FA失效分析丨BGA锡裂案例分析(经典)

文摘   科技   2024-11-23 23:53   广东  

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BGA 焊盘开裂失效分析案例

孙洪华老师

背景说明

BGA 焊盘开裂一直是 PCB&SMT 行业所遇到的多发生问题之一,它在于 SMT 组装后的完成品正常通电和信号测试工序的过程检测【非破坏检测方法】出来的概率极低,导致流出到市场端,使其产品出现开机失效,白屏等质量事故;为此,许多厂家为了改善焊盘开裂失效问题,临时措施常用的是采用点胶工艺来解决此问题,但此方法仍然有流出重大潜在质量风险;同时,芯片在点胶之后也给后续维修带来困难。

  本文对 SMT 加工后的“滚筒”,“跌落”关键可靠性检测工序中出现功能失效和客户市场端维修反馈的出开机失效和白屏等问题 PCBA 故障进行解析,分别从以下流程与工艺方面进行透析:

①产品结构设计 ②PCB 工艺设计,材料选用 ③PCB 生产流程 ④SMT 加工等的关键环节中的工艺参数进行分析[含部分实验],为产品研发设计行业,PCB 材料加工[材料耐热性,铜箔晶体],PCB 工程设计&制作过程,SMT 加工&组装,芯片设计与制造等五个行业提供了一种问题分析&解决途径,以便能快速查找问题根源并指定控制措施,以能彻底解决改善 BGA 焊盘开裂问题。

 

一、问题定义:

  BGA 焊盘开裂是指:PCB 在贴件后进行可靠性测试【滚筒、跌落】,及产品销售后市场端使用过程中受到外力脱落出现芯片与 PCB 焊盘分离现象;其分离位置主要表现在 Type I BGA 芯片的基材层,Type II BGA 焊盘与锡层,Type III 无铅锡球层,Type IV 无铅锡层与PCB 焊盘结合区,Type V PCB 焊盘与 PCB 的基材层(如图所示说明)的五个位置。

Type I BGA 芯片的芯片基材层与芯片焊盘分离不良写真



Type II BGA 焊盘与锡层



Type III BGA 芯片焊盘与 PCB 焊盘之间的锡层【拉拔后表面写真】

芯片拉拔后从锡球断裂写真


PCB 拉拔后从锡球断裂写真



Type IV 无铅锡层与 PCB 焊盘结合区



Type V PCB 焊盘与 PCB 的基材层:


二、手机产品全流程【简述】:

目前,随着 4G 通信产品的高速替换和功能多样化,芯片变化的功能也高度集中化,导致在 PCB 通信产品 PCB 焊盘尺寸变形小,焊盘的密度加大;同时,国际环保要求使用无铅锡膏替代有铅焊接工艺,使其回流焊的加工温度由 215℃增加到 248℃,高出 30 多度;焊盘变小和温度增加两项指标叠加后,在SMT 修理工序反馈终端市场投诉产品维修发现BGA 焊盘脱落;同时,在样品初期的滚筒和跌落测评估中,发现失效的原因多数是 BGA 焊盘开裂。

因此,整理手机产品从项目立项到产品最终完成的全部流程进行简述。

第一阶段 产品设计【常规】:

à01 主板方案的确定

à02 设计指引的制作

à03 手机外形的确定四

à04 结构建模

à4.1.资料的收集
à4.2 构思拆件
à4.3 外观面的绘制
à4.4.初步拆件
à4.5 建模资料的输出

à05 外观手板的制作和外观调整

à06 手机设计关键步骤之结构设计(MD)

à6.1 止口线的制作
à6.2 螺丝柱的结构
à6.3 主扣的布局
à6.4 上壳装饰五金片的固定结构
à6.5 屏的固定结构
à6.6 听筒的固定结构
à6.7 前摄像头的固定结构
à6.8 省电模式镜片的固定结构
à6.9 MIC 的固定结构
à6.10 MIC 主按键的结构设计
à6.11 侧按键的结构设计
à6.12 USB 胶塞的结构设计
à6.13 螺丝孔胶塞的结构设计
à6.14 喇叭的固定结构
à6.15.下壳摄像头的固定结构
à6.16 下壳装饰件的结构设计
à6.17 电池箱的结构设计
à6.18 马达的结构设计
à6.19 手写笔的结构设计
à6.20 电池盖的结构设计

à07 报价图的资料整理

à08 结构设计优化

à09 结构评审

à10 结构手板的验证

à11,模具检讨

à12 投模期间项目跟进

à13 试模及改模 

à14 试产

à15 量产。

说明从流程中发现有以下问题:

(1).没有产品结构与 PCBA 的应力测试或控制环节的评审; 

(2).没有产品终端疲劳性检测评估.


第二阶段 PCB 基材料生产流程:

01 铜箔生产流程: 

  目前国内外大都采用辊式阴极、不溶性阳极以连续法生产电解铜箔01à建液(生成硫酸铜液):

  在建液槽中通过对硫酸和铜料,在加热条件下的化学反应,并进行多道过滤,生成硫酸铜液,再用专用泵打入电解液储槽中。


02à电解(生成生箔):

  在专用电解机中,通过电解生成生箔的加工。电解机包括阴极辊筒、阳极半圆形铅锌板及电解槽等主要部件组成。在直流电的作用下,电解机内的硫酸铜电解液中的二价铜离子移向阴极辊筒界面处,又经还原反应生成铜原子,并聚焦结晶在不断转动的光滑的阴极辊筒的表面。


03à表面处理(粗化处理、钝化处理、光面处理):

  M 面:

  第一步是:通过镀铜粗化处理在毛面上形成许多小突点,再通过电镀固化,将这些小突点上再镀一层铜,把它们封闭起来。


  第二步:在粗化层上镀一薄层金属,建立钝化层。

  第三步:是在钝化层上喷射有机物形成耦合层。

S 面:
  在光面上镀上一种或以上的金属物和含铬化合物,以达到光面具有耐热变色性、焊料湿润性、防锈蚀性等性能。

 



2.1.2 铜溶解的基本原理:

  铜溶解过程是将处理好的铜料加入到溶铜槽内,铜料的表面积越大越好,铜料之间要有较小的缝隙,以增大反应面积。加入一定数量的纯水和硫酸后,通入压缩空气进行氧化化合反应,生成硫酸铜溶液。

其化学反应式为:

   2Cu+2H2SO4+O2=2CuSO4+2H2O

  铜箔厚度越薄,质量档次越高,要求电解液中的杂质含量越低。为了保证铜箔质量, 铜材的纯度必须大于 99.9%

2.1.3 生箔制造中的工艺参数:

(1). 电流密度 :

  目前生箔生产的电流强度在 20000A~50000A,电流密度为 5000A/m2~10000A/m2。电流密度的提高将使电化学极化及浓度极化增大,生成晶核数目增加,生箔结晶变细。

(2). 铜离子浓度 :

  电流强度增加,电解液的铜离子浓度也应相应增加,以保证电解需要。铜离子浓度越大,铜箔更加致密,其硬度、强度和延伸率均高。

(3). 硫酸浓度 :

  硫酸铜溶液电解时, 85% 以上的电荷靠加入硫酸的 H+ 传递, 生产上以含酸90g/L~110g/L 的硫酸铜溶液电解的生箔质量较好。低酸,则电流密度相对下降,易使材质疏松,延伸率下降;而含酸过高则铜箔硬度过大,变脆化,并增加对设备的腐蚀。

(4). 电解液温度 :

  升高电解液温度可提高电流密度:温度升高 10℃,极限电流密度可提高 10%。然而温度提高会降低会降低阴极极化作用,使结晶变粗,造成金属箔电导率、弹性、硬度及强度下降。所以在生产中温度不宜有大的波动,一般控制在 48℃~52℃。

2.1.4 后处理工序 :

►该工序主要有酸洗、粗化、固化、灰化与钝化、喷涂硅烷、烘干等过程 。

(1) 预处理[除油、酸洗处理]

  除去铜箔表面所生成的氧化层,油脂、汗迹等污染

(2) 粗化

  预处理后的铜箔,如果直接与绝缘树脂基板压合,铜箔与基板的粘结强度不高,容易脱落;为了增加铜箔与基板的粘结力,必须对铜箔与基板结合的毛面进行粗化固化处理。粗化处理就是在铜箔毛面电镀一层瘤状的铜颗粒,不仅能增加铜箔毛面的表面积,还能与绝缘树脂基板材料产生机械紧固作用。粗化后的铜箔若直接用于压板生产,由于瘤状的铜颗粒比较松散,粗化层往往会与毛箔基体分离。所以粗化处理后的铜箔还要进行固化处理。

(3) 固化

  固化处理就是在粗化层的瘤状颗粒间隙中沉积一层致密的金属铜,增大粗化层与毛箔基体的接触面,降低粗化层表面的粗糙度。微观上铜箔毛面粗化处理后,箔面凹凸不平,起伏极大,而经固化处理后铜箔表面较平坦。固化处理后,粗糙度虽有降低,但因增加了粗化层与毛箔的接触面积,导致处理层与绝缘基板材料的粘结强度却提高了,从根本上消除了处理层与毛箔分层的现象。

标准箔


经过粗固化处理后

 

(4) 在不同表面处理工艺时,出现了“葡萄状”与正常的铜芽晶体状;

特殊铜芽5000X


特殊铜芽3000X


特殊铜芽1000X


常规铜芽5000X


常规铜芽3000X


常规铜芽1000X

说明:磁脉冲形成葡萄晶体状特殊铜芽,其树脂层结合力更加紧密。


2.1 CCL 基材制作流程及特性说明:

2.2.1:常见工艺流程:


2.2.2: PCB 用基材的分类:

(1). 按增强材料不同(最常用的分类方法):

A.纸基板(FR-1,FR-2,FR-3),

B.环氧玻纤布基板(FR-4,FR-5)

C.复合基板(CEM-1,CEM-3), 

D.HDI 板材(RCC)

E.特殊基材(金属类基材、陶瓷类基材、热塑性基材等) 

(2).按树脂不同来分:

  A.酚酫树脂板,B.环氧树脂板,C.聚脂树脂板,D.BT树脂板,E.PI树脂板

2.2.3.环氧玻纤布基板(FR-4,FR-5)

(1). 环氧玻纤布覆铜板强度高,耐热性好,介电性好,基板通孔可金属化,实现双面和多层印刷层与层间的电路导通,环氧玻纤布覆铜板是覆铜板所有品质中用途最广、用量最大的一类。

(2). 在 NEMA 标准中,环氧玻纤布覆铜板有四种型号:G10(不组燃)、G11(保留热强度,不阻燃)、FR-4(阻燃)、FR-5(保留热强度,阻燃)。

  目前环氧玻纤布覆铜板中,FR-4 板用量占 90%以上,它已经发展成为可适用于不同用途环氧玻纤布覆铜板的总称;

本文所指定的基材均使用是 FR4 材料。

2.2.4 树脂体

基板材料生产过程中,高分子树脂(Polymer Resin)是重要的原料之一,根据不同类型的基板要求,可以采用不同的树脂,常用的有:酚酫树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛树脂,聚酯树脂以及一些特殊树脂如 PI、PTFE、BT、PPE。

2.2.5 基材常见的性能指标:Tg 温度

(1)玻璃化转变温度(Tg)

  目前 FR-4 板的 Tg 值一般在 130-140 度,和 140-160 度,而在印制板制程中,有压合/阻焊/干燥等工序的问题会超过此范围,对制品的加工效果及最终状态会产生一定的影响。因此,提高 Tg 是提高 FR-4 耐热性的一个主要方法。

  其中一个重要手段就是提高固化体系的关联密度或在树脂配方中增加芳香基的含量。在一般 FR-4 树脂配方中,引入部分三官能团及多功能团的环氧树脂或是引入部分酚酫型环氧树脂,把 Tg 值提高到 160-200 度左右。

以下是 DSC TG 测试示意图:

关键控制△tg2-△tg2=R 值小于 5 度。


(2)热膨胀系数(CTE)

  覆铜板的尺寸稳定性虽然和生产工艺有关,但主要还是取决于构成覆铜板的三种原材料:树脂、增强材料、铜箔。

通常采取的方法是:A 对树脂进行改性,如改性环氧树脂;B.降低树脂的含量比例,但这样会降低基板的电绝缘性能和化学性能;铜箔对覆铜板的尺寸稳定性影响比较小。

关键控制 CTE R 变化值小 3%,材料热膨胀系数越小越好。


(1). 材料的耐热性测试 TMA /T288

2.2.6 无铅化对印制板性能的新要求:

  代替锡铅焊料的无铅焊料,有锡银焊料、锡银铅焊料、锡锌焊料,锡铋焊料、锡银铋焊料等等。

  现在推广应用较多的是锡银铜焊料SAC305(95.5Sn/4Ag/0.5Cu),熔点在 217℃。

  这种无铅焊料的熔点比锡铅焊料(63Sn/37Pb)熔点 183℃,高出 34℃,无疑在焊接时温度要提高,印制板的耐温性也要提高。

  无铅焊料的焊接温度比通常锡铅焊料的焊接温度要高出 30℃-40℃,要求 PCB 基材玻璃化转化温度(Tg)高,耐热性好;也要求多层板层压与金属化孔可靠,不可出现受热分层或孔壁断裂。


 注:双酚 A 环氧树脂的化学结构及各种功能团的作用如图 1,正是因为结构中含有极性团环氧基、羟基和醚键,使双酚 A 环氧树脂具有较好的粘接性和力学性能


      1 双酚 A 环氧树脂的化学结构


在红色框内的分子团需要改善,才能满足 PCB 的耐热和强韧性不断无铅工艺温度

第三阶段 PCB 产品设计与生产流程:

3.1 常见 HDI 生产流程

01 客户产品资料评估à02 层结构设计à03 材料选用à04 MI 制作à05 产品生产【如下】


说明:

1.工程设计:焊盘的大小设计,阻焊开窗结构,铜箔型号选用;

2.在 PCB 制作过程中【红色框内工序】,PCB 焊盘结合力与树脂层的含量,树脂固化度,电镀铜厚【电镀参数】,阻焊印刷,E-TEST,OSP 加工等有关。

 

第四阶段 SMT 测试组装加工:

4.1 生产流程(简述);

01 钢网制作à02 A 面丝印锡膏à03 A 面贴件à04 A 面回流焊à05 B 面丝印锡膏à06 B 面贴件à07 B 面回流焊à08 基板分成型à09 PCBA TESTà10 PRE-UIà11 点胶à12 CIT 测试à13 Wireless testà14Surface&Function Testà15 成品组装。

4.2 关键控制:

A.钢网制作的数据偏移度,B.锡膏位置偏移度控制,C.回流焊温度匹配度不当, E.PCBA Set 拆 PCS 成型夹具撞伤,F.PCBA 测试与组装的治具不平和手取动作

 

三.失效问题分析:

基于上述手机产品的四个阶段,PCB BGA 焊盘开裂可能原因有以下方面

3.1 PCB 所使用的基材—铜箔影响分析

3.1.1 铜箔中铜芽状态的不同,与树脂材料压合后的铜箔结合力分析:

(1).试验目的:确认铜箔中的“葡萄状”与“普通状”不同形态,在与树脂结合后的差异性。(2).使用说明.材料类别:南亚 1/3OZ 铜箔/金居 1/3 OZ 铜箔

(3). 测试方法:两个厂家格 RCC 各 4PNL 测试样品,分别以普通和无卤 PP 压合 2PNL,在外层电镀分别以正常 HDI 行产条件电镀,然后各取 1PNL 进行加镀处理;线路蚀刻后 8PNL 样品各取 10 处位置(宽 0.5cm 线路)进行铜箔拉力测试;干燥条件:125℃,时间:2H.

(4). 判定标准:1/2 OZ≥1.07kgf/cm、1/1 OZ≥1.43kgf/cm。(5).测试结果:线路【线路宽度 0.5CM】如下表




从以上线路数据分析:

“葡萄状”特殊铜晶体的结合力比普通铜晶体结合力好。

3.1.2 铜箔中铜芽状态的不同,与树脂材料压合后的焊盘结合力分析: 

(1).目的:说明 3.1.1

(2). 测试方法:两个厂家格 RCC 各 4PNL 测试样品,分别以普通和无卤 PP 压合 2PNL,在外层电镀分别以正常 HDI 行产条件电镀,然后各取 1PNL 进行加镀处理;线路蚀刻后 8PNL 样品各取 10 处位置进行焊盘拉力测试, 干燥条件:125℃,时间:2H.

(3). 判定标准:≥10Mpa测试结果:

【焊盘】如下表:


从以上焊盘数据分析:“葡萄状”特殊铜晶体的结合力比普通铜晶体结合力好。

3.2 PCB 所使用的基材—FR4 PP所使用不同树脂体的影响分析FR4中的 HF无卤素与有卤素之树脂不同结合力对比

3.2.1 背景和目的.

2006-7-1 开始,所有进入欧盟区域的产品必须符合 ROHS&EU Directive 98/101/EC. 因此,为使公司生产的 PCB 能顺利进入欧美市场,将目前的”一般 FR4 CAF 材料”升级为”HF 材料”.并为了确保材料升级后PCB 各项性能测试能满足变更之前的要求,现对材料变更影响较大的:铜箔剥离强度进行对比分析.

3.2.2 试验设备及测试操作介绍.


①试验设备展示及测试方法说明:

② 实验条件方法:

A. 测试基板处理:在 145±5℃ 2.5H 干燥后自然冷却.

B. 笔直导体宽度 0.5 mm 以上,牵引剥离速度 50mm/min 从基板绝缘层上的铜箔进行剥离, 并保持拉力面与结合面 90°方向,位移 25mm 以上。

③ 判定标准:

根据 IPC1401/21 表,剥离强度为 1.07kgf/cm (即 7N/cm)以上为合格,并确认两种材料是否有差异。

3.2. 不同材料的剥离强度对比分析

3.2.1 问题陈述:

为检验供应商所提供的声明,两种材料存在一定差异,但是满足 IPC1401/21 中剥离强度所规定的要求:针对广州松下”一般 FR4 CAF 材料”与”HF 材料”,均使用到 P/N:6513-0015,

P/N:6513-0016 产品中进行正常制造生产。

对所生产产品剥离强度均值是否存在差异?且HF 材料剥离强度均值满足IPC 可接受标准吗?

3.2.2 对比检验陈述:

(1)现在需要判断两种材料分别使用铜箔厚度 12um,18um 时 PCB 剥离强度之间有无显著差异,置信度为 95%,测试数据如下,用双样本 t 检验进行分析。

(2HF 材料剥离强度是否满足 IPC1401/21 标准的最低要求:1.07kgf/cm。

3.2.3 测试数据:


ty Plot of 6513-0015 FR4 CAF 材料(18um) P-Value:0.098>0.05.

2). Probability Plot of 6513-0015 HF材料(18um) P-Value:0.261>0.05. 

3). Probability Plot of 6513-0016 FR4 CAF 材料(12um) P-Value:0.481>0.05. 

4). Probability Plot of 6513-0016 HF材料(12um) P-Value:0.129>0.05.


所测试的四组数 P-Value >0.05,符合正态分布.
2)用 MINITAB 软件检验均值:6513-0015 FR4 CAF(18um), HF(18um)对比分析

6513-0016 FR4 CAF(12um), HF(12um)对比分析


从以上数据确认,不同树脂材料对焊盘结合力有较大的贡献;同时,12um 铜箔与 18um铜箔的结合力相对条件下小约 0.2kg/cm。

3.3 PCB 电镀铜层的不同铜厚度的结合力试验:

3.3.1 实验目的:
测试实验:18um 铜箔分别在电镀铜(正常条件)23um 和加镀铜后 33um 焊盘结合力差异?
3.3.2 实验计划:
(1) 江铜 18um,长春 18um,两种铜箔分别使用有卤,无卤 PP 压合,然后分别正常电镀23um,加厚电镀 33um,测量焊盘结合力。
(2) 测试流程:压合—>铜箔减少厚—>电镀铜—>线路加工—>成型—>干燥—>拉力测试。
(3) 测试条件:50mm/min 分钟。
3.3.3 铜厚测量数据:

(1)铜箔厚度减铜后数据

(2)正常电镀铜后分析

(3)加镀铜后:说明长春 18um 有卤 1PNL 电镀掉板。

(4)线路 0.5mm 宽度,与树脂结合力测试数据

从以上数据分析,电镀铜厚(33um)比正常电镀铜厚(23um)的结合力好。

 

3.4 HDI 手机产品结构设计不足分析:

3.4.1 背景:

1某客户的俄罗斯终端市场投诉 BKH62178  产品出现约 7000PCS 不良,[总出货量为 600kpcs]为查询问题的并验证发生问题的原因,给后续产品进行改善提供依据,对不良产品结构进行分析;


2所投诉产品结构分析 

M9107(I120)M8510   


M8510


M8513(I158)


M8516(I121)


说明:在图纸中白色焊盘为 PCBA 另外面元器件焊盘,如下实物图(例)

3.4.2 实验方法及要求说明:

(1). 不同板厚, B 面带 T 卡与不带 T ,在低温-50 ,高温 60 度是否有焊盘脱离有关
(2)..PCB 样品:
A.P/N62178:板厚 0.80+/-0.08mm 数量 2sheet[15pcs], 
B.P/N64273:板厚 1.00+/-0.10mm 数量 2sheet[16pcs], 
C.P/N64274:板厚 0.85+/-0.08mm 数量 2sheet[16pcs]
(3). SMT 贴件要求:
A.P/N62178:板厚 0.80+/-0.08mm 数量==》12pcs.
【8PCS 不带 T 卡,4PCS 带 T 卡]
B.P/N64273:板厚 1.00+/-0.10mm 数量==》12pcs,
【8PCS 不带 T 卡,4PCS 带 T 卡] 
C.P/N64274:板厚 0.85+/-0.08mm 数量==》12pcs,
【8PCS 不带 T 卡,4PCS 带 T 卡]


3.4.3 试验检测项目:

1)高温(+60℃/4H)
A.水平切片:6pcs(三种板厚/ T &不贴 T /1pcs)
B.断面切片:6pcs(三种板厚/ T &不贴 T /1pcs) 
C.染色试验:6pcs(三种板厚/ T &不贴 T /1pcs)
(2)低温[-50℃/48H]
A.水平切片:6pcs(三种板厚/ T &不贴 T /1pcs)
B.断面切片:3pcs(三种板厚不贴 T /1pcs)
C.染色试验:3pcs(三种板厚不贴 T 卡/1pcs)

3.4.4 试验样品表观说明写真:





3.4.5 试验检测结果:

(1)高温(+60℃/4H)

A. 水平切片结果:均未发现有线路断现象;三种板厚贴 T 卡样品发现有掉焊盘(无功能)现象。


B:断面切片结果:未发现坑裂现象。


C:染色试验结果:均未发现坑裂(开裂模式Ⅴ)染色现象,具体结果如下:


(2).低温[-50/48H]

A.水平切片结果:均未发现有连接焊盘的线路断现象;1.0\0.8mm 板厚贴 T 卡样品发现有BGA 焊盘(无功能)开裂现象。


B.-50/48H 断面切片结果:未发现坑裂现象。


C. -50℃/48H 染色试验结果:均未发现坑裂(开裂模式Ⅴ)染色现象。

 

(3). 试验结论:

A. 贴 T 卡相对不贴更容易出现掉焊盘(水平切片表现最直观);

通过试验结果看出,板厚走上限 0.85mm 对掉焊盘问题有明显改善


3.4.6 高温试验后写真:[部分]

(1).高温试验水平测试位置示意图


各样品水平研磨后,代表性照片如下:

样品 1.5


样品 4.5


样品 1.7


样品 A7


(2) 高温试验(+60℃/4H)断切片结果:

A:各实验项目各取 1pcs 进行断面切片(先用树脂镶嵌,再取样)


B. 对各实验项目样品 CPU 区域铜厚进行测量,如下:


C:取各样品边缘排焊点位置,分 6 段对 CPU 及 FLASH 芯片厚度进行测量如下:


D. 取各样品边缘排焊点位置,分 6 段对 CPU 及 FLASH 焊接锡球高度进行测量如下:







(2) 高温试验(+60/4H)染色试验结果:

各实验项目各取 1pcs 进行染色试验,均未发现坑裂(开裂模式Ⅴ)染色现象,具体结果如下:


1--拼板号 1.1 样品 CPU 区域染色试验后代表性照片

     芯片在浸红墨水拉拔后写真          PCB 在浸红墨水拉拔后写真


PCB焊盘


芯片焊焊盘


3--拼板号 1.3 样品 CPU 区域染色试验后代表性照片

芯片在浸红墨水拉拔后写真          PCB 在浸红墨水拉拔后写真



3.4.2 低温试验后写真:[部分]

(1).低温试验水平测试位置示意图
样品 1.6


样品 4.6


样品 A8


3.1 芯片设计与制作不良分析:

3.5.1 取容易出现焊盘开裂的批次芯片 
CPU-MT6572A 1415/1420/1421/1423/1427 不同周期
&Flash-Samsung1422 周期的未贴件的芯片测量厚度
(1)测试位置标示示意图:


(1)芯片厚度测量值推移图:

从测量数据分析发现 CUP 在不同周期厚度 R 52un,Flash 厚度差为 57.4um,因无芯片厚度控制公差值,只能是判定芯片厚度变化大。
3.5.2 取容易出现焊盘开裂的批次芯片 CPU-MT6572A 1415/1420/1421/1423/1427 不同周期&Flash-Samsung1422 周期的未贴件的芯片在与 SMT 的回流焊的温度、速度参数下,模拟芯片的受热变化情况。
3.5.2.1 FLASH 不同芯在回流焊相同温度下变化:
(1) FLASH芯片同一位置X/Y坐标)在100℃,140℃,160℃,180℃,200℃,220℃,240℃, 250℃下不同五处位置温度下的变形曲线。


(2).芯片厚度测量值

(3)测量值厚度变化曲线图:

(4)FLASH 芯片受热厚度变化 3D 图【部分】:

(5)分析结论:
从以上数据分析:发现芯片本身无铅回流焊接过程中,由常温升到 150-160 度开始变化,后在 250 度降低常温其,变化最大 30um 

3.5.2.1 CPU 不同芯在回流焊相同温度下变化:

1)CPU芯片同一位置X/Y坐标100℃,140℃,160℃,180℃,200℃,220℃,240℃, 250℃下不同五处位置温度下的变形曲线。


(2)各周期样品5个位置不同温度下变形数据如下:
(3)各周期样品5个位置不同温度下变形曲线如下:


(4)CUP 芯片受热厚度变化 3D 图【部分】:

(5) 从以上数据分析:发现芯片本身无铅回流焊接过程中,由常温升到 150-160 度开始变化,然后在250 度降低常温其,变化最大 35um

3.5.3 芯片断面分析[从失效不良 PCBA 分析]

(1)不良样品外观如下:数量为 6pcs.[其中,A 生产 2PCS,红板 4PCS.]


(2) 断面切片结果发现:

 


(3)测量 CPU 厚度芯片间距与 PCB 整板厚度


(3) SR 下及焊盘下铜厚数据测量如下:


从失效的 BGA 焊盘开裂位置的所对应 PCB 焊盘的铜厚度,严重偏薄。




(3)在分析过程中发现芯片结构设计不匹配:
  A.在两端的蓝色框芯位置,内部位置金属层错位,导致在受热时变化不均匀。


NO.4 CPU 发现:焊盘 1618~21 有掉焊盘坑裂现象,焊盘 17 有焊锡开裂现象,焊盘 22盲孔被拉起,具体如下各照片:


(7)分析结果:


3.6 PCB 设计与制作过程导致 BGA 焊盘开裂:

3.6.1 工程设计不当【含客户设计】





分析说明:在 BGA 区有焊盘,但是所对应的 PCB 位置确没有设计焊盘,SMT 回流焊接加过程中,无铅锡球在 180℃时已经固化,但是 PCB 需要在 150 度【中 TG 树脂体系材料】以下才变硬化,因为所固化的锡球将芯片顶开,导致将 PCB 焊盘拉开。
 
3.6.2 压合时固化不足导致失效【客户反馈不良失效分析】
1)客户在滚筒测试后发现 10 台有 6 台出现开机不良,

失效位置表面写真,所点的胶已经被拉裂开。



(2) 断面切片观察:

焊盘开裂局部放大:


(3) 对失效样品断面测量 PCB 铜厚、铜牙、层结构及焊盘拉力测试,均合格

(4)TKH64280AO 滚筒失效不良样品 TGCTET288 检测:发现△TG=9.7 度,T288 耐热异常



(5) 分析结论:
  本次失效原因是:PCB 基材在压合工序时,其压合过程异常导致固化不足,在 SMT 回流焊时受到热膨胀异常拉开。

3.6.3 E-TEST 工序测试工序 [失效产品分析]:

PIN 异常导致 BGA 焊盘结合力变差,在 SMT 回流焊接受热时,芯片变形和无铅锡球变时将其 PCB 焊盘拉裂

对应位置的纵切片:

1、从底层铜芽看,明显高出 20um),但底层并无坑裂
2、焊盘呈现单边翘起情况

测试架压伤焊盘导致的重复性测试

测试方法:取 5SET 样品重新进行电测(使用测试架,测试压力 7Kg

测试结果:BGA  焊盘有扎伤(如下图,切片分析发现焊盘下方材料开裂,并焊盘有翘起

切片方向


从重复性测试结果看,与客诉反馈的不良现象相吻合,因此可以确定是电测压伤造成焊盘附着力降低,在滚筒测试是出现材料和线路崩裂,从而导致滚筒测试 NG;

3.6.4. OSP 加工工序咬蚀刻铜工序试验:
(1) 背景:
PCB OSP 生产线进行排查,发现放板区(自动吸板装置)10 分钟内有 5 次出现叠板现象;
(2) 目的:
叠板会在过酸洗时药水残留板面,硫酸会咬蚀 PCB 表铜,导致面铜变薄,BGA 区域出现掉点现象进行验证。
(3) 实验方法:

(4) 实验结果如下:单位 um.


PCB #6 放置 3 小时【加工过程中有叠板】铜厚度被蚀刻 11.95um,而#7 #8 放置4 小时铜后被咬蚀刻 5.32um

 

(5)实验前后对比切片图片:

3.7. SMT 加工不良:

3..7.1 
丝网尺寸与 PCB 焊盘开窗不匹配,两端严重错位:

以上不良现象说明:

芯片两端的锡向中间偏移,并将焊盘拉起。

3.7.2SMT 工序修理不良导致焊盘脱落:在芯片区域大盘芯片焊盘脱落。


3.7.3SMT 工序回流焊参数不正确异常导致 PCB  变形

PCBA 严重变形,导致芯片将 PCB 焊盘拉裂。


.手机产品设计与生产流程问题改善

4.1 手机产品设计控制:
(1) 将产品开发设计时尽量在 BGA 区的背面避开有固定的大件焊接,包括手动焊接区;
(2) 在设计过程中,需要评估所 PCBA 固定的耐疲劳度测试;
(3) BGA 焊盘 外围两排焊盘由圆形更改为椭圆,以增加焊盘结合力,如下示意图:

(4) BGA 焊盘 区域的阻焊窗由圆形更改为六边形,以确保锡膏在溶剂过程中有流动的空间,下图


4.2 PCB 设计与生产流程工序控制点:

(1)  PCB 外层压合使用铜箔的铜芽均匀性好及“葡萄状晶体”的铜箔;并且,在线宽允许的情况下,12um 铜箔更改为 18um 铜箔;
(2) 选用 FR4 材料耐热性强,CTE 膨胀系数低的材料;
(3) 在压合控制压合参数,并对所压出的产品进行 TG.,CTE 关键验证参数进行控制;
(4) 在电镀铜工序,确保铜厚度控制在 min25um 以上;
(5) 阻焊油墨前处理不使用砂带研磨,更改为喷砂加微蚀刻处理,减少对铜厚的影响;
6T-Test 工序需要控制测试治具的 PIN 寿命和变形,以及压力,减少测试针伤焊盘;
7OSP 加时,控制产品叠板及异常产品处理,防止铜被咬蚀刻而变薄;

4.3 SMT 加工:

1更改回流焊的条件,将之前温度 190 度到 130 度时时间为 12 秒更改为 30 秒【红色框降温区域】;减少芯片因温度剧烈变形导致焊盘拉裂;



(2)  PCBA 分板过程中的机台拿取工具进行改造,防止人员的手在取板时变形,从而拉伤焊盘与芯片的连接;

(3) 确认测试治具的平衡度,防止治具的 PIN 在测试时压变形,从而拉伤焊盘与芯片的连接;

(4)  PCBA 安装到手机壳内,防止因部分产品尺寸不匹配而强行按压组装,导致 PCBA 压变形,从而拉伤焊盘与芯片的连接。

 

4.4 芯片问题改善:

(1) 芯片的内部金属层结构需要调整到对称性;减少受热过程中芯片的剧烈变形;

(2) 芯片的整体厚度控制需要建立可控制的厚度,不要出现不同周期或不同批次的厚度波动大。 

五、结论

通过本次对手机设计,生产过程,组装过程的流程工艺研究,PCB 所使用材料【铜箔, PP 树脂成份等】特性研究,以及并对 CUP, FLASH 芯片的厚度扥结构及热变化特性进行研究,以对长期困惑 BGA 焊盘开裂不良现象得到了全面的检讨,导致失效原因有以下方面:

5.1 部分 BGA 芯片结构设计与制造过程控制不足:

从对芯片模拟回流焊接过程中,芯片的厚度由常温到高温,高温到常温时,的变曲度超时30um,再从 PCB 焊盘与基材料开裂解析报告中,PP 的树脂层被拉裂 30 um 裂缝,因此,芯片变形是基材被拉裂开的主要原因之一,而芯片变形主要有以下项:

芯片变形要因对策(建议)

A. 芯片的内部金属层结构设计不对称; à 在芯片设计时需检讨芯片的热应力

B. 外层的封装二氧化硅厚度差异大; à 对所封的二氧化硅厚度进行 SPC 控制C.BGA 焊接后的无铅锡球高度差异大;à 对芯片锡球厚度进行 SPC 控制


5.2. 手机结构设计的考虑不足:

A.没有考虑 PCBA SMT 加工,不同元器件,不同材料的耐热性在回流焊温度下,其 TG值变化所带来的热应力差异;

改善建议:建立不同材料【含芯片】在回流焊不同温度变化数据库,尽量避开在 BGA 盘区的背面区不能大吸热的元器件。


B.PCBA 在成品组装后的产品受到外环境下的疲劳,导致 PCBA 变形;

改善建议:对 PCBA 结构的固定进行改善,使其在后续使用过程变形小;特别是容易受到外力的 SM 卡和电池位置;


C. PCB 焊盘大小的结合力考虑不足

改善建议:在 BGA 区外围两排焊盘由圆形更改为椭圆形,以来增加焊盘结合力;


D.  PCB 焊盘大小的与阻焊开窗间距考虑不足,【未考虑实际加工过程中 PCB 焊盘与阻焊窗偏位】,在 SMT 工序的锡膏在回流焊时,锡没有足够流动区,变得锡球在固化后高度落差大,将焊盘或芯片焊盘拉裂。

改善建议:在 BGA 区焊盘区域的阻焊窗由圆形更改为六变形,以来给锡膏在流动固化过程中有足够的空间,减少锡球厚度差,从而减少锡球高度差导致的焊盘拉裂机率。


5.3 PCB 设计与制造:

A. 板厚设计与实际板厚差异大,导致设计板厚偏向下限,板在热状态下容易变形; 改善建议:在收集样品板厚,进行调整,满足板厚偏向规格上限。

B. 选材料时没有考虑 PCB 基材的耐热性,及基板的硬度;铜箔的铜芽形状对结合力的影响改善建议:选用耐热性和柔软性好的材料;及铜箔的铜芽均匀性好的材料-铜芽是葡萄状.

C. 压合工序:压合时的产生参数与基材匹配及过程异常控制失效。

改善建议:对每一种材料建立一个适合的压合程序;对生产压机过程的温度和压力及均匀度定义检测,发现异常时需及时调整;并定期对压合后的产品进行 TG/CTE/T288 键指标进行测量,同时,所测量的样品取样必须包括:上中下三层及前中后不同位置的样品,使用样品才有代表性.

D. 电镀铜工序:铜厚度不足【不均匀】及延展性不足

改善建议:控制铜厚度≥30um,【若线路间距 50um 时,可采用全板电镀铜+图像电镀工艺】每月定铜槽的进行铜延展性测试,发现异常及时调整。

E. 线路加工和阻焊印刷工序:前处理将铜研磨过度或蚀刻过度

改善建议:前处理有研磨更改为喷砂和微蚀刻处理,以减少铜被蚀刻变薄。

F. E-TEST: 测试因压力或变形将 BGA 焊盘压伤

改善建议:作业前对测试针床的压力进行检测调整;并在治具安装测试计算器,对测试治具进行寿命控制。

H. 0SP 加工工序:加工过程中卡板未及时处理; PCB 返工次数过多将铜被蚀刻。改善建议:建立异常产品处理作业管理办法,并控制返工次数不大于 2 次。


5.4 SMT 生产与检测 工序环节:

A. SMT 钢网偏位导致锡与 PCB 焊盘错位;锡膏厚度异常【不均匀,锡膏偏厚】钢网上锡膏停留超时导致粘度不足;锡膏解冻不足;



改善建议:对所印刷的锡球进行测量,并建立 SPC 控制方法;在生产前使用样品板印刷锡膏,过回流焊后进行锡球偏移动和高度进行测量;

B. 回流焊接段:回流焊温度与 PCB,芯片,无铅锡膏匹配不足;

改善建议:调整回流焊机的温度循环状态,然后调整降低段,确保 PCB 降温在 PCB 

TG 以下才自然降温。

C. PCBA SET 分解为 PCS 时成型工序:锣切机工作台和上下 PCBA 时使 PCBA 变形,导致芯片焊盘拉伤;

改善建议:使用自动气顶式拆卸工作台

D. 

PCBA O/S 测试工序:测试针床不平整,基板测试过程中变形,导致芯片焊盘拉伤; 改善建议:使用水平式测试针床。

E. PCBA 点胶工序:点胶偏位,下胶量控制失效。改善建议:使用自动点胶孔和夹具。

F. 测试失效后的修理工序:修理温度异常和操作不当导致;

改善建议:使用 BGA 自动拆卸台,并作业前对拆卸台温度进行测试,确保设定温度与显示温度一致。


5.5 PCB 原材料:FR4 材料耐热性和柔软性不能满足产品高速变化的性能需要改善建议:材料供应调整环氧树脂的耐热和延展性。

 

在未来关于 HDI 板的设计将更薄化,BGA 焊盘更小化,因此,需要产品设计研发者, 以延展性材料的开发,更加精细的 PCB 制造流程工艺控制参数,和 SMT 加工参数最佳优化度等关键环节进行更多分析与验证,并结合最小变异的芯片结构,使其能够 PCB BGA 盘的结合力之可靠性得到更好的提高,更能符合电子产品轻、薄、短、小的趋势,并满足市场对品质的要求

完结——以下无正文

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