案例背景

PCBA元器件發生脫落現象，據此進行試驗分析，查找失效原因。

#1樣品BGA脫落;#2樣品BGA有微裂紋(未偏位);#3樣品FPC空板(未貼裝器件)。

分析過程

#1樣品

#1樣品外觀圖

剝離面分析

SEM剝離面形貌分析

#1-1：

#1-2：

說明：從表面殘留焊錫及斷面狀態分析，存在有河流花樣及解理臺階，判斷其為解理斷裂，即脆性斷裂。

EDS成分分析

說明: 對#1-1焊盤進行EDS分析，主要檢出Sn、Ni、P、Cu元素，其中P含量高達15%左右。

PCB鍍層的分析

PCB鍍層(Pd鈀)的分析：選取邦定芯片的一個pin位置，采用化學褪金后觀察Pd表面的晶格狀態。

說明：#1樣品褪金后Pb層的晶格狀態分析：晶格致密、平整，晶粒間無空洞或縫隙，無異常。

#2樣品

#2樣品外觀圖

1.外觀分析

#整體圖示

2-1號焊點

2-4號焊點

3-1號焊點

說明：#2樣品上側(靠近玻璃芯片處)的焊球(①、③)與基板起翹分離。②、④焊球未見明顯異常。

2.斷面分析

金相分析

說明： #2樣品的①、②焊點切片斷面金相分析，焊點① 焊球與焊盤開裂，呈分離狀態，開裂縫隙由外向內(芯片端→PCB邊緣端)變小。

SEM分析

#焊點①斷裂兩側狀態分析

說明：焊盤為SMD類型，從焊點兩側斷裂狀態可見，存在焊錫受阻焊膜壓迫形成臺階現象，以及焊錫與阻焊膜之間存在應力殘留的結構特征。兩邊緣開裂位置基本都在富磷層。

小課堂：BGA焊盤兩種定義方式

1.阻膜定義(SMD)：

焊盤的尺寸要比非阻焊掩膜大，再流焊接后，熔化的焊料球接觸阻焊掩膜。

主要問題是由SMD焊點產生的應力集中，這是造成焊點失效及可靠性變弱的起因。

2.非阻焊定義(NSMD)：

掩膜的開口要比銅箔焊盤大，所以在再流之后，焊料球不會接觸阻焊掩膜。

#焊點②焊接狀態分析：

說明：#2樣品的焊點②狀態良好，IMC層連續、均勻，平均厚度為1.58μm，富磷層0.17um。

EDS成分分析

說明: 對焊點①進行EDS分析，主要檢出Sn、Ni、P、Cu元素，其中富磷層P含量在10.5%左右，Ni層P含量在8.5%左右。

#3樣品

Ni/Pd/Au鍍層厚度分析

#Ni/Pd/Au厚度：

注：厚度單位為μm。

說明：從上記檢測結果可見：Au平均厚度：0.0925um;Pd平均厚度：0.0875um;Ni平均厚度：6.275um。

鎳鈀金工藝鍍層Au、Pd厚度一般要求在0.08μm左右，上記結果符合要求。

分析結果

綜合以上檢測信息，針對BGA焊點裂紋失效解析如下：

1. 通過對#1樣品BGA剝離后的斷口分析，有明顯的脆性斷裂特征(平整、河流花樣、解理臺階)，說明該斷裂是由應力導致的瞬時沖擊形成(原始狀態)。

2.通過對剝離面的EDS分析，P含量高達15%左右(#1樣)，切片斷面的分析，富磷層的P含量在10.5%左右(#2樣)，說明斷裂位置部分處于富磷層。

3.通過切片斷面的分析，斷裂界面出現在IMC層及富磷層，斷裂裂紋為上下契合狀，進一步說明了焊點是受到應力導致斷裂。同時，FPC采用SMD焊盤結構，焊盤上覆蓋的阻焊膜使BGA焊點與阻焊膜接觸的位置形成了應力集中點(同時也可能有焊接時的應力殘留未釋放)，在受到外部應力作用時，該位置易被突破。

分析結論：根據以上綜合分析，造成焊點斷裂的原因判斷為，FPC受到應力作用，同時BGA焊點位置由于SMD焊盤設計結構有應力集中的缺陷，從而造成BGA在受到一定程度的應力后出現裂紋失效。

改善方案

結合樣品的工藝流程分析，初步推斷超聲清洗工程可能存在應力作用。BGA類產品，對應力作用比較敏感。

FPC清洗時，BGA所處的不同深度、不同位置受到的應力作用可能不同。建議從超聲清洗工藝進行驗證排查，找到合適的清洗條件(頻率、溫度)。

新陽檢測中心有話說：

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審核編輯：湯梓紅