BGA焊点枕头效应案例分析

BGA焊点枕头效应案例分析
中国赛宝实验室可靠性研究分析中心
邱宝军 邹雅冰
1 案例背景
委托位所送的样品为焊接后的PCBA 1块，委托单位反映该样品上某BGA存在焊接不良，失效比例为0.5%左右，要求分析导致BGA焊接不良的原因，并协助给出相应的控制措施。

2 分析过程
2.1总体思路
在本失效分析案例中，由于只能初步确定在BGA位置存在焊接不良，具体是何种不良则没有明确，另外考虑到失效比例只有0.5%，且送检的失效样品只有一块，因此失效分析的关键是首先大致确认失效的模式。

由于BGA焊点外观检查很难进行，且样品只有一个，因此大致的思路为：首先利用外观检查分析其余位置的焊点看能否找到一些可能和失效相关的特征，同时利用X-射线等方式查找BGA焊点的特征，在初步确认失效的可能模式后，利用金相切片和电镜等手段进行验证，然后综合上述检测信息给出分析结论。

2.2 X-射线检查
首先对失效的PCBA进行外观检查，发现其他器件焊点均润湿良好，没有明显的不润湿或者变色的痕迹，表明PCB以及焊料等应该没有明显的问题。

对失效的BGA进行X-射线观察，发现BGA所有的焊点的X 射线照片存在明显的双球阴影现象，导致此类阴影现象往往和BGA焊球和PCB焊盘之间润湿不良有关，X 射线结果见图1。

另外从图1还可以看出，基本上所有焊点的阴影都在同一侧。

图1 焊接不良BGA器件X射线照片
2.3 金相切片分析
为了进一步确认BGA焊点焊接状况，特别是阴影部位的焊接状况，对BGA器件的外围焊点进行切片分析。

BGA器件外围焊点的金相切片分析结果表明，外围焊点均存在一定的偏位情况，其中7个焊点的偏位明显。

金相切片的结果见图2和图3。

图2 偏位轻微一点的焊点照片
图3 严重偏位焊点照片
从金相照片分析，在焊球与锡膏不融合的界面，很可能存在锡膏中助焊剂的残留物，需要采用
SEM&EDS进一步进行确认。

2.4 电镜及能谱分析
对失效焊点截面进行SEM&EDS分析，发现：焊点中，焊球与锡膏完全不融合，不融合的界面之间夹裹物质的主要元素与焊点周围助焊剂残留物的主要元素相同，均包含C（碳）、O（氧）、溴（Br）、Ci （氯）等元素；锡膏与PCB焊盘焊接良好，已经形成了明显的金属间化合物（IMC）。

结果见图4。

2.5 综合分析
在失效样品上的BGA器件的分析中发现：BGA焊点中存在完全开裂失效的焊点，表现在BGA焊球与锡膏不润湿的“头枕效应”，正是这种焊接不良导致了器件的功能失常。

同时发现，BGA焊点均存在较为严重的偏位不良，而发生“头枕效应”完全失效的焊点的偏位程度显然最大，未完全失效的部分焊点中也存在BGA焊球与锡膏局部不融合的现象。

在不融合的界面中，发现夹裹与焊点周围助焊剂残留物在成分上基本相同的物质，说明很可能是助焊剂的残留物阻碍了焊球与锡膏的融合。

此外，锡膏与PCB焊盘之间焊接良好。

在焊接过程中，由于严重的偏位，BGA焊盘上的锡膏很可能在未接触到对应的BGA焊球时就开始熔融形成焊点，在这个瞬间，助焊剂残留物将从锡膏焊点表面排出并在焊点表面形成一定的覆盖，若此时的锡膏焊点才与对应的BGA焊球相遇，锡膏焊点表明的助焊剂残留物已经无活化性能，必然会阻碍BGA焊球与锡膏焊点的融合而形成“头枕接触”的假焊效应。

3 分析结论
通常，在BGA器件的焊接过程中，由于焊球或者锡膏的抗氧化能力不足导致焊料和焊球无法结合是导致枕头效应的主要原因。

但是在本案例中，锡膏和焊球都不存在明显的问题，只是由于BGA器件在贴片过程中存在明显的偏移，引起在回流焊接时BGA焊球无法和焊料进行有效的接触，焊料和BGA焊球在焊接过程中发生了明显的氧化现象。

锡膏中的助焊剂覆盖在焊球和焊料的表面去除氧化物，在焊接进行的后期，失去活性的助焊剂覆盖在焊料的表面，从而导致的焊料和焊球无法结合，形成枕头效应，并最终导致BGA器件失效。