无铅制程之可靠度检验手法与案例探讨(Dye-Pry)

G
H
8. 拔開元件後, 確定好PWB邊與BGA邊的方向的對應關系 後, 放到顯微鏡下進行觀察。
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二.信息判讀於紀錄
1. 一般以樣品PCB面作為Matrix Chart繪制標准(灰色
部
1
A1
W
分代表無錫球, 黃色2部3 分代表Pin 1點) 。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
小。
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隨離中心的距離越遠, 應變也隨之增加, 到了較 外側則變成外側的錫球變形較大, 即在距中心最遠的 錫球所受應變最大, 最易破壞。因此, BGA四個角上 的錫球斷裂情況最嚴重。
熱膨脹系數(CTE)不匹配使焊點承受過大的應 力, 是造成BGA斷裂的主要原因之一。
A
A
B
B
C
C
D
D
E
E
F
F
G
G
H
H
I
I
J
J
K
K
L
L
M
M
N
N
O
O
P
P
Q
Q
R
R
S
S
T
T
U
U
V
V
W
W
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2. 將拔開樣品的PWB面與BGA面放到顯微鏡下,
1 A
Z
26
PWB BGA
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小結
經過HALT, TCT可靠度實驗後，BGA斷裂情況更 加嚴重。焊點失效的主要原因，是由於BGA和PWB兩 者間的熱膨脹系數不匹配造成的。當溫度從一個低的溫 度向一個高的溫度或者從一個高的溫度向一個低的溫度 變化時，由於焊點上下的材料的熱膨脹系數不同，焊點 受到周期性的剪切應力應變，導致焊點發生斷裂的可能 性大大增加。
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三. BGA錫球斷裂位置對比
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BGA錫球位置模擬
1 中心
邊界
8
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各錫球之平均應變能量密度
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3. 使用Flux Remover清洗元件, 等待清洗劑完全揮發至干
燥。
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4. 用注射器汲取紅墨水, 緩慢的從元件一角注入, 當看到 對角有紅墨水滲出時, 再換另外一角進行注射, 同樣以 看到注射角之對角有紅墨水滲出為准。
5. 注射完畢後, 將整個PCB板放入烤箱中, 抽真空至 40cmHg的位置, 並將設定溫度調節至100攝氏度, 當 實際溫度達到100攝氏度時開始計時, 烘烤時間達到一 小時或者更久, 確定墨水已經完全干燥後, 方可取出樣 品板。
T
T
U
U
V
V
W
W
X
X
Y
Y
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Z
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1 A
Z
26
PWB BGA
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經過TCT 實驗後的BGA樣品
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
R
R
S
S
T
T
U
U
V
V
W
W
X
X
Y
Y
Z
Z
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 A
Z
26
PWB
BGA
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經過HALT實驗後的BGA樣品
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BGA錫球斷裂位置分布原因
目前, BGA制程的主流為, 利用覆晶微錫球經 回流焊過程, 與硅基板相連。錫球遇熱而產生應變, 就是由熱膨脹系數(CTE)匹配誤差而造成的。錫球 與錫球上下方的基板或晶片間的熱膨脹系數差異, 與錫球在封裝體中的位置有關。
上圖中, X軸代表由BGA的中心向外側分布的8顆 錫球, Y軸代表錫球的平均應變能量密度。當整個封 裝體受熱膨脹時, 位於錫球上方及下方的材料會因熱 膨脹系數(CTE)匹配的差異而產生相對位移。在BGA 中心處的內側的錫球變形較大, 而外側的錫球變形較
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6. 取出樣品板後, 去除元件周圍粘土, 不能殘留碎屑, 以免 污染元件拔開之後內部的錫球。
7. 將元件從樣品板上切下, 用鉗子夾住元件周圍的PCB板, 用適當力量扭動, 讓元件翹起一角或一邊, 此時可以用鑷 子勾住翹起的邊或者角, 向上掀起, 直至元件萬全脫離樣 品板為止。
0.0 0.0 10.45 0.0 100.0
Crack Size Type 0 Type A Type B Type C Type D Total
Number 377 4 4 10 26 421
% Total 89.55 0.95 0.95 2.37 6.18 100.0
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注意對應。
1
23
A
W
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3. 信息判讀
(1). 焊點斷裂位置分類
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(2). 焊點斷裂大小分類
Type 0 = No cracks observed Type A = Crack size percentage between 1 – 25% Type B = Crack size percentage between 26 – 50% Type C = Crack size percentage between 51 – 75% Type D = Crack size percentage between 76 – 100%
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沒有經過任何處理的BGA樣品
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ADB
A
B
A
A
BCDCDC
D
B
B
B
C
BBCB
A
AB
BC
DAD
A
A
CD
E
E
F
C
F
G
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Fracture Type No fracture Type1 Type2 Type3 Type4 Total
Number 377 0 0 44 0 421
% Total 89.55
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
ADDAA
DADDA
BD
CDB
CD
DC
DC
D
EA
E
F
F
G
G
H
H
I
I
J
J
K
K
LB
L
M
M
N
N
O
O
PB
P
QD
Q
Rwenku.baidu.com
R
S
C
S
TC
DDD T
U
C
DDU
V
BDDDDDDV
WD
C
CBC
C
DC
D D DW
如果發現Failure Joint, 判定好斷面屬於哪一種 Type以及斷裂的程度, 在Matrix Chart對應的位置塗上 該Type對應的顏色並寫出斷裂程度。
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例如：
在B2位置, 該位置錫球有0%~25%程度的斷裂且斷裂 類型為Type 3, 則對Matrix Chart 做如下修改：
A
A
AAAA
A
B
B
A
A
B
CB
B
BBC
DAA
AA
D
E
A
AAE
FA
AA
F
G
G
H
B
H
I
I
J
J
K
K
LA
L
M
M
N
N
O
O
P
P
Q
Q
R
R
S
A
S
T
BT
U
U
VB
A
BV
WA A
B
W
XB
B
A
X
Y
A
AY
Z
CA
AAAZ
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A
A
B
A
B
C
C
D
D
E
E
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F
G
G
H
H
I
I
J
J
K
K
L
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M
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N
O
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P
Q
Q
R
R
S
S
T
T
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(3). 錫球斷裂舉例
舉例一
No Crack
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PWB Side
舉例二
BGA Side
Type 1
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PWB Side
舉例三
BGA Side
案例分析
一. HALT實驗對BGA錫球的影響
HALT(High Accelerated Life Time Test) conditon: Temperature：-100 ℃ ~ +200 ℃ Temperature change rate： Max. 60℃ /minute Vibration：Multi-Axis Repetitive Shock Axes excited：3 Linear, 3 Rotational Vibration frequency range： 2 Hz ~ 10000 Hz
Type 2
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PWB Side
舉例四
BGA Side
Type 3
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PWB Side
舉例五
BGA Side
Type 4
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(4). 信息紀錄
判定Failure Joint, PWB Side與BGA Side必須 有較為吻合的紅墨水印作為佐證。
ADB
A
B
A
A
BCDCDC
D
B
B
B
C
BBCB
A
AB
BC
DAD
A
A
CD
E
E
F
C
F
G
G
H
B
H
I
I
J
J
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S
TA
T
U
CU
VA
B
A
V
WA BC
B
B
W
X
C
C
X
Y
B
Y
ZA
B
Z
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沒有經過任何可靠度的BGA樣品
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A
A
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B
C
C
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E
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I
J
J
K
K
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M
N
N
O
O
P
P
Q
Q
R
R
S
S
(5). 立體顯微鏡下的錫球斷面
PWB Side
BGA Side
此為錫球與PWB端 的Pad間的斷面
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PWB Side
BGA Side
錫球斷在此面, 此為 PWB端與Pad之間的 玻璃纖維
此為錫球與PWB端 間的Pad
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沒有經過任何可靠度的BGA樣品
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A
A
A
AAA
B
A
B
C
C
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D
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PWB BGA
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二. TCT實驗對BGA錫球的影響
TCT(Temperature Cycling Test) condition: Temp. range: -70℃ ~ +150℃ Humidity range: 10%~95%(RH) Ramp Rate: 15℃/minute
無鉛製程之可靠度檢驗 手法與案例探討 (Dye-Pry)
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Dye-Pry 作業流程
一.樣品准備於處理
1. 確認需要進行紅墨水試驗的樣品, 拍攝樣品實物照片與 X-ray照片, 依據X-ray照片畫出相應的Matrix Chart。
2. 在PCB板上用粘土圍在需進行紅墨水試驗的元件四周, 呈堤壩狀, 以防止紅墨水溢出。