芯片虚焊不良产生的原因
半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨
半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨半导体器件芯片焊接失效模式分析与解决探讨芯片到封装体的焊接(粘贴)方法很多，可概括为金属合金焊接法(或称为低熔点焊接法)和树脂粘贴两大类。
它们连接芯片的机理大不相同，必须根据器件的种类和要求进行合理选择。
要获得理想的连接质量，还需要有针对性地分析各种焊接(粘贴)方法机理和特点，分析影响其可靠性的诸多因素，并在工艺中不断地加以改进。
本文对两大类半导体器件焊接(粘贴)方法的机理进行了简单阐述，对几种常用方法的特点和适用性进行了比较，并讨论了在半导体器件中应用最为广泛的金-硅合金焊接失效模式及其解决办法。
1、芯片焊接(粘贴)方法及机理芯片的焊接是指半导体芯片与载体(封装壳体或基片)形成牢固的、传导性或绝缘性连接的方法。
焊接层除了为器件提供机械连接和电连接外，还须为器件提供良好的散热通道。
其方法可分为树脂粘接法和金属合金焊接法。
树脂粘贴法是采用树脂粘合剂在芯片和封装体之间形成一层绝缘层或是在其中掺杂金属(如金或银)形成电和热的良导体。
粘合剂大多采用环氧树脂。
环氧树脂是稳定的线性聚合物，在加入固化剂后，环氧基打开形成羟基并交链，从而由线性聚合物交链成网状结构而固化成热固性塑料。
其过程由液体或粘稠液→凝胶化→固体。
固化的条件主要由固化剂种类的选择来决定。
而其中掺杂的金属含量决定了其导电、导热性能的好坏。
掺银环氧粘贴法是当前最流行的芯片粘贴方法之一，它所需的固化温度低，这可以避免热应力，但有银迁移的缺点。
近年来应用于中小功率晶体管的金导电胶优于银导电胶。
非导电性填料包括氧化铝、氧化铍和氧化镁，可以用来改善热导率。
树脂粘贴法因其操作过程中载体不须加热，设备简单，易于实现工艺自动化操作且经济实惠而得到广泛应用，尤其在集成电路和小功率器件中应用更为广泛。
树脂粘贴的器件热阻和电阻都很高。
树脂在高温下容易分解，有可能发生填料的析出，在粘贴面上只留下一层树脂使该处电阻增大。
因此它不适于要求在高温下工作或需低粘贴电阻的器件。
PCBA之BGA虚焊原因及改善
PCBA之BGA焊点“虚焊”一、概念：电路板调试过程中，会出现“BGA器件外力按压有信号，否则没有信号的现象"，我们称之为“虚焊”。
二、原因分析：从焊点的形貌方面分析，BGA焊点的接收标准在IPC-A-610D中的定义为：优选的BGA经X光检测，焊点光滑、边界清晰、无空洞，所有焊点的直径、体积、灰度和对比度均一样，位置准确，无偏移或扭转，无焊锡球，如图1所示。
实际经验得出明显的虚焊焊点形状不规则或圆形四周不光滑或焊点尺寸小，如图2所示。
图1 图22.1焊球及焊盘表面氧化若器件焊球氧化或PCB板焊盘氧化，焊料很难与焊盘之间形成牢固的冶金结合，从而不能提供持续可靠的电气性能，即表现为“虚焊”现象。
2.2焊点裂纹若BGA焊点在界面处出现裂纹，从而导致机械及电气性能失效，我们也称之为“虚焊”。
BGA焊点裂纹主要是因为PCB基板和元器件的基膨胀系数不匹配（FR4的CTE为18ppm/℃，而硅芯片的CTE为2.8ppm/℃），焊点中存在残余应力而导致的。
BGA焊点（无论是SnPb还是SnAgCu焊点）裂纹绝大多数都是出现在焊球与器件的基板之间，即封装一侧，并且裂纹非常靠近封装一侧的金属间化合物。
软件模拟与试验结果是吻合的。
个人认为这种结论在一定程度上暴露了器件本身存在的质量问题。
如图3、4为BGA焊点的金相分析图及光学检测图，裂纹出现在器件上端。
IPC-A-610D中指出：只要裂纹底部不深入到焊点内部影响电气及力学性能就能判定为合格。
但如果焊点中有裂纹，可能暂时不会影响整机的电气性能，但是在高低温循环或冲击的载荷下裂纹进一步扩展使焊点断开，则会导致整机失效。
因此在实际生产中，尤其是军品，BGA焊点是不允许出现裂纹的。
2.3冷焊焊点在回流阶段，如果焊料在液相线以上温度时间过短，焊料与焊球还没有充分融合到一起随即进入冷却区，这样就会出现冷焊焊点，这种焊点表面粗糙，长期可靠性差，很容易引起焊点失效，形成“虚焊”。
光机检测BGA 焊球虚焊情况分析
06 未来研究方向
提高光机检测技术的精度和稳定性
优化光机检测系统
通过改进光学元件、提高成像质量、降低噪声 等手段，提高检测精度。
引入人工智能技术
利用深度学习、机器学习等技术，对图像进行 自动识别和分析，提高检测速度和准确性。
数据分析结果
01
虚焊焊球直径较小，高度较低，与正常焊球相比存在明显差异。
02
虚焊焊球与焊盘的相对位置关系发生变化，偏离正常位置。
虚焊焊球的颜色和亮度与正常焊球存在差异，可以通过图像处
03
理算法进行识别。
结论与建议
根据数据分析结果，可以得出BGA焊球虚焊的特征和规律，为后续的虚焊检测提供 依据。
建议在生产过程中加强质量控制，定期进行BGA焊球虚焊检测，及时发现并解决虚 焊问题，提高产品质量。
高精度和高效率
光机检测技术具有高精度和高效率的特点，能够 快速准确地识别出焊球的虚焊问题，提高生产效 率。
自动化程度高
光机检测技术可实现自动化检测，降低人工干预 和误差，提高检测的一致性和可靠性。
04 光机检测BGA焊球虚焊实 验
实验设备与材料
实验设备
高分辨率光学显微镜、高精度图 像采集系统、计算机分析软件
根据软件分析结果，判断BGA焊球是否存 在虚焊现象，并记录实验数据。
实验结果与分析
结果
通过实验获取了大量BGA焊球图像，并分析了不同条件下 BGA焊球的虚焊情况。
分析
通过对实验数据的分析，得出了BGA焊球虚焊的主要原因包 括焊接工艺参数不当、焊球与基板不匹配、焊料质量不佳等 。同时，还探讨了如何优化焊接工艺参数、选择合适的焊球 和焊料等措施来减少虚焊现象的发生。
BGA芯片虚焊问题的探讨
２００６年中国电子学会第十四届电子元件学术年会论文集（１）ＰＣＢ材料选择不合理或铜箔和盲、埋孔布置不平衡导致基板过炉后变形，引起焊点虚焊。
（２）采用绿油开窗的形式在大面积铜箔上定义ＢＧＡ类器件的焊盘会造成焊点在焊接过程中因热量不足导致冷焊。
（３）焊盘设计不合理，焊球两端的焊盘直径相差较大，造成较小一端应力集中，造成开路。
（４）小ＢＧＡ与热容量较大的器件相邻，造成ＢＧＡ获得热量不足，造成冷焊。
（５）ＢＧＡ相邻的高大远见在热风回流时产生“高楼效应”，对其形成热冲击，从而造成焊点破裂。
２．２可焊性不良ＢＧＡ类器件如果在焊接前的储运过程中处理不当会造成器件本身受潮或焊球氧化，从而造成焊接困难和炉后缺陷。
芯片受潮不但会造成焊点空洞等缺陷，更有甚者会造成芯片过炉后起泡。
图ｌ所示为受潮过炉后起泡的芯片，因中间鼓起，从Ｘ．ｒａｙ图片看，芯片中间焊点大，而四周的焊点小，非常明显。
四周的焊点在拉力作用下拉长变细，有的则被拉断造成焊点虚焊。
图１图２所示为已经严重氧化的ＢＧＡ焊球，如果这种芯片投入生产，其结果是可想而知的。
但这种芯片在正常机器贴片时一般会被抛掉。
图２锡膏是ＰＣＢ板与元器件之间形成焊点的介质。
它在储运、回温、使用的过程中处理不当，极易出现氧化、吸潮等问题，对焊接造成不良影响。
且锡膏一旦出现问题，后果会非常严重。
因此，各个电子生产企业对锡膏的控制都比较严格。
锡膏的固体成分是微小的焊料球，对一定量的锡膏来说焊料球的直径越小其金属与周围空间的接触面积就越大，也就越容易氧化。
锡膏氧化会造成润湿不良等形象，造成焊点虚焊。
．２６６．随着细间距器件的大量采用，小粉粒度锡膏的使用会越来越多。
因此就需要对锡膏的使用采取更加严格的管理措施。
众所周知，焊接过程分为润湿、扩散和形成合金三个步骤。
当焊料与被焊金属之间有氧化层和其它污染物时，会在焊接界面上形成阻挡层，妨碍金属原子自由接近，阻止金属的相互扩散。
其次，这些阻挡层的表面自由能通常小于洁净的铜表面的自由能，从而使焊料不易产生润湿作用，这是形成虚焊的原因之一。
显卡芯片虚焊
显卡芯片虚焊显卡芯片虚焊是指焊接在电路板上的芯片与电路板之间的焊点出现松动、不牢固的情况，会导致显示卡工作不稳定、性能下降甚至完全失效。
下面将详细介绍显卡芯片虚焊的原因、影响以及解决方法。
显卡芯片虚焊的原因有很多，以下是一些常见的原因：1. 温度变化：在长时间使用显卡的过程中，显卡芯片会受到不同的温度变化，不断的热胀冷缩会导致焊点的疲劳和松动。
2. 震动和冲击：显卡作为电子设备，经常被移动、搬动或者受到撞击等，这些外力会对焊点造成不可忽视的冲击和震动，从而导致焊点虚焊。
3. 品质问题：一些低质量的焊接材料或者不符合标准的焊接工艺也会导致焊点虚焊。
显卡芯片虚焊会产生多种影响，包括以下几个方面：1. 工作不稳定：显卡芯片虚焊后，电信号传输会出现问题，从而导致显卡的工作不稳定，可能出现屏幕花屏、突然蓝屏、死机等现象。
2. 性能下降：虚焊后，显卡芯片与电路板之间的连接不良会导致信号传输的损失，从而影响显卡的性能，如性能降低、帧率不稳定等。
3. 完全失效：严重的虚焊可能会导致显卡完全失效，无法正常工作，甚至无法启动电脑。
针对显卡芯片虚焊问题的解决方法可以包括以下几个方面：1. 焊接修复：如果能够确定虚焊问题的具体位置，可以采用焊接修复的方法，将焊点重新焊接牢固。
这需要一定的焊接技术和工具，建议请专业人士进行处理。
2. 加固支撑：可以使用胶水或者橡胶垫等材料，对显卡芯片与电路板之间进行加固支撑，从而减少振动和冲击对焊点的影响。
3. 散热保护：显卡经常需要承受高温，因此适当的散热非常重要。
通过安装散热器、风扇等散热设备，可以降低芯片温度，减缓焊点疲劳和虚焊的风险。
4. 质量保障：在购买显卡时，选择品牌有保障的产品，尽量避免低价劣质产品。
同时，正确使用和保养显卡也是预防虚焊的关键，在使用过程中避免过分挤压或者摔打显卡。
总之，显卡芯片虚焊是一个常见的问题，但也可以通过一些方法进行解决和预防。
及时修复虚焊问题，保证显卡的正常工作，从而提高计算机的性能和稳定性。
显卡核心虚焊
显卡核心虚焊显卡核心虚焊问题是指显卡核心芯片与显卡电路板之间的焊接不牢固或脱落，导致显卡无法正常工作或产生图像不稳定、显示异常等现象。
显卡核心虚焊问题的出现主要有以下几个原因：1. 制造过程中的质量控制不严格。
在显卡制造的过程中，焊接是一个关键的环节，如果焊接质量不达标，就容易出现虚焊问题。
2. 长期使用过程中的热胀冷缩。
显卡在长时间使用过程中，经常会受到高温和低温的影响，这些温度的变化会导致显卡内部的焊接点产生松动，最终导致虚焊问题。
3. 频繁的拆卸和组装。
如果用户频繁拆卸和组装显卡，就容易导致焊接点出现松动，进而产生虚焊问题。
显卡核心虚焊问题会导致显卡的性能下降，甚至无法正常工作。
如果出现显卡核心虚焊问题，可以尝试以下方法进行修复：1. 温度修复法。
可以用电吹风或热气枪对显卡进行加热，在加热的同时用硅胶对焊接点进行加固，以使焊接点重新粘结在一起。
2. 重新焊接法。
如果虚焊点较为明显，可以使用焊接工具重新对焊接点进行焊接，以增强焊接的牢固性。
3. 更换焊锡法。
如果焊接点出现脱落的情况，可以使用焊锡将焊接点重新连接在一起。
为了避免显卡核心虚焊问题的发生，我们应该注意以下几点：1. 选择正规品牌的显卡产品，并确保购买的显卡具有良好的质量控制。
2. 在使用显卡的过程中，要避免频繁的拆卸和组装，以减少焊接点的松动的可能性。
3. 在长时间使用显卡时，要保持良好的散热，避免显卡温度过高或过低。
总之，显卡核心虚焊问题是显卡常见的故障之一。
对于这个问题，我们可以通过温度修复法、重新焊接法或更换焊锡法进行修复。
为了避免这个问题的出现，我们应该购买正规品牌的显卡产品，并注意保持显卡的散热和避免频繁拆卸和组装。
电路板虚焊的主要成因及解决办法
632023年4月上 第07期 总第403期工艺设计改造及检测检修China Science & Technology Overview1.电路板虚焊的定义虚焊是指焊料与器件的引脚和焊盘之间没有形成金属化物层（IMC），只是简单地依附在焊接件表面所形成的缺陷。
IMC 的厚度直接决定了焊接的质量[1]。
一般认为，当IMC 厚度在1.5um ～3.5um 时，焊点具有良好的强度和电气连接的性能。
当IMC 厚度小于0.5um 时，由于IMC 太薄，几乎没有强度，当IMC 厚度大于4um 时，由于IMC 太厚，连接处会失去弹性，极易使焊点产生开裂。
润湿也是虚焊的一个判断依据，润湿角是指焊料与母材之间的界面和焊料融化后焊料表面切线之间的夹角θ[2]。
当30°<θ<45°时，焊点的机械强度最好。
55°<θ<90°时，焊接的强度降低，液态钎料和集体金属表面之间缺乏润湿亲和力，潜伏着虚焊的危险性。
当θ>90°时，表示不润湿，会产生虚焊。
2.电路板虚焊的检测方法虚焊的表现形式有很多，比如使焊点成为有接触电阻的连接状态；比如连接时通时不通；比如有的焊点开始时尚好，但在电路工作长时间后，受温度、湿度、振动等环境条件的影响，接触表面逐渐被氧化，接触变得不完全，导致电路工作不正常。
因为表现形式的多样性，虚焊的检测方法也呈现多样性，具体有如下几种。
（1）直接观察法：采用目视或者3D 数字显微镜对同侧焊点进行观察，如果有部分焊脚翘起，说明该处焊点状态异常，可能发生了虚焊。
直接观察法是最广泛使用的一种非破坏性检查方法，对部分表面焊接缺陷检测效率较高，比较依赖操作者的工作经验，费时、费力，容易误检、漏检，无法检出焊点内部隐藏的缺陷。
如图1所示。
（2）晃动法：在外观检查中发现有可疑现象时，可用手、牙签等工具对焊接部位进行轻轻拨动，感觉元件有松动迹象，可判断有虚焊。
X光机检测BGA-焊球虚焊情况分析
.
材料 塑料 金 铅 铝 锡 铜 环氧树脂 硅
表1不同材料对X射线的不透明度系数
用途 包装 芯片引线键合 焊料 芯片引线键合，散热片 焊料 PCB印制线 PC. B基板 半导体芯片
X射线不透明度系数 极小 非常高 高 极小 高 中等 极小 极小
2，剖面图说明“Dark Ring”的形成 原理
区域
A区
而由于现代BGA封装技术，对高I/O数的不断要求和发展，也要求BGA焊球之间的 间距向更小间距发展。采用3D技术的检测设备，当其探测器在倾斜到一定角度时，焊球 与焊球之间因互相遮挡，对BGA内部的焊球底部，因“视线遮挡”已经无法直接观测。 而对BGA外部的焊球来说，也可能存在检测限制，即BGA旁边的其他元器件可能对BGA 焊球底部造成的“视线遮挡”，从而可能对3D检测效果产生不利影响。即便BGA旁边无 其他元器件对焊球造成遮挡时，3D检测手段亦只能对BGA焊球的外侧进行局部观察，这 仍然是因为BGA焊球之间因微小间距而造成的“视线遮挡”。所以3D检测虚焊，理论上 是以通过直接的目视观察，以提高“虚焊”检测的直观性，而实际操作中也存在着一定 的局限性。同时，3D检测手段除了上述的检测覆盖范围的局限性外，检测方法与手段太 耗时，无法满足制造厂商日益高密度、高速度的生产需求，也是突出的问题，同时制造 厂商还必须应对设备高投资，高维护成本的风险。
焊球明显偏大，且看不到“Dark Ring”（图四）
图四
OPEN
造成原因： PCB焊盘铜箔喷锡的表面氧化层太厚，对焊锡膏产生拒焊，尽管焊锡膏已 完全熔融，但焊锡膏无法润湿PCB的焊盘，导致PCB焊盘上的焊膏与BGA 焊球熔融为一体，造成BGA焊球球体变大的现象。
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三、总结
BGA焊球的虚焊现象，在焊球底部与焊盘之间是非常细微的，所以对比度变 化很细微。目前市场上亦有运用3D 技术的X-RAY，意图是对焊球的虚焊进行直接 目视观察。其工作原理为：将探测器倾斜后围绕BGA焊球进行360度旋转，以创造 直接目视观察焊球底部与焊盘之间的焊接状况的机会。
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芯片虚焊不良产生的原因
芯片虚焊不良是电子制造行业中常见的问题，会导致电路板的可靠性降低甚至发生故障。
虚焊不良是指焊接点处没有完全熔化，并且焊点与焊盘之间的接触不足，这会导致焊接点的机械强度和电气连接能力下降。
本文将介绍芯片虚焊不良产生的原因。
1.焊接温度不足
在焊接过程中，如果焊接温度不足，焊料无法完全熔化并形成充分的接触面积，导致焊点与焊盘之间的接触不牢固。
这可能是由于焊接设备的工作参数不正确、焊料的性质不良、焊接时间不足等原因引起的。
2.板面污染
如果在焊接前不彻底清洁板面，会残留一些污染物，如油脂、氧化物、灰尘等。
这些污染物会影响到焊接质量。
一个可能的结果是在焊接过程中，板面的污染物会导致金属表面无法与焊料完全接触，从而降低焊接点的力学强度。
3.焊接时间过长
如果焊接时间过长，会导致过度加热，从而损坏焊料，降低其性能。
另外，过度加热还可能导致焊点与焊盘之间的接触不牢固，从而导致虚焊不良。
4.焊料失效
焊料的质量对焊接质量有很大的影响。
在运输、储存和处理焊料的过程中，如果受到不当的处理或环境因素的影响，焊料的品质就会降低。
失效的焊料会导致焊点无法完全熔化或形成接触不足。
这是因为失效的焊料中有很多无法完全熔化的残留物，这些残留物会影响焊点的完整性。
5.设计错误
如果产品的设计不当，会导致焊接不良。
这可能是因为焊点的大小、位置不适当，焊盘的大小、形状不良等原因。
例如，焊点的大小过小可能导致焊接不足，焊盘过大则可能使焊点过热。
总之，芯片虚焊不良是由多种原因产生的，可能是焊接温度不足、板面污染、焊接时间过长、焊料失效或设计错误等。
在电子产品制造过程中，需要做好质量控制和引进安全措施，以确保焊接质量。