|
|
 |
如何判斷BGA錫裂掉件是SMT工廠製程或是設計問題?
相信很多人一直都有個疑問，要如何判斷BGA的錫裂或掉落是來自於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，因為提不出證據來證明說設計有問題。
就工作熊的瞭解，BGA掉落的原因雖然有一部分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了導致應力殘留，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。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
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？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(枕頭效應)或NWO。
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。其實焊墊被撕起也有可能是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 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上面，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。
不建議在焊墊上設計通孔是因為大部分的PCB設計都不會要求通孔要電鍍填滿，因為這樣做的話PCB費用會變貴。其實，如果可以做到將通孔填滿，這樣就不會影響到焊錫，甚至還可以增加焊墊附著於FR4的能力。
「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，弱化了其結合強度，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，做成「SMD (Solder Mask Defined)焊墊設計」，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，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。
那如果斷裂發生在 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】
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
|
|
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！
訪客留言注意事項：
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上，請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言，與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言，請善加利用【搜尋框】尋找相關文章，找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章，自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容，工作熊不一定會瞭解你在說什麼，就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家，所以回答的內容或許會有不正確的地方，服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題，請前先參考這篇文章【詢問工程問題，請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問，並且請提供足夠的資訊，這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度，工作熊不是你的「細漢」，更沒有拿你的薪水，所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知，如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
你好，可以加QQ么，250854824，关于SMT掉件有些需要向你请教。