《PCBA不良分析》BGA切片後如何判斷焊接品質

BGA切片後如何判斷焊接品質

這篇文章基本上是寫給那些還不知道該「如何判斷PCBA切片後的BGA吃錫好壞」朋友們參考用的。因為工作熊手邊正好有幾張自己家產品切片後拍的BGA焊錫照片,剛好可以拿來做為教材之用,而且還有很典型的焊錫雙球(HIP, Head-In-Pillow)以及錫球被拉扯後造成焊錫不佳的照片。

通常我們在拿到一張BGA的切片照片時,第一個要判斷的就是「那一邊屬於BGA封裝面」,「那一邊又是屬於電路板組裝面」。對於這個問題,工作熊的方法是從銅箔的厚度來做判斷,銅箔比較厚的那一面通常是電路板的組裝面,因為BGA封裝的載板通常都比電子組裝的電路板來得薄非常多,所以會選用比較薄的銅箔厚度。

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(當然這也只是個人對BGA的見解,如果專家路過有意見也請留言指教)

其次是如果切片後已經可以明顯看到雙球現象時,如下圖為典型的HIP假冷焊缺點,球體比較大的那一面通常是載板上原來的錫球,因為BGA錫球的體積已經過了一次Reflow,而印刷在PCB上的錫膏經過一次Reflow助焊劑揮發後剩下的體積就只有原來的一半了,所以BGA面的球體通常比較大。至於焊墊(焊盤)大小則不一定,要看自家PCB佈線設計時有沒有堅持設計成【Cooper Define Pad Design(銅箔獨立焊墊設計)】也就是NSMD (Non-Solder Mask Defined)。

建議延伸閱讀:SMD和NSMD焊墊設計的區別、優缺點與使用時機建議

接著,我們來判斷BGA焊接的品質好壞

下圖可以很清楚看出典型【雙球(HIP)】焊接問題,不瞭解的朋友可以點擊【HIP(Head-in-Pillow 枕頭效應)】連結做進一步探討。應該有99%的HIP現象都會發生在BGA封裝四周最外面一排的錫球上,尤其是四個角落的位置,原因也幾乎都是BGA載板或PCB經過回焊爐時因為高溫而產生電路板的變形翹曲,等板子回溫後變形變小,但熔融的錫已經冷卻固化,於是形成雙球靠在一起沒有互相融錫的模樣。HIP就是嚴重的BGA焊錫不良,這種現象一般不太容易被工廠內的X-Ray或測試程序給偵測出來,而會流到客戶的手上,可是使用一段時間後產品就會因為功能問題反覆出現而被送回來修理。

下圖可以很清楚看出典型【雙球(HIP)】焊接問題,不瞭解的朋友可以點擊【HIP(Head-in-Pillow 枕頭效應)】連結做進一步探討,應該有99%的HIP都發生在BGA的四周最外面一排的錫球上,原因也幾乎都是BGA載板或PCB經Reflow時發生變形翹曲,等板子回溫後變形變小,但熔融的錫已經冷卻,於是形成雙球靠在一起的模樣。HIP就是嚴重的BGA焊錫不良,它很容易通過工廠內的測試程序流到客戶的手上,可是使用一段時間後產品就會因為出現問題而被送回來修理。

第二種BGA焊錫不良是介於HIP與正常焊錫之間的錫球,知道怎麼判斷那一面是PCB端了吧?從下圖看來BGA錫球與PCB上的錫膏已經完全熔融在一起了,因為看不到雙球,可是整個錫球卻有被上下拉長且幾乎斷裂的跡象,觀察PCB面的焊錫也可以發現錫球與PCB焊墊接觸的面積變小了,而且還出現不尋常的角度,這是因為錫球被整個往上拉開的緣故。另外一個可能原因是焊墊為SMD(Solder Mask Defened)設計,防焊(solder mask)印刷造成吃錫變小。這種焊錫斷裂的機率應該只是早晚的問題,客戶端使用時如果有振動或是經常開關機導致熱脹冷縮,都會加速其斷裂的機率。

    第二種BGA焊錫不良是界於HIP與正常焊錫之間的錫球,知道怎麼判斷那一面是PCB端了吧?從下圖看來BGA錫球與PCB上的錫膏已經完全熔融在一起了,因為看不到雙球,可是整個錫球卻有被上下拉長且幾乎斷裂的跡象,觀察 PCB面的焊錫也可以發現錫球與PCB焊墊接觸的面積變小了,而且還出現不蟳長的角度,這是因為錫球被整個往上拉開的緣故。這種焊錫斷裂應該只是早晚的問題,客戶端應該使用時的振動或是開關機過程的熱脹冷縮,都會加速其斷裂。

下面這張圖的BGA錫球焊接基本上可以接受,球形也有壓扁形成水平橢圓形的焊錫,但還是看得出來靠近PCB端的錫球吃錫面積似乎比BGA載板端來得小,而且形成焊錫銳角,讓應力容易集中在銳角的地方,看來應該也是SMD焊墊設計造成吃錫面積較小。

    下面這張圖的BGA錫球焊接算還可以接受,球形也有壓扁形成水平橢圓形的焊錫,但還是看得出來靠近PCB端的錫球還是有點被拉開的情形。

其實比較好的錫球焊接形狀應該要像下面這張圖片一樣,錫球類似一個「燈籠型」,錫球覆蓋在整個PCB焊墊上。不過有時候焊墊會設計成綠油覆蓋,形狀就會比較像上面那張圖了。所以,BGA的焊錫如果要吃得好,設計成NSMD焊墊設計會比較優,但是NSMD的的實際焊墊相對SMD來得小,焊墊的附著力(bonding force)是個需要考慮的因素。

建議延伸閱讀:電子零件掉落或BGA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

    其實比較好的錫球焊接形狀應該要像下面這張圖片一樣,錫球類似一個「燈籠型」,錫球覆蓋在整個PCB焊墊上。不過有時候焊墊會設計成綠油覆蓋,形狀就會比較像上面那張圖了。


延伸閱讀:
影片:BGA 回流焊焊接過程
BGA錫球缺點的幾種檢查方法
如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?

 
 
訪客留言內容(Comments)

a.PCB b.元件 c.solder paste d.製程 e.設計,都是影響BGA不良的因素,至於要判斷此面是屬於PCB面或BGA substrate 面,還有一個方式可參考,一般在設計PCB Pad與周遭Space會有2:3的關係, 所以PCB Pad 於設計時將會比 BGA Pad 小或相等的

肥喵;
「一般在設計PCB Pad與周遭Space會有2:3的關係」,這一點我到沒有注意到,所以這就可以解釋是為什麼每次有BGA開裂,幾乎都在PCB端,而不是BGA端出現了。

如果IC是用傳統的金線做互聯,IC的Ball Pad應該會有一層鎳(約5~15um),至於PCB上的Ball Pad,如果是塗OSP或flux就不會有這一層鎳。

newpsys;
謝謝您提供這個訊息,不過要知道有沒有鎳層就得打EDX,如果可以從外觀就可以分辨出來最好囉!因為作切片時不一定都會打EDX。

如果是以這幾張照片來看,好像都有機會不做EDX就分辨出鎳層耶。通常UC載板(IC substrate)鍍軟金/鎳前,會對銅面做微蝕刻,從斷面來看,銅鎳相連的交界處銅的厚度會減少(內縮),若是顯微鏡倍率夠高,在鎳與錫鉛之間應該還能看到一層金,而PCB這一邊的焊點通常不會用到金,我是這樣分辨的。


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