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BGA 焊接失效的可制造性因素分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-29  浏览次数:241
核心提示: 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
       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

  0  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。
   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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