【圖文并茂】BGA焊接失效案例分析

BGA焊接不良，是很頭疼的事情：

一   樣品描述

所送樣品包括三片PCBA（手機(jī)主板）、四片相應(yīng)的空白PCB電路板以及工藝過(guò)程中使用的CPU器件和焊錫膏，PCBA（手機(jī)主板）的型號(hào)為C389,樣品的外觀照片見(jiàn)圖1所示，委托單位要求對(duì) PCBA 上的 CPU 與   Flash 器件焊接質(zhì)量進(jìn)行分析。

二   分析過(guò)程

2.1 外觀檢查

用立體顯微鏡對(duì)空白PCB 和BGA 器件進(jìn)行外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn) BGA 器件的焊球大小均勻一致，共面性良好（見(jiàn)圖2 和圖3）；空白PCB焊盤(pán)表面存在一些坑洼點(diǎn)（見(jiàn)圖4和圖5）， 除此之外未觀察到明顯的異常。

2.2 X-RAY檢測(cè)
為了對(duì)焊點(diǎn)的內(nèi)部狀況進(jìn)行檢測(cè)，采用X射線系統(tǒng)對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，（X-Ray 的照片見(jiàn)圖6 至圖9），由照片可觀察得出BGA 焊點(diǎn)大小均勻一致，除發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)內(nèi)部存在少量空洞外，未發(fā)現(xiàn)焊球錯(cuò)位，焊料熔融不完全以及橋連等明顯焊接缺陷。

2.3 金相切片分析

在樣品上截取失效的   BGA   器件，用環(huán)氧樹(shù)脂鑲嵌后打磨拋光，用金相顯微鏡觀察BGA 器件焊點(diǎn)的金相切片，焊點(diǎn)的金相照片見(jiàn)圖   12～圖   25。其中   CPU 焊點(diǎn)的典型   金相照片見(jiàn)圖   12～圖   19，由圖可以發(fā)現(xiàn)部分焊球焊料與   PCB 焊盤(pán)之間潤(rùn)濕不良，未觀察到良好的金屬間化合物層，個(gè)別焊點(diǎn)甚至發(fā)現(xiàn)存在開(kāi)裂現(xiàn)象；同時(shí)還觀察到焊 球焊料熔融不完全，存在空洞等缺陷。

圖22～圖27是Flash焊點(diǎn)的典型金相照片，由圖同樣可以發(fā)現(xiàn)部分焊球焊料與PCB焊盤(pán)之間潤(rùn)濕性不夠良好，焊料與焊盤(pán)之間未形成良好的金屬間化合物層。

由以上BGA 焊點(diǎn)的金相照片分析發(fā)現(xiàn)，部分BGA 焊球焊料與PCB焊盤(pán)潤(rùn)濕性不良，存在裂縫以及焊料熔融不良等現(xiàn)象，這說(shuō)明焊球焊料與焊盤(pán)之間未形成良好金屬間化合物層。而導(dǎo)致焊球焊料與PCB焊盤(pán)潤(rùn)濕不良的原因可能存在如下幾方面：

（1）PCB焊盤(pán)氧化嚴(yán)重或沾污外來(lái)污染物導(dǎo)致焊盤(pán)的可焊性不良。

（2） 使用的焊錫膏潤(rùn)濕性不良。

（3）BGA 焊錫球可焊性不良。 為了分析BGA 焊球的質(zhì)量，對(duì)未使用的CPU焊球和從所送手機(jī)主板上脫落的CPU焊球進(jìn)行金相切片分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是未使用的CPU 焊球還是脫落的CPU 焊球焊料熔 融均不夠良好，焊球內(nèi)部發(fā)現(xiàn)存在裂縫等缺陷，這說(shuō)明 BGA 焊球質(zhì)量不夠良好。

2.4 焊錫膏潤(rùn)濕性分析

按照 IPC-TM-650.2.4.45 的要求對(duì)工藝過(guò)程中使用的焊錫膏的潤(rùn)濕性進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所使用的焊錫膏的潤(rùn)濕性良好（焊錫膏的可焊性試驗(yàn)照片見(jiàn)圖 26 和圖 27）

2.5 空白PCB板焊盤(pán)的可焊性試驗(yàn)

按照IPC-STD-003（Solderability Tests for Printed Boards）要求，對(duì)委托單位所送的空白PCB電路板的可焊性進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為235，試驗(yàn)時(shí)間為3S，所使用的助焊劑為中性助焊劑（焊錫膏的可焊性試驗(yàn)照片見(jiàn)圖28和圖29），發(fā)現(xiàn)空白PCB電路板的部分焊盤(pán)的可焊性較差（見(jiàn)圖中紅色箭頭所指的黃色焊盤(pán)），焊料對(duì)焊盤(pán)的潤(rùn)濕不良或弱潤(rùn)濕，這說(shuō)明BGA 金相切片中發(fā)現(xiàn)的焊球與焊盤(pán)潤(rùn)濕不良與PCB部分焊盤(pán)的可焊性不良有關(guān)。而引起焊盤(pán)可焊性不良的原因可能是焊盤(pán)氧化嚴(yán)重或表面沾污有機(jī)物。

2.6 SEM和EDAX 分析

首先對(duì)圖 21 所示的開(kāi)裂焊點(diǎn)進(jìn)行 EDAX 分析，發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí) A 處焊盤(pán)處的主要的元   素成分為鎳(Ni)和磷(P)以及少量的錫（Sn）（見(jiàn)圖   30），由于錫含量較少，這說(shuō)明開(kāi)裂是位于   PCB 電路板焊盤(pán)上的鎳鍍層與焊料之間，同時(shí)也說(shuō)明   PCB 電路板焊盤(pán)上的鎳鍍層與 焊料之間未形成良好的金屬間化合物層。

圖31是圖21標(biāo)識(shí)B處焊料的能譜圖，由圖可發(fā)現(xiàn)主要含有錫（Sn），磷（P）， 鎳(Ni)，碳（C）等元素，由譜圖中檢測(cè)到鎳含量較多，這也能進(jìn)一步說(shuō)明PCB電路板焊盤(pán)上的鎳鍍層與焊料之間未形成良好的金屬間化合物層。

另外，對(duì)CPU器件脫落的PCB焊盤(pán)進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)焊盤(pán)表面存在較多的裂縫，這說(shuō)明鎳鍍層的表面的致密性較差（見(jiàn)圖32和圖33），因此，后續(xù)浸金工藝中的酸液容易殘留其中，致使鎳鍍層腐蝕氧化，這必將導(dǎo)致焊盤(pán)的可焊性不良。

       圖32 CPU器件脫落的CPU焊盤(pán)典型外觀照片1                        圖33 CPU器件脫落的CPU焊盤(pán)典型外觀照片2

接著對(duì)空白PCB的焊盤(pán)進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)焊盤(pán)表面存在裂縫，這說(shuō)明金鍍層的表面的致密性不夠良好（見(jiàn)圖34和圖35），對(duì)焊盤(pán)進(jìn)行EDAX 分析（結(jié)果見(jiàn)圖36），發(fā)現(xiàn)主要存在碳（C）,鎳(Ni)和金(Au)等元素，由焊盤(pán)表面含有碳，這說(shuō)明焊盤(pán)表面粘附的外來(lái)污染物為有機(jī)物。

　　　　　圖34 空白PCB上CPU焊盤(pán)外觀的典型照片　   　   圖35 空白PCB上FLASH焊盤(pán)外觀典型照片

圖36 空白PCB電路板焊盤(pán)的能譜圖

2.7 綜合分析

(1)由BGA焊點(diǎn)的金相切片和X－ray可見(jiàn)，BGA焊球焊料與PCBA焊盤(pán)潤(rùn)濕性較差，焊料與焊盤(pán)之間未形成良好的金屬間合金層，因而焊料與焊盤(pán)之間的結(jié)合力較差，致使焊點(diǎn)容易出現(xiàn)裂縫。

而導(dǎo)致焊球焊料與PCB焊盤(pán)潤(rùn)濕不良的原因可能存在如下幾方面：

(a)PCB焊盤(pán)氧化嚴(yán)重或沾污外來(lái)有機(jī)物導(dǎo)致焊盤(pán)的可焊性不良。

(b)使用的焊錫膏可焊性不良。

(c)BGA焊錫球質(zhì)量較差，可焊性不良。

(2)對(duì)未使用的BGA器件焊球和脫落的BGA焊球進(jìn)行外觀及金相切片分析，發(fā)現(xiàn)BGA球大小均勻一致，焊球共面性良好，但焊球焊料熔融不夠良好，焊球內(nèi)部發(fā)現(xiàn)存在裂縫等缺陷，這說(shuō)明BGA焊球質(zhì)量不夠良好；而從脫落的CPU器件的焊點(diǎn)來(lái)看，脫落位置主要位于焊盤(pán)與焊料的連接處，并不是焊球本身開(kāi)裂而脫落，這說(shuō)明BGA焊球質(zhì)量較差并不是導(dǎo)致BGA焊球焊料與PCBA焊盤(pán)潤(rùn)濕性較差的主要原因。

(3)進(jìn)行焊錫膏的可焊性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊錫膏的可焊性良好，這說(shuō)明BGA金相切片中發(fā)現(xiàn)的焊球與焊盤(pán)潤(rùn)濕不良并不是由于所使用的焊錫膏可焊性較差引起的。

(4)進(jìn)行空白PCB電路板焊盤(pán)可焊性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PCB電路板焊盤(pán)的可焊性較差，說(shuō)明焊球與焊盤(pán)潤(rùn)濕不良和結(jié)合力不強(qiáng)與PCB電路板焊盤(pán)的可焊性較差有關(guān)；對(duì)空白PCB焊盤(pán)和器件脫落的   PCB焊盤(pán)進(jìn)行SEM觀察和EDAX 分析，發(fā)現(xiàn)金鍍層和鎳鍍層表面存在裂縫，鍍層的致密性不夠良好，這容易導(dǎo)致鎳鍍層氧化腐蝕而使焊盤(pán)的可焊性不良，同時(shí)焊盤(pán)表面檢測(cè)到沾污外來(lái)的有機(jī)污染物。因此，可分析得出PCB焊盤(pán)可焊性較差可能一方面與鎳鍍層結(jié)構(gòu)不致密，酸液容易殘留其中，致使鎳鍍層腐蝕氧化有關(guān)；另一方面與盤(pán)表面粘附外來(lái)的有機(jī)污染物有關(guān)。由于焊盤(pán)的可焊性較差才導(dǎo)致焊盤(pán)與焊 料之間潤(rùn)濕不良，不能形成良好的金屬間化合物層。

三   分析結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

BGA焊點(diǎn)焊料與PCBA焊盤(pán)潤(rùn)濕性較差，焊料與焊盤(pán)之間未形成良好的金屬間合金層，因而焊料與焊盤(pán)之間的結(jié)合力不強(qiáng)；焊料與焊盤(pán)潤(rùn)濕不良的主要原因是PCB焊盤(pán)可焊性較差。