大尺寸BGA器件側掉焊盤問題分析

本文通過對BGA器件側掉焊盤問題進行詳細的分析，發現在BGA應用中存在的掉焊盤問題，并結合此次新發現的問題，對失效現象進行詳細的分析和研究，最終找到此類掉焊盤問題的根本原因，并提出改善措施。從驗證結果看，通過改善措施可有效避免此類掉焊盤問題的發生，同時通過制定設計和選型規則，也可有效避免BGA器件再發生類似的應用問題。

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

怎么發現和解決解決這些問題，是工藝改善的難點。本文從BGA掉焊盤的案例的細節出發，發現并找到失效的根本原因，通過復現失效現象和驗證改善措施的有效性，以解決此類問題，并避免后續新選型的元器件再發生此類問題。

概述

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

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

為解決當前此基帶芯片的掉焊盤問題，找到掉焊盤原因，避免新開發型號及后續型號基帶芯片的使用再出現類似問題，進行本次掉焊盤問題的分析研究。

試驗說明

試驗方案

1）根據失效現象，尋找掉焊盤的原因及具體工序，并驗證找尋工藝參數。

2）根據業內了解的信息，了解可采用的工藝改善措施。

3）對新款BGA芯片進行改善及評價改善結果。

試驗流程

失效檢查

通過對失效樣品的顯微檢查，發現此款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，如下圖，其中有些Cu環已經被拉出，可看到明顯的阻焊破損。結合此現象，初步判定焊盤中心部分已經被溶蝕掉，并可能同時還承受了一定應力。

進一步觀察發現：在芯片中心區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。

復現失效現象

結合以上的新發現，基本可判定此次問題是由于焊盤溶蝕，為進一步驗證猜測的準確性，我們做了如下實驗（在相同高溫下，進行不同時間的加熱實驗）：

1）實驗條件

2）樣品準備

將實驗板進行125 ℃、48 h烘烤后，采用自動拆卸設備取下芯片，并進行人工除錫、清洗后，選取9塊外觀良好、無起泡、掉焊盤的芯片進行植球實驗。

實驗設備采用的是BGA植球焊接臺，實驗參數如上表所示。

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

實驗結果：

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

2）進一步觀察發現：機械損傷樣品（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。機械損傷導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咬蝕導致的掉焊盤會保留綠油覆蓋下的部分，形成"銅環"，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

根據此次驗證，可判定此次BGA芯片的失效模式以溶蝕為主，機械損傷為輔的失效模式。

改善方向

根據以上實驗小結，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間。

2）引入自動化返修，精確控制高溫時間，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）自動化除錫/返修設備（控制時間和接觸）

芯片自動拆卸：由于機械磨損導致的掉焊盤容易發生在除錫階段，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有關。

真空除錫：通過夾具固定芯片，先通過加熱氣嘴吹熱風加熱芯片，當芯片上的殘錫充分熔化后，加熱氣嘴的熱風氣流突然增大，且固定芯片的夾具向加熱氣嘴方向移動，增大的氣流依次吹去焊盤上的殘錫。整個過程中僅有氣流吹過焊盤，避免了現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，從驗證結果顯示，也確實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，從機理上講容易導致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。

驗證結果

經過以上改善，掉焊盤率降為5%，相比原來手動拆卸時的23%，失效率大大降低。

總結

通過此次研究，發現了一種新的失效模式。并在此失效模式基礎上，提出了更科學的元器件設計和使用規則。為后續BGA芯片封裝應用設計，提出了新的需求指標，避免后續同類失效模式的發生。

當發生元器件掉焊盤時，我們需要仔細觀察失效現象，若屬于焊盤溶蝕問題，最主要就是從三方面著手解決：

1）縮短焊接總時間；

2）精準控制高溫時間，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。