大尺寸BGA器件側(cè)掉焊盤問題分析

本文通過對BGA器件側(cè)掉焊盤問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)在BGA應(yīng)用中存在的掉焊盤問題，并結(jié)合此次新發(fā)現(xiàn)的問題，對失效現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，最終找到此類掉焊盤問題的根本原因，并提出改善措施。從驗(yàn)證結(jié)果看，通過改善措施可有效避免此類掉焊盤問題的發(fā)生，同時(shí)通過制定設(shè)計(jì)和選型規(guī)則，也可有效避免BGA器件再發(fā)生類似的應(yīng)用問題。

隨著全新的無鉛制造工藝的導(dǎo)入，以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，導(dǎo)致大量無鉛電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性問題產(chǎn)生，出于降成本、高速等各方面的影響，材料和工藝也發(fā)生了一些變化，在這些變化下可能隱藏著發(fā)生了一些新的失效問題。

怎么發(fā)現(xiàn)和解決解決這些問題，是工藝改善的難點(diǎn)。本文從BGA掉焊盤的案例的細(xì)節(jié)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)并找到失效的根本原因，通過復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)象和驗(yàn)證改善措施的有效性，以解決此類問題，并避免后續(xù)新選型的元器件再發(fā)生此類問題。

概述

某通訊產(chǎn)品的基帶處理芯片，全年總共失效器件698個(gè)（高峰期大約每月更換器件數(shù)量116個(gè)），由于器件失效造成的金額損失高達(dá)130萬（平均每月21萬）。從失效現(xiàn)象看，主要表現(xiàn)如下：

由以上圖片可以看出：BGA器件側(cè)焊盤已經(jīng)脫落。焊盤的脫落可確定是造成本次失效率高的原因。

為解決當(dāng)前此基帶芯片的掉焊盤問題，找到掉焊盤原因，避免新開發(fā)型號及后續(xù)型號基帶芯片的使用再出現(xiàn)類似問題，進(jìn)行本次掉焊盤問題的分析研究。

試驗(yàn)說明

試驗(yàn)方案

1）根據(jù)失效現(xiàn)象，尋找掉焊盤的原因及具體工序，并驗(yàn)證找尋工藝參數(shù)。

2）根據(jù)業(yè)內(nèi)了解的信息，了解可采用的工藝改善措施。

3）對新款BGA芯片進(jìn)行改善及評價(jià)改善結(jié)果。

試驗(yàn)流程

失效檢查

通過對失效樣品的顯微檢查，發(fā)現(xiàn)此款BGA的Substrate采用的是SMD焊盤，掉焊盤的元器件大部分在阻焊下存在一層Cu環(huán)，如下圖，其中有些Cu環(huán)已經(jīng)被拉出，可看到明顯的阻焊破損。結(jié)合此現(xiàn)象，初步判定焊盤中心部分已經(jīng)被溶蝕掉，并可能同時(shí)還承受了一定應(yīng)力。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：在芯片中心區(qū)域焊盤的溶蝕面積較大，而靠近芯片的邊緣溶蝕面積較小。推測溶蝕具有一定的方向性，即由中心到邊緣。

復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)象

結(jié)合以上的新發(fā)現(xiàn)，基本可判定此次問題是由于焊盤溶蝕，為進(jìn)一步驗(yàn)證猜測的準(zhǔn)確性，我們做了如下實(shí)驗(yàn)（在相同高溫下，進(jìn)行不同時(shí)間的加熱實(shí)驗(yàn)）：

1）實(shí)驗(yàn)條件

2）樣品準(zhǔn)備

將實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行125 ℃、48 h烘烤后，采用自動(dòng)拆卸設(shè)備取下芯片，并進(jìn)行人工除錫、清洗后，選取9塊外觀良好、無起泡、掉焊盤的芯片進(jìn)行植球?qū)嶒?yàn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是BGA植球焊接臺，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如上表所示。

注：對其中的3#樣品進(jìn)行如下特殊處理：制作焊盤溶蝕后，在機(jī)械應(yīng)力拉拔作用下的樣品。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1）260 ℃下對此基帶芯片進(jìn)行長時(shí)間加熱確實(shí)會引起焊盤的咬蝕，出現(xiàn)溶蝕的臨界時(shí)間應(yīng)該略低于10 min（從2號樣品開始出現(xiàn)焊盤溶蝕，7、8、9號已經(jīng)出現(xiàn)焊盤大面積溶蝕）。

2）進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：機(jī)械損傷樣品（3#樣品）與純粹Cu咬蝕樣品（8#樣品）兩種模式下焊盤脫落形貌不同。機(jī)械損傷導(dǎo)致的掉焊盤是一整塊焊盤的脫落，包括綠油覆蓋的部分，一般不會有錫殘留，且往往伴隨著綠油的破損。而Cu咬蝕導(dǎo)致的掉焊盤會保留綠油覆蓋下的部分，形成"銅環(huán)"，綠油無破損，且一般都會有部分錫/焊盤殘留，如下圖所示。

小結(jié)

根據(jù)此次驗(yàn)證，可判定此次BGA芯片的失效模式以溶蝕為主，機(jī)械損傷為輔的失效模式。

改善方向

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)小結(jié)，則改善此問題的方向：

1）管控回流、返修等所有工序中焊接的總時(shí)間。

2）引入自動(dòng)化返修，精確控制高溫時(shí)間，減少除錫過程的磨損。

3）更改BGA的Substrate的鍍層，阻止Cu層的溶蝕。

改善方案

結(jié)合以上分析的影響因素，尋找可以解決此類問題的方法，則可采用如下操作方法。

1）自動(dòng)化除錫/返修設(shè)備（控制時(shí)間和接觸）

芯片自動(dòng)拆卸：由于機(jī)械磨損導(dǎo)致的掉焊盤容易發(fā)生在除錫階段，主要是由吸錫線與焊盤的刮擦引起。通過采用真空除錫工藝，改善效果明顯；基本可避免刮擦引起的焊盤咬蝕，則掉焊盤只剩與維修次數(shù)有關(guān)。

真空除錫：通過夾具固定芯片，先通過加熱氣嘴吹熱風(fēng)加熱芯片，當(dāng)芯片上的殘錫充分熔化后，加熱氣嘴的熱風(fēng)氣流突然增大，且固定芯片的夾具向加熱氣嘴方向移動(dòng)，增大的氣流依次吹去焊盤上的殘錫。整個(gè)過程中僅有氣流吹過焊盤，避免了現(xiàn)在手工除錫過程中烙鐵和吸錫線對焊盤的摩擦。從原理上可減緩PAD的溶蝕。

另外，從驗(yàn)證結(jié)果顯示，也確實(shí)大大降低掉焊盤幾率如下：

2）更改鍍層（見少Cu的遷移）

改善前采用的是Cu上OSP的鍍層，從機(jī)理上講容易導(dǎo)致Cu向焊料的遷移；

改善后采用的是Cu上鍍NiAu鍍層，中間有一層Ni層，可阻擋Cu向焊料的遷移。

驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)過以上改善，掉焊盤率降為5%，相比原來手動(dòng)拆卸時(shí)的23%，失效率大大降低。

總結(jié)

通過此次研究，發(fā)現(xiàn)了一種新的失效模式。并在此失效模式基礎(chǔ)上，提出了更科學(xué)的元器件設(shè)計(jì)和使用規(guī)則。為后續(xù)BGA芯片封裝應(yīng)用設(shè)計(jì)，提出了新的需求指標(biāo)，避免后續(xù)同類失效模式的發(fā)生。

當(dāng)發(fā)生元器件掉焊盤時(shí)，我們需要仔細(xì)觀察失效現(xiàn)象，若屬于焊盤溶蝕問題，最主要就是從三方面著手解決：

1）縮短焊接總時(shí)間；

2）精準(zhǔn)控制高溫時(shí)間，并避免引入力的作用；

3）采用有中間阻擋鍍層，阻止Cu的遷移。