[案例]BGA錫球開裂不良,利用應變計確認機構設變對策前後改善狀況

[案例]BGA錫球裂開的改善對策

一般公司的新產品開發偶而會遇到裸機高處落下的【衝擊測試(drop test)】後發生BGA錫球裂開的問題,如果RD有比較好的sense,就應該把產品拿去做一下應力應變分析,而不是直接就把所有的BGA掉落問題都賴給製造工廠的SMT製程。

就工作熊的經驗來看,BGA錫球裂開的問題其實很難僅靠工廠的製程管理與加強焊錫來得到全面改善,如果產品設計時RD可以多出一點力氣,製造上就會省下很多的成本。

以下面這個案例來說,可以省下底材填充膠(Underfill)的材料費與工時費用,這還包含了間接管理與修復的費用,也可以提高產品的信賴度,更可以降低日後可能的市場商譽品質損失。







(BGA錫球開裂問題其實牽涉到很多的環節,「焊錫不良」只是其中一項而已,很多人一看焊錫開裂的第一個反應就是焊錫不良,但站在科學客觀的角度來看問題時,只要看到焊錫的IMC有均勻的長成,基本上焊錫就沒有太大的問題,再來就得探討應力與焊錫強度的關係了,因為不論焊錫再如何加強,其承受應力的能力提昇總是有限的,一定應力大於焊錫強度,焊錫破裂是可想而知的,所以在檢討完焊錫品質後,接下來就該檢討如何消除應力的來源與加強機構的抗應力設計了,本案例已經是先確認焊錫沒有問題,所以才會要求RD加強機構設計來改善應力衝擊。)

其實BGA錫球開裂的最大問題十有八九都來自於應力(Stress),不管是SMT回焊高溫時板子彎曲變形所形成的應力,還是產品因為機構組裝所形成的應力,或是因為客戶使用時撞擊,或不慎掉落地面所造成的外力,這些其實都是應力的來源,如果設計之初就可以模擬各種狀況做應力應變分析,並針對可能產生應力的部份做一些設計調整以降低應力的影響,相信可以讓BGA產品的生產品質更加穩定,甚至還可以移除一些不必要的underfill製程,達到節省成本的利益。

不知是否因為工作熊對新產品有過多次的類似要求,還是大家終於體認到設計影響製造的嚴重性,公司這次新產品的設計團隊總算有個比較好的回應,也花了心思做了BGA錫球開裂的特性要因分析,發現應力的來源,並且做了設計變更來改善這個BGA錫球開裂的問題,當然有先用mockup的材料來做驗證,結果也著實讓人滿意,事後實際修模生產後再做最終QA驗證也都沒有再發現BGA開裂的問題,真心希望這個「應力應變驗證動作」以後會是RD驗證的標準程序。

利用應變計(Strain Gauge)驗證機構設計變更前後對BGA錫球開裂位置的應變量分析

以下就是這款產品的大概設計外型與BGA所在位置,為了方便客戶使用時不至於發生螢幕反光,所以產品設計了一個類似收銀機的傾斜螢幕,也就是這個傾斜角讓BGA零件在產品做正背面落下測試時承受了巨大的電路板變形量,以致造成BGA錫球裂開,因為產品的側邊(side)及角落(corner)摔落都沒有發現問題,以前的例子幾乎都是在角落摔出問題的。

BGA-ball-crack-improvement

既然知道可能的問題出在電路板變形量過大,於是在電路板上黏貼【應變計(Strain Gauge)】,所先量測未改善前的應變量數據,然後在電路板等主要組件不變得情況下,更換改善後的機構再做一次應變量的量測。

改善方法是在BGA零件的附近新增塑膠機溝肋柱(rib)來頂住電路板以降低電路板在落下時的變形量,參考上圖的[New add rib]。

BGA_crack_stress_gaugeBGA錫球開裂改善方案

因為在做這個動作時產品的大部分設計都已經完成了,所以改善的方法就是盡量找到一個空間可以用來增加支撐柱,讓電路板在落下變形時有硬物可以支撐住,以降低其變形量。

既然知道可能的問題出在電路板變形量過大,於是在電路板上黏貼應力計(Stress Gauge)然後先量測未改善前的應力數據。改善方法是在BGA的附近新增機溝肋柱(rib)來頂住電路板以降低電路板在落下時的變形量。

應變計量測機構改善前後的應變量

下表列出改善前與改善後(增加rib)的微應變量(Micro-Strain,x106)實際量測值。就如同預期的,在正面(傾斜面)落下時的應變量改善達到106,因為產品正面(Top)外型有個彎曲傾斜角,比較容易因為外力而造成彎曲;而背面(Bottom)為平面落下的應變量改善則比較小,只有42。

由此可見增加一根肋條(rib)就可以達到一定程度的電路板變形量改善。這個應變值量測的是電路板的Z方向,但是只有X軸的Z值,如果可以加測Y軸的Z值會更有參考價值。

改善前 改善後 改善量
正面落摔 -186 -80 106
背面落摔 203 161 42

這項設計變更執行後,經過DQ重新驗證落下測試的效果,證實BGA沒有再出現開裂的問題。


延伸閱讀:
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如何從設計端強化BGA以防止其焊點開裂?
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