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如何判斷BGA錫裂破裂或掉件是SMT工廠製程或是設計問題?實務分析指南
相信很多人一直都有個疑問，要如何判斷BGA的焊錫破裂，或零件掉落是來自於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？或是產品本身設計不足所造成的問題？
根據工作熊的經驗，很多設計者只要一碰到BGA或是其他電子零件有錫裂、掉落等問題，往往就一口咬定，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，因為提不出證據來證明設計有問題。
就工作熊的瞭解，BGA掉落的原因，雖然有一部分真的與工廠或零件本身的製程不良有關，但也不能排除電路板及產品機構設計上有信賴度的問題，而且很多時候，錫裂都與設計脫不了關係。
（本文重點著重在生產製程，工作熊後來發現BGA錫裂或掉落其實反而有很大一部份是設計問題）
首先要澄清BGA錫裂問題發生的環境（掌握現況）
在真正開始分析問題前，有必要先瞭解問題發生的環境狀況，因為在不同環境與狀況下，所發生的相同不良現象，往往可能來自不同的真因(Root Cause)，BGA零件會掉落或錫裂，通常是發生在產品摔落測試或是滾動測試的時候，或是客戶使用時不小心從高處跌落，如果在沒有外力施加其上就發生焊錫斷裂或零件掉落，那幾乎可以肯定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表面處理的板子可能含磷量太多，或鎳層氧化造成的「黑墊現象(Black Pad)」。
最後也有可能是板子在製程中彎曲，導致應力殘留，然後在後續的板階針床測試，或是整機組裝時釋放應力而發生錫裂。
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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而掉落？當然是從其最脆弱的結構處破裂囉！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。請注意：這個位置的焊錫斷裂，也有可能是BGA的錫球氧化，或電路板的焊墊氧化所造成。這種情形多半會形成所謂的HIP/HoP(Head-in-Pillow，枕頭效應)或NWO(Non-Wet-Open，虛焊)。
如果是焊墊的設計太小導致無法承受過大的落下衝擊力，則會造成電路板上的焊墊有被拉扯下來的現象。其實焊墊被撕裂開，也有可能是PCB廠商壓合製程不良所造成。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，我們在分析這類問題時，最好要同時檢查斷裂錫球的電路板與BGA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，來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/EDS (Scanning Electron Microscope / Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy Analyzer) 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，這樣才能得到完整的答案。
可以先檢查BGA的斷裂面，看看錫球是否還留在BGA的焊墊上，沒有意外的話錫球應該都會留在BGA零件上，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，就像是中空的樑柱，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(不明就裡)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。
工作熊之所以不建議在BGA焊墊上做vias-in-pad設計，是因為有一陣子EE及佈線工程師都不太願意對焊墊上的導通孔(vias)做電鍍填孔，因為PCB的費用會變貴不少。如果可以做vias-in-pad並電鍍填孔，這樣就不會影響到焊錫品質，甚至還會因為vias-in-pad打地樁的作用，可以增加焊墊附著於FR4的能力。
「PCB斷裂面」檢查重點
最後，來檢查PCB的斷裂面，如果斷裂發生的現象是PCB的焊墊被拉扯下來，這就表示焊墊與PCB的連接處是整個結構中最脆弱的位置，可能原因有PCB焊墊太小，或是PCB焊墊的壓合強度不足所造成，也有可能是PCB經過反覆高溫維修，弱化了其結合強度。一般來說，NSMD (Non-Solder Mask Defined)的焊墊銅箔會比 SMD (Solder Mask Defined)來得小，這是因為，SMD焊墊設計時會使用防焊綠漆(solder mask)把焊墊的外圈覆蓋起來，同一顆BGA下的焊墊為了維持NSDM與SMD有相同的吃錫大小，SMD的銅箔就必須設計得比NSMD大一些，所以相較之下SMD的焊墊與PCB的結合力相對地就比較好。
那如果斷裂發生在焊墊表面的 IMC (Intermetallic Compound) 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】。
在所有方法都試過還不能解決問題後，才來考慮 underfill(底部填充膠) 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。
延伸閱讀：
電路板去板邊─總整理
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
電子零件掉落或錫裂一定是SMT製程問題迷思(1)？錫裂只是應力大於結合力之必然結果
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訪客留言內容（Comments）
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~~
工作熊，您好！非常感谢您回答我的问题，谢谢！我这款0.25球径的BGA本身从焊接来说是没有问题，外观满足IPC，功能测试也ok。客户收货做跌落实验后全都功能不良，做红墨水实验也发现了锡球脱落的4种脱离现象(BGA焊盘和锡点一同剥离、BGA焊盘与锡点之间剥离、锡点与PCB焊盘之间剥离、锡点和PCB焊盘一同剥离)客户的跌落实验是否合理，或者需要通过什么方法来达到跌落实验功能依旧ok的标准呢？有没有检测BGA焊接后牢固性的标准呢？可以给一个向您学习的联系方式吗？谢谢！
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你好，可以加QQ么，250854824，关于SMT掉件有些需要向你请教。