BGA器件失效机理、后果、分析手段与控制预防
去年下半年的时候抽空对DFM相关的内容做了大概的学习与了解，并在公司内做了一个简单的分享。其中一个topic是关于《BGA器件失效机理、后果、分析手段与控制预防》。我把我所学到的、所想到的所有可能导致BGA器件失效的机理都简单粗暴的列了出来，希望能给大家一个启发。
为了学习DFM，我找了很多的资料，借了几本书，还把工作熊的博客（http://www.researchmfg.com/）从头到尾看了个遍。这个ppt中出现的大部分图片也都出自于他的博客文章。对此工作熊表示由衷的敬意与感谢。
相关的内容在PPT里面已经有了详细的说明与解释，在此不再过多废话。
1. BGA失效后果
2. 失效分析手段
3. BGA失效机理
4. 控制预防
附内容大纲
1. BGA失效后果
- 断
- 短
- 虚
2. 分析手段
- 主流思路：
- X-Ray（3D X-Ray、CT）
- 渗透染红试验（破坏性测试）
- 切片（破坏性测试
- 其他方法：
- 显微镜观察（解剖镜、金相显微镜、 SEM ）
- 百格测试
- 锡球推力测试
- 应力测试
- 化金厚度测试
- Tg测试
- CAF测试
3. 失效机理
- 钢网厚度不足
- NSMD导致的锡膏流出
- 盘中孔未填平或过孔导锡
- 焊球破裂（破裂的五个位置，加热时间过长）
- IMC层断裂（加热时间过长、厚度过厚、成分不良、）
- 返修二次加热（IMC熔点高）
- Pb/NoPB混用、锡膏成分
- 焊盘脱落
- 升温速率过快或过慢
- 叠层问题
- PCB变形（高温、拼板、）
- 外界应力（过炉、插件、测试、锣板、组装、应用环境）
- 绿油厚度
- 错误的表面处理工艺
- PCB氧化
- PCB污染
- 阻焊层偏移
- 锡膏印刷偏移/贴片偏移
- 助焊剂含量控制不佳（类似Pb/NoPb混用导致温度不一致）
- 爆片、爆板、爆孔
- 地面积过大
- 破裂的五个位置
- 温区不均匀或升温太快（翘起）
- 钢网抬起曲线不佳
- 卤素污染
3.1钢网厚度不足(锡量不足)
- 厚径比/面积比
- 钢网加工工艺
- 化学蚀刻
- 激光切割
- 电铸成型
- 刷锡膏控制：
- 角度
- 力度（力度过小会导致短路+断路）
- 速度
- 脱模速度、脱模曲线
- 锡粉直径
3.2 NSMD导致的锡膏流出
- SMD: Solder Mask Defined
- NSMD：Non-Solder Mask Defined
3.3盘中孔未填平或过孔导锡
- 塞孔工艺：
- 不塞孔
- 绿油塞孔
- 电镀填孔
3.4 焊球断裂
- 断裂主因：焊球空洞
- 原因：
- 焊接时间过长
- 升温过快
- 爆孔
- 水汽进入
3.5 IMC层断裂
- IMC成分：
- 铜基底： Cu6Sn5、Cu3Sn
- 镍基底： Ni3Sn4
- 金基底： AuSn4
- 银基底： Ag3Sn
- 钯元素：PdSn 4
- 不良原因：
- 加热不足或时间不足：未形成IMC
- 加热时间过长或冷却速度过慢：Cu6Sn5→Cu3Sn
- IMC厚度过厚
- IMC成分不良：黑镍、金脆、富磷层
3.6 返修二次加热
- 熔点受诸多因素影响：
- 焊料成分比例
- 氧化物影响
- 锡膏使得焊料表面张力降低
- IMC熔点比焊料高约10度
3.7 有铅/无铅混用
- Pb熔点：183度
- SAC305熔点：217度
- SnBi合金：138度
- SnBiAg合金：178度
- 52In48Sn合金：120度
- 77.2Sn/20In/2.8Ag合金：114度
3.8 锡膏成分/助焊剂含量
- Ag：改善润湿性，加强焊点强度，提高抗疲劳性，但：含量过高（>4%）会变脆
- In：降低熔点，提高润湿性，但：贵
- Zn：降低熔点，但：会产生锡渣
- Bi：降低熔点，提高润湿性，但：会变脆
- Ni：提高熔点，防止IMC变劣，但：提高熔点
- Cu：提高刚性，提高焊点强度，但：提高熔点
- 助焊剂含量：影响表面张力，进而影响焊锡“熔点”
- 主流锡膏：SAC305、SAC0307
3.9 焊盘脱落
- 可能原因：
- 升温过快
- 水汽侵入
- 焊盘过小：使用了NSMD焊盘
- PCB的压合强度不足
- PCB的反覆高温维修
3.10升温速率过快或过慢
- 升温速度过快：
- 助焊剂沸腾
- 水汽爆板
- 塞孔爆裂
- 温度不均
- PCB板弯
- 锡膏塌陷
- 立碑
- 升温速度过慢：
- 助焊剂耗光
- IMC劣化
- 焊球空洞明显
- 锡膏氧化
3.11 过炉时PCB变形
- 原因：
- 叠层问题
- 高温下PCB形变
- PCB的Tg过低
- PCB厚度太小
- 拼板过多或拼板不良
3.12 外界应力
- 应力来源：
- 过炉形变
- 插件时
- 锣板时
- 测试时
- 组装时
- 应用时
3.13 绿油厚度
- SMD的绿油对板厚有影响
- 也要考虑丝印
3.14 表面处理工艺
- ENIG：BGA常用的工艺之一
- 优点：工艺简单、储存时间长、平整度尚可、
- 缺点：平整度不如OSP、结合强度不如OSP、成本高、工艺毒性大、黑镍/富磷风险
- OSP：BGA常用工艺之一
- 优点：平整度高、结合强度高、成本低
- 缺点：易氧化、工艺要求较高、储存时间差、焊点长期可靠性持疑
- 喷锡：
- 优点：成本低、焊接性能好
- 缺点：平整度差、第二面平整度极差、第二面可焊性差
3.15 PCB氧化、污染
- PCB氧化、污染原因：
- 接触空气时间过长
- 汗液接触
- 胶水沉积
- ENIG板P含量不足
3.16 阻焊层偏移/锡膏印刷偏移/贴片偏移
- 导致实际有效焊盘变小：
- 阻焊层偏移
- 锡膏印刷偏移
- 贴片偏移
3.17 爆片、爆板、爆孔
- 爆片：
- 水分沿着引脚与塑封材料之间的空隙侵入，氧化物将出口堵塞
- 爆板：
- CTE不一致导致应力不能承受
- 板材吸水：
- 树脂分子本身含水
- 树脂与玻纤之间吸水
- 树脂与铜箔之间吸水
- 板材孔洞藏水
- 爆孔：
- 升温太快
- 塞孔不佳
- 爆片、爆板、爆孔都会导致意料之外的破坏
3.18 地面积过大（受热不均）
- 受热不均会导致部分（往往是外侧）融化塌陷时，内部坚挺。倘若助焊剂不足以清除表面的氧化物或污物，在表面张力的作用下导致锡球集中于器件侧或PCB侧。
- 原因：
- BGA中心受热较慢，但BGA中心往往是VCC/GND。
- BGA旁边有较高的器件
- 未使用花焊盘
3.19 卤素污染、CAF
- 卤素会侵蚀金属线，导致断裂
- CAF导致相邻过孔弱导通
4. 控制预防
- 针对第三章节，找到失效根源，对症下药永远是最好的方法。
- 这里只提两种不同的后处理方法在应用领域的区别：
- Edge Bond：
- 主要用于解决跌落、冲击应力（抗冲击）
- Underfill：
- 主要用于解决热应力、装配应力（抗弯折）