BGA 焊接失效的可制造性因素分析-【枕头效应】

                                                                                                   


SMT业內最具人气，最活跃，最有影响力的——SMT顶级人脉圈微信公众号SMT制造业实力派移动互联网营销第一媒体 SMT顶级人脉圈摘要：本文以企业实际生产中出现的一个非典型性BGA焊接失效案例为素材，详细介绍了不良原因分析的过程与方法，在可制造性设计方面提出具体建议，为产品设计和工艺技术人员提供经验借鉴。关键词：BGA焊接失效；非典型性原因；可制造性设计
引言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。 1、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。
2、案例分析2.1 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。2.2 焊接面检查2.2.1 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。
图 1 、U1 焊盘及焊球外观2.2.2 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。2.3 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（如表1），再流焊接温度符合标准。表 1 温度曲线参数对照表
2.4 X-RAY 检查由于BGA焊点的不可视性，故使用X-RAY（型号 ：善思View X2000）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。2.5 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（如图2）。
图2、U1 凸槽与PCB白色丝印线位置使用游标卡尺测量UI器件纵向尺寸如图3所示 ：可见凸槽厚度为0.2mm，焊球超出凸槽高度为0.2mm。

图3、U1本体纵向尺寸及贴装后与PCB形成的间隙使用游标卡尺测量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，如图3所示 ：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（如图4），器件能够保持平衡。
图4、U1贴装后与焊接时受力示意图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，如图4所示。    3、对策解决   基于上述分析，将对策方向暂定于减少贴装后器件本体与PCB的间距。通过和设计工程师的沟通，确认PCB上表面白色丝印线并无实际用途。选取前期器件互换后仍存在特性问题的3个不良品，拆除U1, 用裁纸刀小心刮除白色丝印线，进行整平和清洗；U1重新植球后，使用BGA返修台焊接，经测试，3个产品均合格。为验证对策的有效性，联系PCB生产厂商制作了500个不带白色丝印线的基板投入生产，未再发生U1特性不良案例，问题得以解决。
   3、对策解决  基于上述分析，将对策方向暂定于减少贴装后器件本体与PCB的间距。通过和设计工程师的沟通，确认PCB上表面白色丝印线并无实际用途。选取前期器件互换后仍存在特性问题的3个不良品，拆除U1, 用裁纸刀小心刮除白色丝印线，进行整平和清洗；U1重新植球后，使用BGA返修台焊接，经测试，3个产品均合格。为验证对策的有效性，联系PCB生产厂商制作了500个不带白色丝印线的基板投入生产，未再发生U1特性不良案例，问题得以解决。   4、总结本案例不良情况类似于较为常见的HOP（Head-of-Pillow），即“枕头效应”。一般HOP发生原因是PCB或元器件本体在高温环境下的产生板翘变形，使BGA锡球和锡膏分开了，然后各自的表面层被氧化，当再接触时，就形成枕头形狀的焊接，而不是完整的良好焊接了。在功能性测试或是板内测试的时候，或许外界的压力能使具有枕头现象的不良焊接BGA能够通过测试，但是最终产品在使用的早期，一般很快就会被发现有功能问题的。而本案例HOP的引发却是设计层面的原因，由于设计人员对产品制造工艺的不熟悉，忽视了器件本体的形状，又盲目地在PCB对应位置添加了无效的阻焊丝印线，二者叠加，造成再流焊接过程中器件整体歪斜，一定概率地影响了焊接质量。在取消了丝印线设计后，器件底部和PCB间距缩短为0.2mm，小于最终焊点的高度，再流焊接过程中，器件本体能够在自身重力和熔融焊料的表面张力作用下，平衡塌陷，形成合格焊点，从而消除了HOP存在的条件。在竞争日趋激烈的电子制造行业，可制造性设计逐渐成为提高产量和利润的一个关键性因素。随着电子封装的微型化和组装的高密度化，要求产品设计人员考虑的不只是功能实现这一首要目标，更要兼顾生产制造方面的问题。一方面必须选择有丰富生产经验的人员参与设计，对设计成果进行可制造方面的测试和评估，辅助设计人员工作 ；另一方面，设计人员以及DFM工程师要到生产第一线了解生产工艺流程及生产设备，掌握生产中容易出现的问题，以便更好、更系统地改善自己的设计。

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