BGA虛焊失效模式可以用X-ray分析檢查出來嗎?

BGA虛焊失效模式可以用X-ray分析檢查出來嗎?

這些【BGA失效案例的X-ray】照片是某個論壇上面網友貼出來的一組有關BGA失效案例的X-ray照片,這位網友遇到的問題是:組裝電路板(PCBA)通電後無法啟動,但是,如果用手施加壓力按壓在BGA晶片上則能啟動。這位網友詢問大家,能否根據其貼出來的X-ray照片來判斷這個BGA失效的原因是什麼?能否複製重現失效的模式?因為他們家的客戶要求要找到真因,而且,還要求必須根據真因來復現同樣的失效模式。(詳細內容可以參考文末的YouTube影片)

不知道大家有沒有發現,這個案例的問題描述似乎有點似曾相識的感覺啊?有在關心工作熊部落格的朋友,應該已經發現了,這個案例與工作熊之前寫過的短篇小說【解密BGA焊接之謎】有點類似耶!有興趣的朋友可以到工作熊的部落格找來看看,就當作是茶餘飯後的消遣。

也許是這位苦主被客戶給逼急了,也或許是真因難尋,工作熊個人怎麼感覺這個論壇的苦主似乎並不是很想把真因找出來,而只想盡快地把問題給處理掉,你沒有聽錯,我說的是「把問題處理掉」,因為這位苦主居然詢問有沒有什麼方法可以用手刷錫膏的方式來複製複製重現不良模式,好給客戶一個交代,因為客戶有要求啊。

看了一下論壇苦主貼出來的照片,只有X-ray的俯視圖,有經驗的朋友應該都知道,BGA的錫球焊點位於在本體的下方,正常的情況下是無法經由目視(visual inspection)來檢查到的,而一般的X-ray設備雖然可以穿透本體,但是照出來的也只是陰影,而且還只能檢查有無短路問題,而無法檢查焊點有無空焊或虛焊。所以,在論壇討論串上面,大家幾乎一面倒的指出,這種BGA的失效模式是無法使用2D X-ray看出什麼結果的,並建議苦主,應該要使用3D X-ray或拿去做切片(cross-section),或者是做紅墨水染紅測試,才能確認真因是否為錫球焊接的品質問題。最後苦主無奈的回覆並表示說,客戶不給做切片啊,因為切片是破壞性的檢查,一旦做了還找不到答案,證據就沒了。

工作熊個人是覺得,當遇到無法解決的工程問題時,可以利用特性要因分析圖,也就是魚骨圖,或是心智法(mind map),來羅列出問題發生的可能原因,然後逐步驗證排除可能原因來尋找出真因。而不要像無頭蒼蠅一樣亂撞。

如果你對什麼是「魚骨圖」有興趣?或者想知道「如何畫魚骨圖」,可以參考工作熊做過的這支《品管七大工具:魚骨圖介紹、特性要因分析圖(Cause and Effect Analysis)》的影片。

品管七大工具:魚骨圖介紹、特性要因分析圖(Cause and Effect Analysis)

根據樓主對BGA失效模式的敘述,工作熊覺得最有可能的不良原因有兩個:

1. 一個是BGA焊錫破裂,也就是焊錫原本是好的,但因為不明原因而發生了破裂。

這種不良大多會發生在客戶端,少部分則會發生在工廠端。所以可以先確認這個BGA不良是在生產工廠就發現的,還是在客戶端才發現的。

而這類焊錫破裂也比較偏向是設計的問題,大多是因為焊錫無法承受應力而斷裂,而其斷裂的位置通常發生在IMC層,這種失效模式的主要原因,通常是PCB遭受外力作用而發生彎曲變形所導致,有可能是終端用戶不小心將產品摔落地上,或是其他不可抗因素的碰撞或擠壓產品,尤其那些手持裝置最容易發生。有興趣的朋友可以看一下工作熊之前做過的一支《BGA發生錫裂一定是焊錫問題嗎?錫裂原因與解決方法探討》的影片。

2. 另外一個可能原因是,雙球現象的HIP(Head-in-Pillow)或稱之為HoP(Head-on-Pillow)的枕頭效應不良,其實也有可能是NWO(Non-Wet-Open)不良。

不管是HIP/HoP/NWO,其發生的原因都大同小異,它們其實都指向BGA錫球在焊接時候發生虛焊或空焊不良。對HIP/HoP/NWO還不是很了解的朋友可以參考工作熊寫過的這幾篇介紹的文章。我就不再贅述了。

而不管是雙球現象或IMC破裂問題,其實都很難使用2D的平面X-ray設備檢查出來,不過有經驗的工程師或許可以透過比較相鄰錫球的大小來大致猜測可能出問題的錫球位置,也就是,如果有發現較大或較小的錫球直徑,那裏就比較有可能是出現焊錫問題的地方,為了確保檢查的正確性,最好是再拿一片正常的板子來搭配做對照組。對這個議題有興趣的朋友也可以參考工作熊寫過的這篇文章

其實,除了2D X-ray之外,還有一種進階的2.5D X-ray設備可以使用,它只是比2D X-ray多了一個可以旋轉與傾斜不同角度的平台,而HIP這類雙球現象則有很大的機會可以透過觀察不同角度的錫球陰影形狀偵測出來。因為正常的BGA錫球,實際看起來應該是一顆去頭去尾的雙截平圓球體,透過觀察不同傾斜角度的X-ray影像,如果發現有葫蘆形腰身的錫球,就有可能是HIP不良,當然也可能發生誤判,畢竟X-ray影像就只是陰影圖像。而如果看到某顆錫球變形較為嚴重,則可能是NWO不良。

另外,還有一種稱為【3D CT X-ray】的設備,可以做到X-ray掃描的立體成像,算是到目前為止非破壞性檢測HIP不良的最好方法,它的成像原理其實與我們在醫院做人體全身「CT(電腦斷層掃描)」是類似,也就是台語說「鑽隧道(碰空)」。透過3D成形的影像,可以讓我們很直觀的判斷,錫球焊接是否有HIP或NWO不良。但如果是IMC層的破裂則不太容易透過3D X-ray來檢測出來,而且3D X-ray的掃描很花時間,對那些多腳數的BGA封裝,有可能一天也檢測不完一顆BGA封裝。換個說法,就是3D檢查很花錢。

至於切片或是紅墨水檢測則是最終的破壞性檢測,因為一旦做了就破壞現場,當然,切片及紅墨水檢測可以更直觀的告訴我們錫球焊接到底發生了什麼事。

幾天後,樓主又上來發了另一個帖子,並附上了幾張使用光纖儀器側拍BGA晶片底部錫球的照片,希望大家再幫忙看看是否可以發現錫球焊接的問題。

有經驗的朋友應該都知道,使用特殊光纖攝影機(fiber optic camera)的確可以側拍到BGA晶片底部錫球的照片,但一般大概只能拍到最外面一排的錫球,頂多可以拍到最外面第二排的錫球,再往內就會看不清楚,還得看PCB上面BGA晶片的旁邊有無其他零件阻擋光學儀器,有人還會利用鏡子的反射來增加觀察的視角,否則光纖攝影機一般也只能看到錫球焊接在PCB端的位置,而無法觀察到錫球焊接在BGA載板上的焊接面。

大家一看苦主貼上來的新照片,紛紛發表自己的意見,有人說這錫球看起來怎麼怪怪的,更多人則說這焊球的表面呈現暗沉、粗糙、不規則紋路、類似豆腐渣、有還有人說怎麼看起來有顆粒感、無金屬光澤,似乎有冷焊的傾向,是不是回焊的溫度沒有調好等。

老實說,工作熊個人看過這些照片後的結論是,無法確認錫球有沒有虛焊,至於是否有HIP雙球現象就更別說了,因為看不出來,我們有一份事實說一分話,真看不出來有BGA錫球焊錫問題,只能說錫球的表面真的不太漂亮,也確如網友們說的錫球的表面呈現暗沉、粗糙、有不規則紋路、類似豆腐渣、有顆粒感、無金屬光澤,但這不能結論說焊錫品質有問題,只能說焊得不好,疑似可能有虛焊,特別是這張照片的這個位置,但無法直接結論說這樣子就是有虛焊問題。

如果可以的話,最好可以把助焊劑洗掉後在用光纖側拍一次。

如果還是看不出來,在不能做切片或紅墨水染色等破壞性檢查的情況下,工作熊個人建議樓主還是得去找實驗室拍【3D X-ray】成像,如果經費有限,建議先拍BGA四個角落的焊接成像,因為HIP不良幾乎都會發生在BGA四個角落的位置,因為對角線的距離是最長的,翹曲的力距也是最大的。

這依然是個沒有結論的網路論壇案例,所以也只能當作是看圖說故事的討論,跟大家扯扯蛋。

以上是工作熊個人的看法,請注意,工作熊的分析不一定是最正確的,有意見歡迎大家留言討論。

YouTube影片:BGA虛焊失效模式可以使用X-ray分析嗎?


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