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主板BGA開裂失效分析

 

背景：

 

客戶生產(chǎn)的主板上的BGA在第二次過爐后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，斷裂發(fā)生在組件側(cè)。故委托實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，以便找到失效原因。 

 

分析結(jié)果： 

 

1.熒光劑浸泡+冷拔+斷口分析結(jié)果，排除“金脆”引發(fā)BGA開裂的可能性。 

2.動(dòng)態(tài)翹曲度測(cè)試結(jié)果表明，PCB四連板在加熱過程中變形明顯，呈現(xiàn)中間下凹、左右兩邊上凸的形態(tài)。且其在冷卻完成后翹曲最嚴(yán)重。

3.開裂焊點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，開裂多發(fā)生在未植球的空白區(qū)域附近，且部分區(qū)域的焊點(diǎn)開裂更嚴(yán)重，與翹曲有一定的關(guān)聯(lián)性。綜合各測(cè)試結(jié)果，推測(cè)離PCB中間區(qū)域越近的BGA錫球，越容易產(chǎn)生開裂。 

4.原物料切片后發(fā)現(xiàn)部分錫球存在原始微裂紋。推測(cè)有原始微裂紋的錫球在焊接過程中，PCB板翹曲變形，使得裂紋擴(kuò)張，造成錫球開裂。 

 

失效癥狀：

 

BGA開裂 

 

根本原因： 

 

BGA原物料具有原始微裂紋，PCB在焊接過程翹曲變形，使裂紋擴(kuò)張，造成開裂。 

 

改善建議：

 

1.管控BGA在焊接過程中的翹曲。

2.嚴(yán)格管控BGA的來料品質(zhì)。 

 

 

客戶生產(chǎn)的主板上的BGA在第二次過爐后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，斷裂發(fā)生在組件側(cè)。

 

PCB表面處理為化鎳浸金。

 

 

對(duì)不良BGA進(jìn)行切片，在第4排錫球（Row4）發(fā)現(xiàn)有開裂，開裂發(fā)生在BGA側(cè)，裂紋沿著IMC擴(kuò)展，且斷口焊錫有重熔現(xiàn)象。推斷開裂和翹曲有關(guān)，可能發(fā)生在第一次過爐的降溫階段或者第二次過爐的升溫階段。

 

此外在斷口部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)有Au元素富集現(xiàn)象，需對(duì)“金脆”現(xiàn)象進(jìn)行排除。

 

 

冷拔+斷口分析

 

將主板浸泡在濃度為3%的熒光劑水溶液，抽真空，干燥后，對(duì)BGA位置進(jìn)行冷拔。在紫外光下觀察焊點(diǎn)發(fā)光情況，確認(rèn)開裂狀況。

 

 

對(duì)焊點(diǎn)開裂區(qū)域進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的Au元素富集，排除“金脆”引發(fā)BGA開裂的可能性。

 

 

對(duì)PCB四聯(lián)板進(jìn)行動(dòng)態(tài)翹曲度測(cè)試，結(jié)果如上所示。PCB在室溫即存在一定扭曲，中間下凹、左上角和右下角有一定凸起。

 

 

PCB四聯(lián)板在升溫過程中會(huì)逐漸軟化變形，呈現(xiàn)中間下凹、左右兩邊上凸的形態(tài)，一直到降溫結(jié)束，這種形態(tài)都沒有明顯改變。在最后冷卻到室溫時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)翹曲的極值。所以此PCB在第一次過爐后，冷卻完畢會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大翹曲。

 

 

對(duì)僅B面打件的小板進(jìn)行動(dòng)態(tài)翹曲度測(cè)試，結(jié)果如上所示。未發(fā)現(xiàn)明顯的翹曲變化。單獨(dú)的小板翹曲并不嚴(yán)重，小板上塑料件的存在也并未加劇PCB的翹曲。

 

 

對(duì)不良品的BGA錫球高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示BGA錫球呈現(xiàn)中間高兩邊低的現(xiàn)象，錫球高度受到了翹曲的影響。

 

BGA左側(cè)的錫球，裂紋多出現(xiàn)在左邊；右側(cè)的錫球，裂紋多出現(xiàn)在右邊。與翹曲有一定的關(guān)聯(lián)性。

 

 

對(duì)不良BGA錫球開裂狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，開裂多發(fā)生在未植球的空白區(qū)域附近，且部分區(qū)域（紅框位置）的焊點(diǎn)開裂更嚴(yán)重。

 

 

PCB四聯(lián)板在加熱過程中，中間區(qū)域（紅圈位置）會(huì)出現(xiàn)軟化下凹，變形明顯。

 

綜上推測(cè)：離PCB中間區(qū)域越近的BGA錫球，越容易產(chǎn)生開裂。

 

 

對(duì)1pcsBGA原物料進(jìn)行切片，發(fā)現(xiàn)部分錫球的邊角已經(jīng)有細(xì)小缺口或微裂紋。第一排25個(gè)錫球里有三個(gè)球發(fā)現(xiàn)微裂紋或小缺口。

 

小缺口區(qū)域有IMC生成，推測(cè)其產(chǎn)生原因可能和植球時(shí)的邊角退潤濕有關(guān)。

 

綜上，推測(cè)有原始微裂紋的錫球在焊接過程中，PCB板翹曲變形，使得裂紋擴(kuò)張，造成錫球開裂。

 

結(jié)論

 

1.主板的BGA 開裂發(fā)生在組件側(cè)IMC層且斷口有二次重熔現(xiàn)象。斷口部分區(qū)域有Au元素富集現(xiàn)象。

 

2.熒光劑浸泡+冷拔+斷口分析結(jié)果，排除“金脆”引發(fā)BGA開裂的可能性。

 

3.動(dòng)態(tài)翹曲度測(cè)試結(jié)果表明，PCB四連板在加熱過程中變形明顯，呈現(xiàn)中間下凹、左右兩邊上凸的形態(tài)。且其在冷卻完成后（255℃降至25℃）翹曲最嚴(yán)重。

 

4.開裂焊點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，開裂多發(fā)生在未植球的空白區(qū)域附近，且部分區(qū)域的焊點(diǎn)開裂更嚴(yán)重，與翹曲有一定的關(guān)聯(lián)性。綜合各測(cè)試結(jié)果，推測(cè)離PCB中間區(qū)域越近的BGA錫球，越容易產(chǎn)生開裂。

 

5.原物料切片后發(fā)現(xiàn)部分錫球存在原始微裂紋。推測(cè)有原始微裂紋的錫球在焊接過程中，PCB板翹曲變形，使得裂紋擴(kuò)張，造成錫球開裂。

 

·改善建議

 

1.管控PCB在焊接過程中的翹曲。

 

2.嚴(yán)格管控BGA的來料質(zhì)量。