BGA设计制程焊接问题分析

BGA package manufacturing process
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BGA Cross-section:
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BGA 錫球的成型方式
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BGA 封裝的發展: PoP /Stack die 的目的?
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BGA 錫球的防潮要求: BGA 零件為何要採取防潮包裝? 受潮後的失效模式?
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BGA 錫球的防潮要求:
BGA 封裝的吸濕性.
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Popcorn: 受潮或多次rework
Popcorning causes the BGA package to expand below the die; resulting in an increase in size (and possibly bridging) of the solder balls in the center of the package as they are squished between the package and the board.
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BGA reflow 過程蹺曲:
从室温下开始加热后（ 图 2.a ），器件先是凹形翘曲的， 随着焊接温度的逐渐升高， PBGA 封装体变软，伴随着焊料和 BGA 焊球的熔融，焊料表面张力增大，拉动器件封装体 周边下榻，焊球间焊料相连形成短路（ 图 2.b ）。
元器件湿度越大 → 器件温度翘曲变化严重 → 板极焊接缺陷增加，因此， J-STD-020 MSL 分类标 准中，应加入回流峰值与之匹配的 MSL 对板极组装产生的影响，让 SMT 厂家成功实现 PBGA 的无 铅焊接。
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從BGA solder joint 高度判斷reflow 溫度是否足夠.
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BGA 的不良類型----原材不良 1. 缺錫球
2. 錫球的平整度
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IPC 定義的平整度要求:
0.30 mm ball = 0.08 mm (ccc) 0.40 mm ball = 0.10 mm (ccc) 0.50 mm ball = 0.12 mm (ccc)
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BGA VIA Pad 與 PCB Pad 設計要求
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BGA/CSP 的置件精度問題: Normal BGA: 1.5mm/1.27mm/1.0mm/0.8mm/0.5mm Pitch micro BGA/CSP: 0.4mm/0.3mm/0.25mm/0.2mm Pitch
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BGA Pad 設計的差異: SMD or Non-SMD ?
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BGA 的不良類型----Void
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BGA 的不良類型----Void 的判定標準
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BGA 的不良類型----Void 產生原因 1. BGA 錫球內的氣泡; 2. 錫膏特性(Flux) 3. PCB 污染; 4. Pad 設計( VIA in Pad) 5. …….
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BGA 的不良類型----Void 產生原因
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BGA reflow 過程蹺曲: 案例 PCB 蹺曲與BGA 蹺曲同樣需管控:
對策: 1. 確認BGA 防潮包裝或烘烤; 2. 防止BGA reflow 溫度過高; 3. BGA corner 鋼板錫量減少; 4. 增加reflow Carrier , 減少PCB 變形度.
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BGA reflow 過程蹺曲: 注意: BGA warping 也會造成soldering open.
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BGA 焊點開裂案例:---Black Pad
在焊接过程中，Sn 与Ni 反应生成Sn/Ni 化合物，而镍层中 的磷不参与合金反应，因此多余的磷原子则会留在镍层和合金层界 面，过多的P 在镍和IMC 界面富集将形成黑色的富磷（P-Rich）层， 同时，存在的镍层腐蚀会影响焊料与镍层的结合，富磷层和镍层腐蚀 的存在会降低焊点与焊盘之间的结合强度；当焊点在组装过程中受到 应力时，会在焊点强度最弱处发生开裂，BGA 封装角部焊点由于远离 中心点，承受的应力更大，故开裂一般会先发生在角部。
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BGA 的不良類型----Void 產生原因
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BGA void 造成solder short: 案例: D57 & D16
HDI 設計PCB: Pad 表面盲孔回填不良; 盲孔內氣體膨脹.
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BGA void 造成solder short: 案例: D57 & D16
對策: 確保回填板轉至下一制程,盲孔回填率均在80%以上
Fig 3: Joint 1焊點切片放大圖
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BGA 焊點開裂案例:---Pb 污染
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BGA 焊點開裂案例:---Pb 污染
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如何辨別Crack 的原因?
black pad related failure
associated with mechanical stress
Crack location for a) black pad related failure (b) interfacial fracture when using ENIG surface finish
BGA 設計,製程及焊接問題分析
Prepared By : Forrest you Date: 2013.03.11
內容:
1. BGA 的定義及類型; 2. PCBA design; 3. BGA檢查方法; 4. 問題分類及原因分析;
BGA 的製造流程示意圖
或flip chip process
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BGA 焊點開裂案例:---應力過大
對PCBA 測試&組裝過程進行Strain 量測
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(BGA CRACK)造成IMC异常破裂的常間原因
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PCB 厚度與應變量/應變率關係
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增加BGA 可靠度( 減少Solder crack) :
OSP Surface finish for BGA pad
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BGA 的”枕頭效應 ”:Head In Pillow
DNMA-92 U6 BGA Side-View Inspection
第六个焊点
焊点枕头效应
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BGA 的”枕頭效應 ”:Head In Pillow Joint A19
PCB Side
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Component Side
DNMA-92 U6 X-Ray Inspection
第六个焊点
空焊点
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DNMA-92 U6 Cross-section Inspection
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BGA 的”枕頭效應 ”: 可能發生原因: 1. 錫球的氧化/污染; 2. BGA 變形 ; 3. Reflow profile 問題(錫膏問題): flux 過早失效;
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Q&A
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Thank You
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BGA Reflow 視頻
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BGA 不良檢測&分析方法:
Side view
X-ray
CSAM
Cross-section
案例: PoP BGA (下層BGA) Open
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BGA 製程不良: Mounting shift 置件位移 Open
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BGA 製程不良: Reflow 溫度不足或時間不夠
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增加BGA 可靠度( 減少Solder crack)的方法: 1. Underfill : micro BGA or CSP 1. Corner bond
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CSAM : 檢測IC 內部是否發生分層(De-lamination) 一般由於元器件吸濕或reflow 溫度過高造成;
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BGA reflow 過程蹺曲: Solder short & solder open:
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良好焊接的要素: IMC
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良好焊接的要素: IMC IMC 经验厚度2～5um 且需均匀生长 IMC 太厚, 材料特性会脆化 IMC 太薄, 附着力不足易开裂
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BGA 空焊原因: PCB Pad 拒焊 ( Pad 氧化或表面污染等因素)
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BGA 不良檢測方法: 紅墨水實驗
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紅墨水評估方法
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BGA 焊點開裂案例:---應力過大
Model: J710 Analysis Location: U5 Issues Description: 组装抽验判退，BGA U5不良，PE要求做切片分析观察
U5焊点状况。
U5
Fig 1：红色框标示为待分析零件U5
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BGA 焊點開裂案例:---應力過大 Joint 1 Component Side Crack