BGA 设计 制程 焊接问题分析
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Fig 3: Joint 1焊點切片放大圖
27
BGA 焊點開裂案例:---Pb 污染
28
BGA 焊點開裂案例:---Pb 污染
29
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
30
BGA 焊點開裂案例:---應力過大
對PCBA 測試&組裝過程進行Strain 量測
31
(BGA CRACK)造成IMC异常破裂的常間原因
32
PCB 厚度與應變量/應變率關係
33
增加BGA 可靠度( 減少Solder crack) :
OSP Surface finish for BGA pad
BGA 封裝的吸濕性.
9
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.
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
3
BGA package manufacturing process
4
BGA Cross-section:
5
BGA 錫球的成型方式
6
BGA 封裝的發展: PoP /Stack die 的目的?
7
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?
8
BGA 錫球的防潮要求:
第六个焊点
空焊点
50
DNMA-92 U6 Cross-section Inspection
51
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;
52
Q&A
53
Thank You
40
BGA 的不良類型----Void
41
BGA 的不良類型----Void 的判定標準
42
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. …….
43
BGA 的不良類型----Void 產生原因
從BGA solder joint 高度判斷reflow 溫度是否足夠.
17
BGA 的不良類型----原材不良 1. 缺錫球
2. 錫球的平整度
18
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)
10
BGA VIA Pad 與 PCB Pad 設計要求
11
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
12
BGA Pad 設計的差異: SMD or Non-SMD ?
54
24
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。
47
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
48
BGA 的”枕頭效應 ”:Head In Pillow Joint A19
PCB Side
49
Component Side
DNMA-92 U6 X-Ray Inspection
良好焊接MC 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
20
BGA 空焊原因: PCB Pad 拒焊 ( Pad 氧化或表面污染等因素)
21
22
BGA 不良檢測方法: 紅墨水實驗
23
紅墨水評估方法
25
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
26
BGA 焊點開裂案例:---應力過大 Joint 1 Component Side Crack
37
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。
34
增加BGA 可靠度( 減少Solder crack)的方法: 1. Underfill : micro BGA or CSP 1. Corner bond
35
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;
36
BGA reflow 過程蹺曲: Solder short & solder open:
44
BGA 的不良類型----Void 產生原因
45
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.
46
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
38
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.
39
BGA reflow 過程蹺曲: 注意: BGA warping 也會造成soldering open.
13
BGA Reflow 視頻
14
BGA 不良檢測&分析方法:
Side view
X-ray
CSAM
Cross-section
案例: PoP BGA (下層BGA) Open
15
BGA 製程不良: Mounting shift 置件位移 Open
16
BGA 製程不良: Reflow 溫度不足或時間不夠
27
BGA 焊點開裂案例:---Pb 污染
28
BGA 焊點開裂案例:---Pb 污染
29
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
30
BGA 焊點開裂案例:---應力過大
對PCBA 測試&組裝過程進行Strain 量測
31
(BGA CRACK)造成IMC异常破裂的常間原因
32
PCB 厚度與應變量/應變率關係
33
增加BGA 可靠度( 減少Solder crack) :
OSP Surface finish for BGA pad
BGA 封裝的吸濕性.
9
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.
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
3
BGA package manufacturing process
4
BGA Cross-section:
5
BGA 錫球的成型方式
6
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?
8
BGA 錫球的防潮要求:
第六个焊点
空焊点
50
DNMA-92 U6 Cross-section Inspection
51
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;
52
Q&A
53
Thank You
40
BGA 的不良類型----Void
41
BGA 的不良類型----Void 的判定標準
42
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. …….
43
BGA 的不良類型----Void 產生原因
從BGA solder joint 高度判斷reflow 溫度是否足夠.
17
BGA 的不良類型----原材不良 1. 缺錫球
2. 錫球的平整度
18
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)
10
BGA VIA Pad 與 PCB Pad 設計要求
11
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
12
BGA Pad 設計的差異: SMD or Non-SMD ?
54
24
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。
47
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
48
BGA 的”枕頭效應 ”:Head In Pillow Joint A19
PCB Side
49
Component Side
DNMA-92 U6 X-Ray Inspection
良好焊接MC 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
20
BGA 空焊原因: PCB Pad 拒焊 ( Pad 氧化或表面污染等因素)
21
22
BGA 不良檢測方法: 紅墨水實驗
23
紅墨水評估方法
25
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
37
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。
34
增加BGA 可靠度( 減少Solder crack)的方法: 1. Underfill : micro BGA or CSP 1. Corner bond
35
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:
44
BGA 的不良類型----Void 產生原因
45
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
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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.
39
BGA reflow 過程蹺曲: 注意: BGA warping 也會造成soldering open.
13
BGA Reflow 視頻
14
BGA 不良檢測&分析方法:
Side view
X-ray
CSAM
Cross-section
案例: PoP BGA (下層BGA) Open
15
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