[短篇小說]解密BGA的焊接之謎08：討論IMC切片報告

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12 月 13, 2023

又隔了兩天。約翰這次總算開竅了，知道要提前把實驗室的切片報告先轉寄給了亞力士參考，約翰這次也不直接找亞力士單獨討論了，而是用MS-Outlook的會議功能直接約了亞力士以及負責這個Omni5940開發的電子工程師馬克(Mark)一起開會來共同討論。

在會議室中…約翰先把故事的來龍去脈又大致說了一遍，主要是對馬克說的，然後把之前的紅墨水染色報告用投影機給放映出來，約翰猶豫了一下之後還是問了亞力士，請他幫忙解釋，在確認馬克了解後，又把這次的切片報告給投影出來，再請亞力士幫忙解釋。

亞力士看著報告，說：「這份報告其實很簡單，就是針對前面用紅墨水染色後的三顆有焊錫破裂的錫球進行切片，並重點檢查其IMC有無生長出來，如果有的話就看IMC長得連不連續。」

「我把IMC比喻成是黏合在兩塊磚頭之間的水泥，沒有水泥來黏合不同的磚塊，磚牆就無法被砌起來，但是水泥卻也是整片磚牆上最脆弱的環節，當它遭受到撞擊時大多時候都會從水泥的位置開始裂開。」

「而不同的磚塊則代表著需要被焊接在一起的不同金屬，以這個案子來說，我們公司的PCB用的都是ENIG表面處理。所以，磚塊就可以對比為錫膏中的"錫"與PCB表面的"鎳"，正常情況下在BGA焊球的"錫"與PCB的"鎳"之間會形成"錫鎳合金"的IMC。」

「為了讓大家了解IMC的樣貌與生長位置，我這邊有一張其他產品的焊錫做切片使用電子顯微鏡(SEM)所拍攝的剖面放大圖。」

亞力士把投影機的控制權從約翰的手上要過來後投影了一張新的圖片，然後接著說：「這層灰色帶狀呈現小草形狀的就是IMC層，而IMC一般會從鎳層向著"錫"的方向伸展。只要小草可以覆蓋整個鎳面全部長出來就可以了，不用去管小草長得高或矮。現在我們切回正題。」

亞力士接著將投影片切回這次的BGA錫球破裂的切片報告，然後繼續說：「我們先看第一張圖，這是實驗室針對這第一顆錫球做切片的剖面放大圖，我們可以清楚看到破裂發生在IMC的根部，也就是與IMC與"鎳"的接觸面，而一般IMC的破裂也都發生在這裡，看起來IMC有長出來。我們再看一下IMC的生長有無連續，也就是與鎳的接觸面的這條帶狀小草有沒有缺損，沒有長出來的地方，看起來應該也是良好的。如果沒有問題…」

突然，馬克提出了質疑，問道：「我看到有些IMC長得比較厚，有些則長得比較薄，比如這張圖的IMC有厚度高達7um，但也有一些只有1um左右，這樣真的不會影響焊錫強度嗎？」

亞力士說：「你這個疑問提出得很好。關於你的問題，我們可以這麼看，任何的焊錫破裂其實都離不開應力的影響，除非原本就沒有焊上。當焊錫在受到本身所能承受最大應力作用時，基本上就會從整個結構強度中最脆弱的位置開始破裂，就類似"水往下流"、"生命總會找到自己的出路"一樣，這是一種自然的趨勢。可是我們從這個案例的焊錫破裂中，並沒有看到焊錫是破裂在你所指出的IMC厚度比較薄或比較厚的位置，我們看到的破裂反而是在小草狀IMC的根部位置，所以IMC的厚薄並不是這個焊錫結構中最脆弱的位置，所以我前面才會說IMC只要有長出來且長得均勻就可以了。」

馬克繼續問：「所以你的意思是說，這個焊錫破裂是因為遭受到過大的應力造成？可是我們檢查寄回來的產品，外觀上並沒有發現有明顯的撞擊痕跡，這樣是不是與你的推測不符合？」

亞力士心理想著「這是碰到了推責任來抬槓的？還是碰到搞不清楚狀況的楞頭青？」亞力士表面不動聲色、也不氣惱，嘴上笑笑地說：「這就說到重點了！根據我的經驗，這樣的焊錫破裂的確不像是一次遭受大應力所造成的撕裂，而比較像是反覆性的"疲勞斷裂(Fatigue Fracture)"。可能是經過環境測試，比如多次的高低溫循環(environmental test)，或經過滾筒測試(tumbling test)，也可能是終端客戶的使用環境有反覆的應力作用，比如循環進出冷氣房、或是經常車內車外循環進出、或是放置車內，白天日曬高溫，夜晚輻射冷卻、或是受到反覆的擠壓，可能是被物品反覆壓住或是被屁股坐到等原因。」

亞力士停了一下，撇了一眼馬克及約翰，而兩人則對視一眼並沒有表示意見後才繼續說：「如果對第一個錫球破裂的IMC沒有問題，那我們接著看第二顆破裂錫球的IMC，它看起來基本上與第一顆破裂錫球的現象類似，都是從小草狀IMC的根部裂開，這個應該就不用再多做解釋了，比照第一顆破裂的錫球就可以。」

接著，亞力士在投影機中將第三顆破裂錫球的切片照片投影出來，說：「第三顆破裂錫球的模式則稍有不同，它有別於前面兩顆錫球破裂在PCB端，這顆錫球則是破裂在BGA的載板端，但是破裂的位置依然是在小草狀IMC的根部。之所以會斷裂在BGA的載板端，我的看法是…」

亞力士停頓了一下並調出之前紅墨水染色報告並在投影機放映出來，說：「這個現象告訴我們一個事實，第三顆錫球在PCB端的焊接強度比BGA載板來得強。我看到它們之間的最大差異是第三顆錫球的佈線(layout)用的是Solder-Mask-Defined (SMD)，而前面兩顆錫球用得都是Non-Solder-Mask-Defined (NSMD)的焊墊設計。但是，先不要這麼快下結論說SMD就一定比NSMD焊墊設計來得好。就經驗上來說，SMD及NSMD焊墊設計運用在BGA抵抗應力上其實各有其優缺點，這個關係到BGA錫球直徑與焊墊大小。我只是先提出來，或許我們以後在PCB佈線設計時可以做一些實驗來驗證，看看到底哪一種焊墊設計比較適合我們家的產品。」

「以上就是針對這次BGA焊錫破裂的紅墨水染色與切片結果實驗室報告的說明，不知道兩位是否還有不清楚的地方？」

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SMT, Soldering(焊錫)
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訪客留言內容（Comments）

熊大老师，这篇文章如果能把当时的切片图片放上就更好了。

Comment by liming on 2023/12/13 @ 16:25:29

liming,
這就是小說，沒有相符的圖片。

Comment by 工作熊 on 2023/12/13 @ 17:20:34

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