1、3.BGA焊接時的CASE STUDYBGA焊接不良案例探討焊接不良案例探討說 明 產品經SMT迴焊製程後,發生BGA零件有Head-on-pillow的現象;切片照片如下圖所示.零件外觀觀察 利用實體顯微鏡觀察BGA零件的錫球表面,發現有部份錫球表面有黑色區域及凹痕,如下箭頭所示.零件外觀觀察 如下箭頭所示,一樣有部份錫球表面有黑色區域及凹痕.零件外觀觀察 如下箭頭所示,發現錫球表面有異常凸起狀況.零件SEM-EDS觀察分析 錫球表面正常SnAgCu成份,C、O含量也在10%以下錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有Si、S、Br 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象零件SEM-EDS觀
2、察分析 錫球表面正常SnAgCu成份,O含量有偏高的現象錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有S 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象零件SEM-EDS觀察分析 錫球表面正常SnAgCu成份,O含量有偏高的現象錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有Na、Br 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象零件SEM-EDS觀察分析 錫球表面正常SnAgCu成份,C、O含量有偏高的現象錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有Cl、Br 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有Br 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象零件SEM-EDS觀察分析 錫球表面正常S
3、nAgCu成份,O含量有偏高的現象,另有發現有少許Br含量錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有S、Br 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果有Cl 異常元素,且C、O含量有異常偏高的現象零件SEM-EDS觀察分析 錫球表面正常SnAgCu成份,O、O含量有偏高的現象錫球表面的黑色污染區域經EDS分析結果C、O含量有異常偏高的現象切片結果 01-200X02-200X06-200X05-200X04-200X03-200X02-400X08-200X07-400X07-200X09-200X09-400X14-200X13-200X12-200X11-
4、200X10-400X16-400X15-200X切片結果 SEM結果 SEM結果 SEM結果 SMT Scope 迴焊模擬-Profile 紅色線設定曲線 綠色線為實際曲線SMT Scope 迴焊模擬-only 零件 加熱前加熱前加熱至加熱至220加熱至加熱至230加熱至加熱至210SMT Scope 迴焊模擬-only 零件 冷卻至冷卻至235加熱至加熱至244加熱至加熱至240冷卻至冷卻至225SMT Scope 迴焊模擬-only 零件 冷卻至冷卻至215冷卻至冷卻至100從整個迴焊模擬過程中,零件本身在加熱過程中其變形程度不大.SMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 加熱前加熱
5、前加熱至加熱至220加熱至加熱至230加熱至加熱至210SMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 冷卻至冷卻至235冷卻至冷卻至225加熱至加熱至244加熱至加熱至240SMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 冷卻至冷卻至100冷卻至冷卻至215從整個迴焊模擬過程中,零件&PCB板在加熱過程中其變形程度不大,且其錫膏與BGA錫球有良好的wetting能力.SMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 加熱前加熱前加熱至加熱至220加熱至加熱至230加熱至加熱至21098.02.18 ProfileSMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 冷卻至冷卻至235冷卻至冷卻至225加熱至
6、加熱至24098.02.18 Profile加熱至加熱至245SMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 冷卻至冷卻至150冷卻至冷卻至215從整個迴焊模擬過程中,零件&PCB板在加熱過程中其變形程度不大,且其錫膏與BGA錫球有良好的wetting能力.98.02.18 ProfileSMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 加熱前加熱前加熱至加熱至220加熱至加熱至230加熱至加熱至21098.02.24 ProfileSMT Scope 迴焊模擬-PCB板&零件 冷卻至冷卻至235冷卻至冷卻至225加熱至加熱至24098.02.24 Profile加熱至加熱至245SMT Scope
7、 迴焊模擬-PCB板&零件 冷卻至冷卻至160冷卻至冷卻至215從整個迴焊模擬過程中,零件&PCB板在加熱過程中其變形程度不大,且其錫膏與BGA錫球有良好的wetting能力.98.02.24 Profile結 論 綜合以上的觀察、分析與實驗結果,可歸納以下幾點:1.零件錫球表面存在一些黑色污染物及凸球的現象.2.黑色污染區域經EDS分析結果其含有少量的Cl、S、Br、Na、Si等異常元素存在,且其區域C、O含量的比較也較正常錫球 表面含量高出許多;這可能是受到一些有機物的污染或清潔不 乾淨所造成.3.錫球表面凸起部份,可能來自於BGA零件植球製程中有異常的 狀況發生,或者是錫球內部存在氣孔,
8、造成凸起.4.從切片結果及SEM觀察結果,發現錫膏與PCB板間IMC有正常生 長成,所以應不是錫膏或PAD有發生焊接異常的現象.5.利用SMT Scope迴焊模擬結果,不管是零件本身模擬或是零件 與錫膏焊接都沒有發生零件或板子變形的現象,且錫膏與錫球 有良好的wetting能力.(實驗sample為少數,可能無法有效模擬 出問題點)說 明 NG SampleOK Sample客戶BGA零件保存一年後，發現錫球表面有霧化現象及焊接性變差的現象。如下圖外觀照片所示，客戶提供不良sample及最近生產之OK sample供分析。SEM觀察 NG SampleOK Sample從SEM觀察錫球表面外觀
9、，如下所示。可發現OK sample表面為較光滑之合金表面，屬於正常的Sn-Ag-Cu的合金凝固表面；但是NG sample表面卻產生凹凸不平的表面組織及許多黑色污染區域。SEM觀察 如上頁所述，NG sample 錫球表面經SEM放大倍率觀察下，其表面凹凸現象更明顯，且此現象存在於整個錫球表面周圍。EDS分析 NGOK利用EDS進行錫球表面之成份分析；在OK sample部份，其成份除了正常的Sn-Ag-Cu組織外，尚還有Br元素的存在；而在NG sample部份，成份除了正常的Sn-Ag-Cu組織外，尚另有Br、Cl等元素的存在。EDS分析 另外，再針對NG sample表面污染區域進行E
10、DS分析，其結果如下所示，其污染區域除正常成份外，還存在Cl、Na、S、Br、K等異常元素，且此區域之C、O比例也有偏高之現象。EDS分析 針對NG sample表面凹凸不平區域進行EDS分析，其結果如下所示，其區域除正常成份外，還存在Cl、Na、S、Ca等異常元素，且此區域之C、O比例也有偏高之現象。結 論 綜合以上之觀察與分析，歸納如下：1.在OK sample部份，錫球呈現較光滑的凝固組織表面，屬於正常之BGA表面；但是在成份分析結果，發現有Br元素的存在，這應該來自製程中Flux清洗不乾淨所殘留下來的。2.在NG sample部份，錫球表面呈現凹凸不平的異常組織表面，且錫球表面也存在許多遭Cl、Na、S、Br、K等異常污染的區域。3.由於NG sample已經製造經一年以上之時間，且表面又存在許多上述之異常元素；這些元素對錫球表面會有咬蝕的現象，再經過長時間下或存在條件不佳的環境下，此咬蝕之現象會加劇。之後也會造成焊接上的問題與其它焊點特性。建議在BGA植球製程後，做好Flux洗淨之工作，避免錫球表面殘留Flux或其它洗淨劑，造成之後焊接上的困惱。另外也請做好儲存環境的控管，避免加速上述現象的發生。
