BGA焊接失效,大部分原因是在生产过程中某些环节的工艺控制有所欠缺导致。典型的焊接失效机理,有较多的资料文献做了具体分析,并提出针对性的工艺改善方法手段。本案列中,采用了多种常规检测方法确认工艺参数设置和材料质量,均未发现明显的诱因,整个生产制程符合作业规范要求。最后在比对BGA本体和PCB匹配性方面取得突破,确定不良原因为器件外形设计与PCB不贴合,BGA焊接过程中二次塌陷不完全,产生“枕头效应”。在该案例的基础上,对产品开发环节提出相关可制造性设计的一些具体要求。
一、问题描述
本案例问题是在产品功能测试阶段发生。该产品(如图1)为SMT代工,ICT测试段,时有特性不良出现,不良率达到2%以上。因产品配套材料价格昂贵,代工商紧急联络设计工程师到现场确认,判定原因为U1存储器功能失效。
返修人员在现场分别抽取5个不良品和5个良品,进行器件互换(流程为:拆焊—清洁(PCB焊盘及BGA底部)--植球(模板法)—焊接)。重新测试互换U1器件后的产品,结果仍有3个特性不良,其中原本测试通过1个,测试未通过的2个。互换结果可以排除器件本身质量问题,基本确定不良原因为焊接问题。
二、案例分析
1、功能判断
经设计工程师分析,本产品在ICT测试段共有三个测试项目与U1器件有关。统计显示与此有关的不良品并未集中于三项之中的某项,由此分析,该器件出现的焊接不良没有特定位置,具有随机性。U1器件I/O端口共有84个。
2、焊接面检查
1)PCB焊盘
随机抽样同批次PCB,使用电子放大镜检查U1器件焊盘,发现铜箔形状完整、大小一致、表面光亮无氧化,未见明显异常。
2)BGA焊球
随机抽样同批次U1器件,观察BGA焊球,发现焊球颗粒饱满、近似圆形、大小基本一致、表面光亮,判定符合焊接质量要求。
3、焊接温度确认
由于BGA封装的特点是焊点是以矩阵状排列于器件底部,对再流焊接提出了较高的温度要求,需判定焊接温度是否符合要求。
分别选取该器件上表面、底部焊点和PCB中心共3个点,使用测温仪测试,获取的温度曲线。比对具体工艺要求,其温度上升斜率、温度下降斜率、恒温时间、回流以上时间、最高温度等主要参数基本在限制范围内(如下表),再流焊接温度符合标准。
序号 |
项目 |
限制值 |
实测值 |
判定 |
||
PCB中心 |
底部焊点 |
上表面 |
||||
1 |
温度上升斜率 |
1~3℃/秒 |
2.53 |
1.92 |
2.39 |
OK |
2 |
温度下降斜率 |
-6~-1℃/秒 |
-2.04 |
-2.17 |
-2.54 |
OK |
3 |
恒温时间 |
150℃~180℃,70~100秒 |
70.17 |
65.78 |
70.75 |
OK |
4 |
回流以上时间 |
220℃以上,60~80秒 |
78.20 |
67.60 |
76.81 |
OK |
5 |
最高温度 |
230℃以上,30~60秒 |
61.3 |
49.62 |
58.66 |
OK |
4、X-RAY检查
由于BGA焊点的不可视性,故使用X-RAY(型号:善思ViewX2000)检查U1焊点,结果为:焊点饱满、球径大小均匀、形状呈圆形、颜色较深、无气泡等不良,且与焊盘影像完全重合,排除漏焊、连焊、偏移等不良。
5、外观检查
在基本排除工艺缺陷的基础上,视线再次返回到材料本身。经缜密观察,发现U1器件本体底部凸槽和PCB对应位置处的白色丝印线均处于几何外形横向中部,器件贴装后位置重叠。使用游标卡尺测量UI器件纵向尺寸:可见凸槽厚度为0.2mm,焊球超出凸槽高度为0.2mm。
使用游标卡尺测量PCB厚度为1.6mm,含白色丝印线厚度为1.75mm,计算出白色丝印线厚度为0.15mm。由此可见,U1贴装后,由于本体底部凸槽和PCB丝印白线的重叠,在器件底部(不含凸槽)和PCB上表面之间会形成一个厚度0.35mm的拱架。
U1本体焊球直径为0.4mm,PCB涂布的锡膏高度约为0.15mm,贴装时焊球贴附在焊膏上,U1底部和PCB上表面间距为0.55mm,大于0.35mm,器件能够保持平衡。
BGA的再流焊接过程会有二次塌陷现象,即:第一次塌落是PCB板上的焊膏先熔化,元件塌下来,第二次是元件本身的锡球也熔化并与PCB板上的熔化的焊膏熔为一体,锡球再次塌落,形成一个扁圆形的焊点。
大胆设想,U1二次坍陷过程中,因为拱架两侧锡膏和焊球受热熔化并不是完全同步,两侧的拉力会有时间上的差异,由于拱架的存在,可能造成器件本体的倾斜。
本案例中的HOP(枕头效应)不良情况的解决对策,将会在《BGA焊接失效的可制造性因素分析(下)》中进行分析。