BGA不良分析、改善报告

2） BGA上线前使用需要烘烤
（1） 超过储存期限者，须以125°C/8h烘烤 (若多次烘烤则总烘 烤时数须小于64h)，才可上线使用。烘烤在达到去潮的目的的同时， 也加速导致BGA球表面氧化，所以在确认物料没回潮的情况下，尽可 能不烘烤。物料发到生产线，需要注意确认是否超过车间寿命，否则 须要烘烤。
再次，不要给使用24H之后的焊锡膏添加稀湿剂.因为使用过24小时的焊 锡膏里的助焊剂挥发，不能有效去除BGA ball、PCB焊盘表面的氧化物， 会导致氧化物隔离在焊接层之间，导致不能形成良好的金属见化合物。 出现如“枕头效应”、假焊等不良。
最后需要强调：锡膏使用、管理要严格按照“锡膏使用管理规定”操作。
为保证BGA焊接良好，选择加工能力强的PCB板 供应商是须要的。
d.锡膏选择及使用管控
锡膏的优劣也是影响BGA焊接的一个重 要因素，选择锡膏常考虑以下几个方面： 良好的印刷性、可焊性和低残留物。
右图是锡膏残留物过 多，会引发不良：
锡粉颗粒的直径选择也很重要，我们在选择 时要从各方面因素综合考虑。由于BGA的引脚 间较小，丝网模板开孔较小，所以我们采用 直径为45mm以下的焊膏（3或4号粉）。
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二.BGA上线质量情况简介
统计数据查阅附件：
BG A质量改善跟踪 统计
从统计情况看： 1.试产机型BGA不良率：12.9%； 2.量产机型BGA不良率：0.85% 3.PCB板不同供应商之间存在差异； 4.OSP工艺直通率高于ENIG工艺；
对BGA不良原因，我公司对BGA焊接不良原因分析较 少，缺乏必要的分析工具和材料。以下是赛宝实验室 提供数据：
c.PCB板来料、使用管控：
目前含BGA的PCB板采用的工艺形式较多是 OSP（有机保焊剂）和 ENIG（化镍金）。我 公司产品对两种工艺的PCB都有使用。
两种不同工艺的PCB，因为其本身的工艺特 点，使用不当，会导致不同方式的失效。有 必要分别予以详细介绍。
业界对含BGA PCB工艺选用情况：
A.钢网
印刷的丝网模板一般采用不锈钢材料，开孔采用电抛光。由于 BGA元器件的引脚间距较小，故而钢板的厚度较薄。一般钢板的 厚度为0.12 mm ~0.15mm。
开孔方式一般开圆孔,所开孔尺寸可以按PDA直径1.1：1开孔，保 证锡膏量适当。
在印刷时，通常采用不锈钢制的60度金属刮刀。印刷的压力控制 有3.5KG-10KG的范围内。压力太大和太小都对印刷不利。印刷的 速度控制在20MM/SEC-30MM/SEC之间，元器件的引脚间距愈 小，印刷速度愈慢。印刷后的脱离速度一般设置为1MM/SEC之间。 另外，印刷后的PCB尽量在半小时以内进入回流焊，防止焊膏在 空气中显露过久而影响质量。
BGA通常分为三类，每类BGA都有自己独特的特点和优 缺点：
1、 PBGA（PLASTIC BALL GRID ARRAY）塑料封装BGA 其优点是： ①和环氧树脂电路板热匹配好。 ②焊球参与了回流焊接时焊点的形成，对焊球要求宽
松。 ③贴装时可以通过封装体边缘对中。 ④成本低。 ⑤电性能好。 其缺点是：对湿气敏感以及焊球面阵的密度比CBGA 低
C.回流焊接要求
回流焊接是BGA装配过程中最难控制的步骤。因此获 得较佳的回流曲线是得到BGA良好焊接的关键所在。
●预热阶段 在这一段时间内使PCB均匀受热升温，并刺激助焊剂活
跃。一般升温的速度不要过快，防止线路板受热过快 而产生较大的变形。尽量将升温速度控制在3℃/秒以 下，较理想的升温速度为2℃/秒。时间控制在60 ~ 90 秒之间。
3、TBGA（TAPE BGA）带载BGA 其优点是： ①尽管在芯片连接中局部存在应力，当总体上同环氧
板的热匹配较好。 ②贴装是可以通过封装体边缘对准。 ③是最为经济的封装形式。 其缺点是： ①对湿气敏感。 ②对热敏感。 ③不同材料的多元回合对可靠性产生不利的影响。
锡膏使用管理规定
小结
对BGA、PCB、锡膏的来料质量的严格把控，对提升 BGA上线合格率有很大帮助。须确保以下三点：
1.选择高端的有质量保证的供应商； 2.对来料要进行必要的检验，保证上线质量； 3.BGA、PCB板、锡膏来料储存、使用要符合工艺要
求。
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2.SMT制程控制
在SMT制程中导致BGA失效的工艺环节和原因 很多，比如ESD、钢网开孔、锡膏印刷、贴片、 回流焊接、炉温板制作等等，要想降低SMT制 程中BGA的失效，需要在多方面进行全面控制。
左图是ENIG工艺PCB焊盘NI层 存在裂纹，当有裂纹存在时， 镍层的表面致密性差，后续浸 金工艺中的酸液容易残留其 中，致使NI层腐蚀氧化，导致 焊盘的可焊性不好。由于焊盘 的可焊性较差才导致焊盘与焊 料之间润湿不良，不能形成良 好的金属间化合物层。出现： “黑焊盘”、不浸润等不良现象。
ENIG工艺PCB焊盘原因不良图片：
BGA焊接后Ball与本体PCB板分离在一定程度上与BGA本 体的质量不良有很大关系。 下图：
b.BGA物料管控
导致BGA本身失效的原因可以大致分为 两类:
静电击穿和因MSD(潮湿敏感)原因失 效两类。
所以在使用前及使用过程中要有相应的 防护措施。
BGA物料储存防护措施
1） BGA 拆封与储存 （1） 真空包装未拆封之 BGA 须储存于温度低于 30°C，相对湿度小于75%的环境，使用期限为一年。 （2） 真空包装已拆封的 BGA 须标明拆封时间， 未上线的BGA，储存于防潮柜中，储存条件≦25°C、 20%RH。 （3） 若已拆封BGA但未上线使用或余料，必须储 存于防潮箱内(条件≦25℃,20%R.H.) ，尽量抽真空包 装方式储存。
BGA不良分析、改善报告
华阳通用SMT部：史泓基 2010.10
目录
一.概述 跳转 二.BGA上线质量情况简介 跳转 三.导致BGA不良的各种原因分析、以及
对应预防措施 跳转 四.典型不良案例分析 跳转 五.双面BGA设计注意事项
一.概述
当前BGA（Ball Grid Array球栅阵列封装)在电子产品中已有广 泛的应用，在我司实际生产应用中，由于物料不良、制程管控、 返修难度高等因素，导致BGA器件失效率高，严重影响产品质 量，甚至影响我司高端产品开发进度。如何提升BGA质量，已经 成为当前PCBA质量改进中首要课题。
B.器件的放置
BGA的准确贴放很大程度上取决于贴片机的精确度， 以及镜像识别系统的识别能力。SIEMENS设备均能满 足要求，唯一要确保设备状态稳定，使用feeder、吸 嘴正常，无抛料现象。
有可能某个焊球在Z方向上略小于其他焊球。为了保证 焊接的良好性，使BGA器件在安放时其焊球能够与焊 膏充分接触。减少BGA某个引脚空焊的现象。通常可 以将BGA的器件高度减去0.1~0.2mm。
OSP工艺焊盘氧化不良图片
ENIG板储存、使用注意事项
ENIG PCB抗氧化能力强，所以储存环境 要求不是很严格。一般储存要求，温度： 20~30℃，湿度：40~60%RH，拆包前 可以保存一年，拆包后可以保存3天。
ENIG工艺PCB出现焊接不良，主要是PCB 板供应商的制程出现问题。如：Ni层涂 覆不均匀，Au层表面裂纹导致焊接不良。
二、计划&生产管控 1. OSP PCB生产必须于拆封后24小时内完成SMT，生管计划根据SMT的
工时排线,不得超过规定时限。 2. 计划把握进料状况. 料齐后才可以安排上线。 3. BGA一般布置在PCB的B面，先生产完A面后，B面有机防护膜被高温破
坏，所以，计划需要保证生产连续性，要求A面生产后，B面生产时间 间隔不超过24小时。 4. OSP工艺PCB一般不要烘烤；如果回潮必须要烘烤，条件：100℃，4h。 5. 生产时不能一次拆很多包，使用完一包再拆一包； 6. 禁止裸手接触PCB板内元件焊盘。 7. 拆包前检查包装是否破裂，确认PCB焊盘是否变色，如果变形，需要 退回仓库，待供应商重工处理。
BGA开裂占： 19%（BGA本身可焊性）
PCB上锡不良：17%（PCB焊盘氧化、污染、分层、漏 电、腐蚀等）
焊点开裂占： 16%（贴装工艺、热撕裂、空洞、虚焊、 其他原因如：ESD、MSD、设计等等占48%
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三.导致BGA不良的各种原因分析、以及对 应预防措施
导致BGA不良的原因较多，根据前面的数据统 计，主要影响因素依次是： 1.物料来料质量（BGA物料、 PCB板、锡膏）、储 存环境 2. SMT制程控制 3.PCB pad设计 4.人员操作、ESD等其他因素
●浸润阶段 这一阶段助焊剂开始挥发。温度在150℃~ 180℃之间
应保持70~90 秒，以便助焊剂能够充分发挥其作用。
●回流阶段 这一阶段的温度已经超过焊膏的熔点温度，焊膏熔化
成液体，元器件引脚上锡。该阶段中温度在220℃以上 的时间应控制在50 ~ 90 秒之间。如果时间太少或过 长都会造成焊接的质量问题。BGA焊点峰值温度应该 控制在240~250 ℃。 ●冷却阶段 这一阶段焊膏开始凝固，元器件被固定在线路板上。 同样的是降温的速度也不能够过快，一般控制在4℃/ 秒 以下，较理想的降温速度为3℃/秒。由于过快的降 温速度会造成线路板产生冷变形，它会引起BGA焊接 的质量问题，特别是BGA外圈引脚的虚焊。
本文主要针对BGA失效原因及质量提升方法进行分析，并提供相 应失效原因的解决办法，为提高含BGA元件PCBA合格率提供技 术参考。希望能为公司当前在生产制造含BGA产品中遇到的问 题，提供帮助。
BGA有不同类型，不同类型的BGA有不同的特点，只有 深入了解不同类型BGA的优缺点，才能更好地制定满 足BGA制程要求的工艺，才能更好地实现BGA的良好装 配，降低BGA的制程成本。
实际操作建议：最好每次只发几个小时或一个班需求的物料。
受潮的元器件过回流焊时，它所附带的潮气就会汽化，会出现焊球“吹 孔”、”溅锡”、锡珠、气泡等不良，影响焊接质量。
3.接触BGA的整个过程需要采取静电防护措施。 尤其是间接不是固定岗位的作业人员（包括技术、物 料员、等等），必须禁止裸手拿料。
2、CBGA（CERAMIC BGA）陶瓷封装BGA 其优点是： ①封装组件的可靠性高。 ②共面性好，焊点形成容易，但焊点不平行度交差。 ③对湿气不敏感。 ④封装密度高。 其缺点是： ①由于热膨胀系数不同，和环氧板的热匹配差，焊点
疲劳是主要的失效形式。 ②焊球在封装体边缘对准困难。 ③封装成本高。
8
7
6
5 Percentage of Voids
4
3
2
1
0 OSP
Pad Surface Finish
Tin
ENIG
Silver
HASL
OSP板储存、使用注意事项
一、供应及储存条件 1. 供应商在完成OSP制程后, 在受管控的温湿度环境下,
应在12H内完成真空包装. 在不受管控的温湿度环境下, 则必须在4H内完成真空包装. 2.来料外包装箱的识别卡料号后面要有”(OSP)”字样。OSP PCB 来料应采用真空包装. 3.仓库记录进料日期, 按先进先出原则发料. 4.PCB拆封前的储存环境为:温度16 ～ 40 ℃、相对湿度： 10 ～ 65％。 5.符合上述储存条件并未开封的真空包装储存时间最长为 3个月，如超超3个月则必须由IQC协助送回PCB板供应 商重工OSP制程。
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1.BGA、PCB板来料质量控制
a.BGA来料质量பைடு நூலகம்制
BGA机器本身的失效或不良是导致焊接 不良的一个潜在危害。
右图是未焊接使用的BGA图片，焊球内 部存在裂缝缺陷。这种裂缝将可能引起 焊球与BGA本体PCB之间形成假焊。 这种问题，在不良分析中往往容易忽 视，或找不出不良原因。
来料检验部门有必要对来料进行抽样， 在显微镜下检验确认。
焊锡膏使用注意事项
首先，要保证所有的焊锡膏在6个月已内，超过6个月的焊锡膏严格意义 上说是不能够使用了.这是严谨的，不要抱着侥幸的心理.
其次，焊锡膏使用前一定要在常温下回温4-8H。不能为了加快生产，焊 锡膏没有回温到规定的时间就是用，结果出来的PCB都有假焊的现象， 并且回流后焊球内产生大量的气泡。