如何由X-Ray來判斷BGA有否空焊

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如果你是個SMT工程師,那你一定用過X-Ray,也用它看過BGA,可是你看來看去BGA的焊球(ball)都一樣,你如何判斷BGA有沒有空焊?

通常來說,一般人使用X-Ray都只能看看焊錫有沒短路(short)、少錫、氣泡(void),但如果要用來判斷BGA的錫球(ball)是否有空焊就有點難,其實如果細心一點的話還是可以找到一點蛛絲馬跡來判斷是否有空焊。






一般來說X-Ray照出來的影像都只是簡單的2D投影畫面,用它來檢查短路(short)很容易,但用它來檢查空焊就難倒了不少人,因為每苛求看起來都是圓的,實在看不出來有沒有空焊,雖然近年來也有號稱可以照出3D影像的X-Ray,但是所費都不眥啊!而且能否如商家所宣稱的那麼神奇,實在不敢妄想。

這裡分享你一個小撇步,如何用傳統的2D平面X-Ray影像判斷BGA是否空焊。

BGA錫球變大造成空焊

首先想想同一個BGA IC的錫球應該都是一樣的大小,其中如果有些錫球是空焊,有些球是焊錫完整,那這兩種焊錫的形狀是否會有些不一樣?答案是肯定的,試想同樣體積的錫球經過壓縮後,好的焊錫會有一部份錫球的錫分散到PCB的焊墊(pad)而使焊球變小;有空焊的錫球則不會,錫球經過壓縮後反而會使錫球變大

下圖表示同樣大小的錫球發生空焊時,錫球的直徑反而會變大,當然最好比較一下正常板子的焊球是否都一樣大,因為有些板子的設計會造成錫球變得比較小,後面會再詳述。

BGA同樣大小的錫球發生空焊時,錫球的直徑反而會變大

▼下圖為實際的例子說明錫球直徑變大,表示焊錫空焊(solder skip)。
BGA錫球直徑變大,表示焊錫空焊(solder skip)

▼從下面這張X-Ray的圖片,你可以看得出來哪一顆BGA錫球空焊了嗎?運用一下上面教你的方法~
你可以看得出來哪一顆BGA錫球空焊了嗎?

▼現在我畫幾條直線你再看看是否有發現那一顆BGA的錫球比較大,有空焊的可能?再回去看一下上面那張圖,確認看看你沒有看走眼。

現在我畫幾條直線你再看看是否有發現那一顆BGA的錫球比較大,有空焊的可能?

導通孔(vias)導至錫量不足的空焊

另外一種空焊現象是錫量不足,這種現象通常發生在焊墊有導通孔(via)的時候,因為錫球流經迴流焊(Reflow)時部分的錫會因為毛細現象(wicking)流進導通孔而造成錫量不足,有時候導通孔在焊墊旁也會造成這樣的問題。這時候從X-Ray上看出來的球體就會變小,錫量被導通孔吃到掉太多就會空焊。通常我們不建議導通孔做在焊墊上,焊墊旁的導通孔也要用綠漆(solder mask)蓋起來,以後會討論導通孔在墊(via in pad)的缺點及補救辦法。
BGA空焊,導通孔(via)連接焊墊

▼這是導通孔(via)擺在焊墊旁(solder pad)的不良設計,這種設計焊錫非常容易流進通孔而造成錫量不足的空焊現象。
這是導通孔(via)擺在焊墊旁(solder pad)的不良設計,這種設計焊錫非常容易流進通孔而造成錫量不足的空焊現象

錫球內有氣泡產生空焊

還有一種BGA空焊形成的原因是錫球中有氣泡(voids),根據IPC7095 7.4.1.6的規範,一般電子業適用於 Class 1 ,其所有氣泡的孔直徑加起來,不可以超過BGA直徑的60%。 如果氣泡太大就會造成空焊或焊錫斷裂的現象。(2010/11/22更正,一般電子產品應適用於Class 1,而非Class 3,另新增各種等級的解釋)

BGA_XRay07

▼錫球氣泡大到足以影響到焊接的品質,下圖是錫球切片後的剖面,可以很明顯看到氣泡已經有錫球的 1/3 大了。
錫球氣泡大到足以影響到焊接的品質,下圖是錫球切片後的剖面,可以很明顯看到氣泡已經有錫球的 1/3 大了

▼這是由X-Ray照出來的錫球氣泡,有些氣泡已經大到 0.5d 了。
BGA_XRay09


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Comments

“還有一種BGA空焊形成的原因是錫球中有氣泡(voids),根據IPC7095 7.4.1.6的規範,一般電子業適用於 Class III 的總氣孔直徑要求需<30%。 如果氣泡太大就會造成空焊或焊錫斷裂的現象。"

您這裡講的規範是否是說,所有氣泡的直徑加起來,不能超過BGA球直徑的30%

Chris;
你的文筆比較好耶!我可以照你的文字更新?

Dear 工作熊

感謝您的專業文章,讓小弟學到許多生產相關的知道,一個問題請教,根據根據IPC7095 7.4.1.6的規範,Class III,氣泡總面積不能超過9%,但依據此確認我們的SMT供應商,她們卻告知這個難以達成,是否合理?

再次感謝您願意分享許多寶貴的知識,再次感激

Chris;
你有特別告知SMT廠商,9%是面積而不是直徑?一般人都是以直徑來定義,你用面積可能會引起誤解。

Dear 工作熊

我有看到SMT廠商提供的X-Ray照片,上面有直接顯示一個比例,想要請問一下,那個是面積還是直徑?

Chris;
建議你自己拿把尺量看看吧然後做個計算吧!沒有圖片很難判斷。不過一般都是量直徑。

Chris;
要向你更正原本的 Class III等級為軍用/醫療用產品才適用,一般的消費性電子產品則適用 Class I,BGA的氣泡只要不大於 60%(直徑)或36%(面積)就可以了。工業級的產品則適用 Class II。
文章造成你的困擾實在抱歉。

感謝您提供的寶貴資料,另外一個問題請教,就是您知道哪裡可以查詢不同BGA包裝銲接完成後可以承受的G值?

客戶詢問,為何BGA打件完成,須要進行點膠(or underfill)的動作…如果銲接品質良好,難道無法承受嗎?請問您知道往哪個方向比較好查詢相關的資料嗎?感激

Chris;
Sorry!我不知道哪裡可以查詢到不同BGA包裝的不同G值,無法提供給你參考。
就個人瞭解,Undrefill基本上用來填充於BGA或 CSP(Flip Chip)底下,用以提昇焊接的可靠性,以避免因為振動或落下造成的銲錫開裂,但這通常僅用在Fine pitch 且錫球(ball)較小的BGA零件及密度較高的CSP晶片。由此可知選用的Undrefill材質的CTE非常重要,必須配合錫膏、零件、與電路板。如果世新產品試驗初期,你可以考慮同時製作添加及不添加Underfill的板子,一起做實驗,看看兩者有否差異,沒有添加Underfill的板子是否可以通過信賴性實驗等。

我之前遇到產品在客戶哪使用一段時間後
零件從PCB板上掉落
請問我要怎麼分析
這異常是客戶哪環境所造成(如震動)
還是原本製程焊接就已經不良
有詢問過做切片分析的廠商
廠商說我得提供1片良品讓它比對
請問有直接就能分析的方法嗎

根據我的瞭解,判斷BGA掉落的原因必需要先檢查BGA掉落時焊球破裂的位置。1. 如果BGA掉落時,PCB上的焊墊還是完好,這樣很有可能斷裂面是發生在BGA的錫球或與其PCB接觸的位置,那就很有可能是焊接不良造成的。造成焊接不良的可能原因有PCB焊墊或BGA錫球鍍層表面氧化、迴焊爐的融錫溫度不足、氣泡(voids)存在BGA錫球…等。
2. 如果BGA掉落時,PCB上的焊墊是被拉扯掉的,也就是說PCB的焊墊黏在BGA錫球,這表示BGA的焊接應該是良好的,這很有可能來自PCB焊墊的大小、強度不足,或PCB的製程有問題,比如說ENIG PCB的黑鉛/黑墊(black pad)。
但必須強調一點的,有時候很難直觀的判斷BGA掉落是屬於工廠製程或是設計問題,以上只是可能原因。

您好,
我想請教一下,BGA underfill製程是否有人使用手動方式封膠?
以及一般封膠是幾個面?若封膠後的BGA發生異常該如何解晰呢?
謝謝您~

Sten;
Sorry 囉!目前對BGA 的 underfill 還沒有深入研究耶!
不過我也很有興趣知道它的一些操作及注意事項,
如果你改天有了答案也要不吝分享喔!

IPC 7095是BGA的設計與組裝過程的實施其標準就如文章所列的標準
但是其Class I的標準有時客戶會不認同(太過寬鬆)
而要求採用IPC 610的25%(面積)做為其檢驗的標準
至於要選用哪一種,端看貴公司的定義及客戶的需求

當然,我有看過某公司內部定義為6%,我深感訝異!!
做消費型的產品卻要求這麼嚴格,當然不是不好
若是製程穩定度相當高的情況下是好的
若是在製程穩定度一般,卻使用較嚴格的定義,無疑是增加維修成本

同意您的說法,基本上這些規格都是可以談的,工業標準基本上可以參考,但還是要以公司的規定為準,因為每個產品的特性別不依樣,要求也就會有所不同。
要注意的是不要因咽廢食才好,有時候品質的無線上綱,會扼殺生產的動力。

Dear 工作熊,
拜讀您的文章讓小的受益良多,感謝您無私地分享.
小的最近在工作上碰到LGA封裝的SIP Module,請問LGA封裝的SIP Module在不使用破壞性實驗(紅墨水/切片)的條件下,該如何判斷是否空焊??

Dear 工作熊
如果BGA錫球的氣泡超過標準值,如何維修,請指點 謝謝

Kofi;
輕微的話,先試看看重新加熱,看能不能消除。如果不行的話就要重新植球了。

請問:

一般利用X-section觀看氣泡時,因為X-section的位置更不容易剛好在氣泡的最大直徑,加上氣泡通常也不會發生在錫球的正中心。因此切割研磨的方式量測的值應該都比實際值來的小,請問氣泡的直徑和面積比例,適合用x-section的方式判斷嗎?

Frank;
就我的了解,一般的氣泡都始使用X-Ray的檢查的,而且現在有些X-Ray機器已經有附帶可以直接計算氣泡直徑及面積的程式了,可以馬上判斷是否超規。
使用X-Section基本上只是為了說明方便,一般很少人會為了量測氣泡而作切片的,通常只是附帶參考用的。而且就如通同您所說的,如果沒有磨到氣泡的正中心,量起來的氣泡可能會偏小,要痕有經驗才行。
希望這樣子有回答您的問題。

您所引用的IPC-7095 7.4.1.6相關資料,是2000年8月出版的,年代已很久遠,對於氣泡率的定義,與現今的技術和認知已有相當大的落差,我確認過該規範中並未定義氣泡 Class I、II、III適用於哪一類產品…
您的文章對於SMT新手有相當大的助益,但建議您再參閱IPC-7095A與IPC-7095B,修正關於氣泡率的文章內容。

Simon;
謝謝您的反饋,我會找資料再研究看看,如果您有整理好的內容,也歡迎與大家分享。

我記得沒錯的話好像修正為25%跟IPC-610一樣了!!

請教一下, crack是否有機會用X-Ray 來判斷?

Joe;
用X-Ray來檢查crack不是不可能,但必須很有經驗,X-Ray機器還要夠好,可以側著方向來檢查,還有有好的解析度。

很好的文章!

想找廠家做小批量BGA精準焊接(帶x-ray檢測、對位),有沒有可以介紹的?

那些BGA每個1156個PADs左右.

自己做不來呀~

感激萬分!

Dear 工作熊,
请指教:BGA 空焊,经过X-Ray后发现PAD点旁边VIA孔存在锡
(与你诉说的焊垫VIA空现象相似),但无法照出明显锡流动痕迹!

拔取BGA发现PAD点旁VIA孔确实存在锡,但PAD点与VIA孔连锡段上面覆盖绿油!
相当费解!请帮忙解析!谢谢!

Mike;
1.BGA底下的所有vias建議用綠油(solder mask)覆蓋,以避免類似錫橋、錫沾污的問題發生。
2.BGA 的錫球在高溫熔融的過程中就類似水珠,上頭的BGA重量會把錫球往下壓,如果BGA IC的重量大過錫球所能承受的內聚力,錫球就會破裂,就有機會沾附到鄰近的焊點,包含沒有綠油覆蓋的 vias。當溫度重新回復到融點以下時,錫會因位內聚力的關係,把大部分的錫收縮回原來的錫球,可是如果鄰近有焊點,內聚力小於焊點的拉力,就無法拉回。有些情況下即使沒有焊點,也會因為錫珠分散太遠而無法拉回,造成永久的錫珠。

Dear 工作熊,
询问过厂商:焊盘(PAD)与其旁边VIA孔间是有绿油阻隔的;正常情况下PAD点上的锡被绿油阻隔是无法流进VIA孔内!(备注此PCB为喷锡板)请问怎么解释PAD与VIA间绿油下的锡的由来?
喷锡板还碰到一种情况:光板PCB PAD锡厚在500微英寸下,但反面SMY贴装零件过回流焊后,正面PAD点上有像锡融化后类似水珠受重力影响未滴落球状锡点;致使此PAD点凸出,刷锡膏厚,锡厚超标,200微米以上;正面贴装零件过回流焊短路!严重的刷完锡膏后从SPI仪器中看出明显连锡现象!请帮忙分析!
不知道如何上传照片给你,无法让你看到不现象图片!
最后感谢你的回复!

Mike;
1. BGA與vias之間有綠油很好,但BGA IC下面所有的vias 應該全部都要用綠油覆蓋填滿,因為我們不知道BGA底下是否會有任何的異狀產生,這些在BGA IC下面的vias應該也沒有必要露出來,覆蓋起來可免任何的意外產生。建議你看一下這篇文章瞭解一下BGA的融化過程。影片:BGA 回流焊焊接過程
2. 噴錫版本身的錫即使沒有印刷錫膏經過高溫的reflow就會融化。建議你確認vias上面的錫多不多,如果不多就有可能是本身的噴錫融化而已。
3. 另外反面的錫珠也有可能是本身的噴錫所造成,一般精密的零件不建議使用 HASL 表面處理的板子,因為表面不平整,而且經過高溫後會有融錫的現象。
4. 查詢了維基上的資料,錫的熔點為231.93°C。一般無鉛的製程peak溫度可以高達250°C。

Dear 工作熊,
谢谢你的解析!可惜你提供的影片无法播放!
希望后续还能再向你请教!

Dear 工作熊,

請問 IPC-7095B 7.5.1.7 與 IPC-A-610E 針對void的規範有些不同.
IPC-A-610E 中並沒有對void直徑的規範, 只有規範不得佔總面積的25%.
請問應該以那一個standard為主? 這兩個standard有什麼差異嗎?
感謝~

Wayne;
IPC-7095B 7.5.1.7B已經更新為不得大於25%(直徑)或6.25%(面積),應該不是總面積的25%。
兩份規格應該是一樣的。

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