的角向下拉。BGA中的水分也可能会导致翘曲，因为组件要在中间扩散。在这些情况下，BGA的角可能会向上卷曲。

通过一系列的实验设计，你可以确认哪个部分（BGA或PCB）正在翘曲。实验通过隔离做拉和推的表面，有助于确定如何解决这个问题。

如何减少翘曲

当BGA发生翘曲时，BGA的角会发生最大的位移，这可能会导致出现大量的开路和桥连。与此类似，电路板可能向上或向下弯曲，把焊锡膏向内推，造成桥连或开路。这些情况要通过肉眼检查或X光检查来发现。

尽可能减小翘曲的方法之一是放慢加热和冷却过程。在预热过程中温度斜升，在冷却过程中温度下降。当然，现在你不想在冷却时让温度下降的速度太慢，这是因为你不想因此产生粗粒度的结构。在电子制造业中，需要做出适当的取舍。

控制湿度敏感器件（MSD），包括电路板和元件，是减少翘曲影响的另一种方法。针对湿度处理的J-STD-0033和JEDEC指南是正确处理MSD的最佳参考指南。如果它们的翘曲和吸收湿汽有关，预先烘烤电路板和元件，然后把它们放在干燥的环境中保持干燥，就可减轻翘曲问题。限制暴露时间和了解电路板和元件的MSD水平也会对减轻和吸湿有关的翘曲起很大作用。

通过使用按配方生产的焊锡膏可以减少枕头效应，而且可以和适当的焊锡膏搭配使用，这样也能够限制焊锡球翘曲的影响（图2）。

图2：枕头效应缺陷。

通过适当设计涂布在每个焊盘位置的焊锡膏的体积，可以有效地限制一些和PCB及器件翘曲有关的问题。在一些例子中，印刷时过渡焊盘，而在另一些例子中，印刷时减少焊盘锡膏体积，这可能可以补偿翘曲的影响。例如，BGA向内弯向PCB时，可能出现明显的短路。在这些区域，可能要尽可能减少印刷的焊锡膏体积。相反，在翘曲的BGA弯“离”电路板的区域，印刷比较大的焊锡膏体积也许是最好的解决方案。

如果电路板翘曲（用IPC-TM-650 2.4.22的测试方法测量弓形和扭曲），那么，你可能需要使用其他的方法来减少器件或电路板翘曲的影响（图3）。除了前面提到的方法之外，你可能需要重新设计电路板来确保电路板中铜的分布更加均匀。电路板热质量小（即铜含量比较低）的区域和热质量比较大的区域的加热速度是不一样的。此外，非常薄的电路板（0.020英寸）可能需要改用比较厚的电路板。最后，在建造电路板或器件时，可能需要使用热膨胀系数非常接近的相互匹配的不同材料。

图3：有阴暗区域的莫尔条纹。

编辑：hfy