如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?

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相信很多人一直都有個疑問,要如何判斷BGA掉落是來自於SMT工廠的製程端所造成的不良?還是因為電路板的製程缺陷所引起?或是設計上的問題?

不過,根據工作熊的經驗,很多設計者只要一碰到BGA或是其他零件掉落的問題,往往就是一口咬定是製造端焊接不良所造成,這讓很多工廠端的工程師想反擊卻又百口莫辯。

根據工作熊的瞭解,BGA掉落的原因雖然大部分與工廠或零件的製程不良有關,但也不能排除電路板及機構設計上有信賴度的問題。







先澄清問題發生的環境

在真正開始分析問題之前,有必要先瞭解問題發生的環境狀況,因為在不同狀況下所發生的相同不良現象,往往可能來自不同的真因(Root Cause),一般BGA會掉落通常是發生在產品摔落測試的時候,或是客戶使用不小心從高處跌落,如果在沒有外力施加其上就發生掉落,那幾乎可以很肯定99%是產品或零件的製造過程有問題,一般不外乎空、假焊或零件焊接面氧化造成,ENIG表面處理的板子也有可能含磷量太多所造成的黑墊現象(Black Pad)。

接著了解問題發生的本質

其次要瞭解問題的本質,先想想在正常請況下,零件究竟會從那個斷面破裂掉落呢?當然是從其最脆弱的地方破裂囉,那如果是SMT的reflow焊接沒有焊好,那就應該會斷裂在BGA的錫球(ball)與電路板的焊墊之間,當然會發生在這個地方的斷裂,也有可能是BGA的錫球氧化,或電路板的焊墊氧化所造成。

如果是焊墊的設計太小導致無法承受太大的落下衝擊力時,就會造成電路板上的焊墊有被拉扯下來的現象,其實這種現象也有可能是PCB廠商壓合不好所造成。另外也有可能是錫球內有太多的氣泡(voids),造成錫球的強度不足而斷裂在錫球的中間。

同時檢查BGA與電路板的斷面

就因為BGA掉落有種種的可能原因,所以我們在分析這樣的問題時,最好要同時檢查電路板與BGA的零件面,以確認它的斷裂面位於何處,還要檢查其斷裂面的形狀以判斷是外力的強力拉扯或是焊接不良造成,所以最好要準備高倍顯微鏡,有必要的話還得準備SEM/EDA (Scanning Electron Microscope/Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy)來分析斷裂面的元素組成成份。

BGA斷裂面檢查重點

檢查BGA掉落時應該以相對應的單顆錫球及焊墊為單位,而且要同時檢查 BGA 的錫球與 PCB 的焊墊,這樣才能得到完整得答案。

可以先檢查BGA的斷裂面,看看錫球是否還留在BGA上面,沒有意外的話錫球應該都會留在BGA上面,如果錫球不在BGA上面,那就有可能是BGA零件本身的錫球焊錫不良。

如果BGA的錫球完好,再檢查錫球(Solder ball)的斷裂面有否出現粗糙凹凸不平的現象,有的話表示錫球的吃錫良好,斷裂應該是外力撞擊所造成。如果斷裂的錫面很光滑,還呈現出圓弧狀,那就很有可能是假焊(Non-Wetting)或是冷焊(Cool Solder),想對的 PCB 焊墊上的焊錫面應該也會呈現出光滑的圓弧狀。

如果斷裂面是發生在錫球的中間,那就要檢查看看斷裂面有無部份內凹的光滑面,這通常代表著錫球內有氣泡產生,氣泡也是造成焊錫斷裂的可能原因之一,就像是中空的梁柱一樣,其支撐力就會減弱。錫球會產生氣泡的原因很多,一部分是reflow的profile沒有調整好,還有一部份是來自白目的設計者,硬是要把通孔設計在焊墊上,因為他們只在乎這樣可以節省空間,殊不知這樣會嚴重造成焊接不良、少錫、氣泡..等後果,然後要製造端買單。

相關閱讀:導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則

PCB斷裂面檢查重點

最後一個斷裂點是PCB的焊墊被拉扯下來,也就是說焊墊與PCB的連接處變成最脆弱的地方,會發生這樣的原因一般可能來自PCB的焊墊設計太小,或是PCB的壓合強度不足造成,也有可能是因為PCB的反覆高溫維修,弱化了結合強度,如果問題是來自前項,解決的方法可以加大焊墊的尺寸,另外還可以用綠漆(solder mask)把焊墊的外圈覆蓋起來,這樣也可以補強焊墊的強度;在所有方法都試過還不能解決問題後,再來考慮 underfill(底部填膠)吧,因為underfill真的很麻煩,不但要在reflow之後先完成測試增加填膠及烘烤的動作,維修起來也不方便呢。

那如果斷裂發生在 IMC 層呢?請參考【為什麼IMC已經形成有效焊接但零件掉落還是發生IMC層斷裂之觀念澄清


延伸閱讀:
電路板去板邊─總整理
導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則
電路板零件掉落,該如何著手分析、判斷並釐清問題點 
用滲透染紅試驗 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊錫




訪客留言內容(Comments)

你好,可以加QQ么,250854824,关于SMT掉件有些需要向你请教。

张冬;
對不起!
我沒有QQ耶!真是傷腦筋。
你要不要試著描述一下你的問題?

斷裂發生在 IMC 層的部份可否說明如何判定發生源是SMT or FPC/PCB呢?

張特,
既然是IMC層斷裂,就無法判斷發生源是焊接零件或是PCB或FPC,一般斷裂在IMC層就表示焊接正常,斷裂原因通常是外力大過IMC的強度。打個比方好了,拔河比賽中如果繩子斷了,可以歸咎是那一方的輸了嗎?這IMC就是拔河中的繩子,而拔河的兩隊人馬就是電子零件及電路板或軟板。

熊大
剝離後的焊墊做EDS檢驗有C/O/Ni/Sn 成份,
C 有7~10% 是否正常?
剝離面呈較黑顏色.
Tech

張特;
首先建議您可以參考這篇文章按鍵金手指上的綠色污染物或是在側邊欄的分類上找《EDX/SEM/IMC》,應該可以找到一些相關的文章。
基本上C及O是不應該出現在板子的finsihed上的,很明顯的是有外來的有機碳水化合物的污染存在。只是一般的產品在與外界接觸後,多多少少在表面上都會沾附到一些灰塵之類的汙染,所以通常會打出少許的C及O,最好的方法是比較有問題及沒有問題板子的EDX後來做判斷,還要看看板子是何種finished。

大陆这边很少见PCB焊盘设计偏小的,大部分研发会把BGA的焊盘做的偏大一些。
另外,请教一下焊球气泡对信号的影响不知道熊大有没有研究过?虽然工厂对气泡大小都有管控,但气泡偏大到底会造成什么影响,貌似没人说得清楚~~

大飞,
這裡所謂的PCB焊盘设计偏小指的是整個焊盤,包含被綠漆(solder mask)覆蓋的焊盤,焊盤越大則越不易被拉扯開來。
如果只論BGA錫球有氣泡對電器特性基本上不會造成太大的影響,但確有機會在使用過程中因為應力釋放與使用撞擊、冷熱衝擊,最後造成錫球龜裂,就會對電器特性造成贏想了。


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