1、 BGA不良分析、改善报告 史 泓基 目录 一 .概述 二 .BGA上线质量情况简介 三 .导致 BGA不良的各种原因分析、以及对应预防措施 四 .典型不良案例分析 五 .双面 BGA设计注意事项 跳转 跳转 跳转 跳转 一 .概述 当前 BGA（ Ball Grid Array球栅阵列封装 )在电子产品中已有广泛的应用，在我司实际生产应用中，由于物料不良、制程管控、返修难度高等因素，导致 BGA器件失效率高，严重影响产品质量，甚至影响我司高端产品开发进度。如何提升 BGA质量，已经成为当前 PCBA质量改进中首要课题。 本文主要针对 BGA失效原因及质量提升方法进行分析，并提供相应失效原因的
2、解决办法，为提高含 BGA元件 PCBA合格率提供技术参考。希望能为公司当前在生产制造含 BGA产品中遇到的问题，提供帮助。 BGA有不同类型，不同类型的 BGA有不同的特点，只有深入了解不同类型 BGA的优缺点，才能更好地制定满足 BGA制程要求的工艺，才能更好地实现 BGA的良好装配，降低 BGA的制程成本。 BGA通常分为三类，每类 BGA都有自己独特的特点和优缺点： 1、 PBGA（ PLASTIC BALL GRID ARRAY）塑料封装 BGA 其优点是： 和环氧树脂电路板热匹配好。 焊球参与了回流焊接时焊点的形成，对焊球要求宽松。 贴装时可以通过封装体边缘对中。 成本低。 电性能
3、好。 其缺点是： 对湿气敏感 以及焊球面阵的密度比 CBGA 低 2、 CBGA（ CERAMIC BGA）陶瓷封装 BGA 其优点是： 封装组件的可靠性高。 共面性好，焊点形成容易，但焊点不平行度交差。 对湿气不敏感。 封装密度高。 其缺点是： 由于热膨胀系数不同，和环氧板的热匹配差，焊点疲劳是主要的失效形式。 焊球在封装体边缘对准困难。 封装成本高。 3、 TBGA（ TAPE BGA）带载 BGA 其优点是： 尽管在芯片连接中局部存在应力，当总体上同环氧板的热匹配较好。 贴装是可以通过封装体边缘对准。 是最为经济的封装形式。 其缺点是： 对湿气敏感。 对热敏感。 不同材料的多元回合对可靠
4、性产生不利的影响。 二 .BGA上线质量情况简介 统计数据查阅附件： 从统计情况看： 1.试产机型 BGA不良率： 12.9%； 2.量产机型 BGA不良率： 0.85% 3.PCB板不同供应商之间存在差异； 4.OSP工艺直通率高于 ENIG工艺； 返回 对 BGA不良原因，我公司对 BGA焊接不良原因分析较少，缺乏必要的分析工具和材料。以下是赛宝实验室提供数据： BGA开裂占： 19%（ BGA本身可焊性） PCB上锡不良： 17%（ PCB焊盘氧化、污染、分层、漏电、腐蚀等） 焊点开裂占： 16%（贴装工艺、热撕裂、空洞、虚焊、 其他原因如： ESD、 MSD、设计等等占 48% 三 .
5、导致 BGA不良的各种原因分析、以及对应预防措施 导致 BGA不良的原因较多，根据前面的数据统计，主要影响因素依次是： 1.物料来料质量（ BGA物料、 PCB板、锡膏）、储存环境 2. SMT制程控制 3.PCB pad设计 4.人员操作、 ESD等其他因素 返回 1.BGA、 PCB板来料质量控制 a.BGA来料质量控制 BGA机器本身的失效或不良是导致焊接不良的一个潜在危害。 右图是未焊接使用的 BGA图片，焊球内部存在裂缝缺陷。这种裂缝将可能引起焊球与 BGA本体 PCB之间形成假焊。 这种问题，在不良分析中往往容易忽视，或找不出不良原因。 来料检验部门有必要对来料进行抽样，在显微镜下
6、检验确认。 返回 BGA焊接后 Ball与本体 PCB板分离在一定程度上与 BGA本体的质量不良有很大关系。 下图： b.BGA物料管控 导致 BGA本身失效的原因可以大致分为两类 : 静电击穿 和 因 MSD(潮湿敏感 )原因失效 两类。 所以在使用前及使用过程中要有相应的防护措施。 BGA物料储存防护措施 1） BGA 拆封与储存 （ 1） 真空包装未拆封之 BGA 须储存于温度低于 30 C，相对湿度小于 75%的环境，使用期限为一年。 （ 2） 真空包装已拆封的 BGA 须标明拆封时间，未上线的 BGA，储存于防潮柜中，储存条件 25 C、20%RH。 （ 3） 若已拆封 BGA但未上
7、线使用或余料，必须储存于防潮箱内 (条件 25 ,20%R.H.) ， 尽量抽真空包装方式储存。 2） BGA上线前使用需要烘烤 （ 1） 超过储存期限者，须以 125 C/8h烘烤 (若多次烘烤则总烘烤时数须小于 64h)，才可上线使用。烘烤在达到去潮的目的的同时，也加速导致 BGA球表面氧化，所以在确认物料没回潮的情况下，尽可能不烘烤。物料发到生产线，需要注意确认是否超过车间寿命，否则须要烘烤。 实际操作建议：最好每次只发几个小时或一个班需求的物料。 受潮的元器件过回流焊时，它所附带的潮气就会汽化，会出现焊球“ 吹孔 ” 、 ” 溅锡 ” 、锡珠、气泡等不良，影响焊接质量。 3.接触 BG
8、A的整个过程需要采取静电防护措施。 尤其是间接不是固定岗位的作业人员（包括技术、物料员、等等）， 必须禁止裸手拿料 。 c.PCB板来料、使用管控： 目前含 BGA的 PCB板采用的工艺形式较多是OSP（有机保焊剂）和 ENIG（化镍金）。我公司产品对两种工艺的 PCB都有使用。 两种不同工艺的 PCB，因为其本身的工艺特点，使用不当，会导致不同方式的失效。有必要分别予以详细介绍。 业界对含 BGA PCB工艺选用情况： 012345678P e r c e n t a g e o f V o i d sO S P T i n E N I G S i l v e r H A S LP a d
9、S u r f a c e F i n i s hOSP板储存、使用注意事项 一、 供应及储存条件 1. 供应商在完成 OSP制程后 , 在受管控的温湿度环境下 , 应在 12H内完成真空包装 . 在不受管控的温湿度环境下 , 则必须在 4H内完成真空包装 . 2.来料外包装箱的识别卡料号后面要有 ” (OSP)”字样。OSP PCB 来料应采用 真空 包装 . 3.仓库记录进料日期 , 按先进先出原则发料 . 4.PCB拆封前的 储存环境为 :温度 16 40 、 相对湿度 ：10 65。 5.符合上述 储存条件并 未 开 封的真空 包装储存时间最长为3个月 ，如超 超 3个月则必须由 IQ
10、C协助送回 PCB板供应商重工 OSP制程。 二、计划 &生产管控 1. OSP PCB生产必须于拆封后 24小时内完成 SMT， 生管计划 根据 SMT的工时排线 ,不得 超过规定时限。 2. 计划把握进料状况 . 料齐后才可以安排上线。 3. BGA一般布置在 PCB的 B面，先生产完 A面后， B面有机防护膜被高温破坏，所以，计划需要保证生产连续性， 要求 A面生产后， B面生产时间间隔不超过 24小时。 4. OSP工艺 PCB一般不要烘烤；如果回潮必须要烘烤，条件： 100 ， 4h。 5. 生产时不能一次拆很多包，使用完一包再拆一包； 6. 禁止裸手接触 PCB板内元件焊盘。 7.
11、 拆包前检查包装是否破裂，确认 PCB焊盘是否变色，如果变形，需要退回仓库，待供应商重工处理。 OSP工艺焊盘氧化不良图片 ENIG板储存、使用注意事项 ENIG PCB抗氧化能力强，所以储存环境要求不是很严格。一般储存要求，温度：2030 ，湿度： 4060%RH，拆包前可以保存一年，拆包后可以保存 3天。 ENIG工艺 PCB出现焊接不良，主要是 PCB板供应商的制程出现问题。如： Ni层涂覆不均匀， Au层表面裂纹导致焊接不良。 左图是 ENIG工艺 PCB焊盘 NI层存在裂纹，当有裂纹存在时，镍层的表面致密性差，后续浸金工艺中的酸液容易残留其中，致使 NI层腐蚀氧化，导致焊盘的可焊性不
12、好。由于焊盘的可焊性较差才导致焊盘与焊料之间润湿不良，不能形成良好的金属间化合物层。出现： “ 黑焊盘 ” 、不浸润等不良现象。 ENIG工艺 PCB焊盘原因不良图片： 为保证 BGA焊接良好，选择加工能力强的 PCB板供应商是须要的。 d.锡膏选择及使用管控 锡膏的优劣也是影响 BGA焊接的一个重要因素，选择锡膏常考虑以下几个方面： 良好的印刷性、可焊性和低残留物。 右图是锡膏残留物过多，会引发不良： 锡粉颗粒的直径选择也很重要，我们在选择时要从各方面因素综合考虑。由于 BGA的引脚间较小，丝网模板开孔较小，所以我们采用直径为 45mm以下的焊膏（ 3或 4号粉）。 焊锡膏使用注意事项 首先
13、，要保证所有的焊锡膏在 6个月已内，超过 6个月的焊锡膏严格意义上说是不能够使用了 .这是严谨的，不要抱着侥幸的心理 . 其次，焊锡膏使用前一定要在常温下回温 4-8H。 不能为了加快生产，焊锡膏没有回温到规定的时间就是用，结果出来的 PCB都有假焊的现象，并且回流后焊球内产生大量的气泡。 再次，不要给使用 24H之后的焊锡膏添加稀湿剂 .因为使用过 24小时的焊锡膏里的助焊剂挥发，不能有效去除 BGA ball、 PCB焊盘表面的氧化物，会导致氧化物隔离在焊接层之间，导致不能形成良好的金属见化合物。出现如 “ 枕头效应 ” 、假焊等不良。 最后需要强调：锡膏使用、管理要严格按照 “ 锡膏使用
14、管理规定 ” 操作。 小结 对 BGA、 PCB、锡膏的来料质量的严格把控，对提升BGA上线合格率有很大帮助。须确保以下三点： 1.选择高端的有质量保证的供应商； 2.对来料要进行必要的检验，保证上线质量； 3.BGA、 PCB板、锡膏来料储存、使用要符合工艺要求 。 2.SMT制程控制 在 SMT制程中导致 BGA失效的工艺环节和原因很多，比如 ESD、钢网开孔、锡膏印刷、贴片、回流焊接、炉温板制作等等，要想降低 SMT制程中 BGA的失效，需要在多方面进行全面控制。 返回 A.钢网 印刷的丝网模板一般采用不锈钢材料，开孔采用电抛光。由于BGA元器件的引脚间距较小，故而钢板的厚度较薄。一般钢板的厚度为 0.12 mm 0.15mm。 开孔方式一般开圆孔 ,所开孔尺寸可以按 PDA直径 1.1： 1开孔，保证锡膏量适当。 在印刷时，通常采用不锈钢制的 60度金属刮刀。印刷的压力控制有 3.5KG-10KG的范围内。压力太大和太小都对印刷不利。印刷的速度控制在 20MM/SEC-30MM/SEC之间，元器件的引脚间距愈小，印刷速度愈慢。印刷后的脱离速度一般设置为 1MM/SEC之间。另外， 印刷后的 PCB尽量在半小时以内进入回流焊 ，防止焊膏在空气中显露过久而影响质量。
