[原创]手机主板BGA空洞分析报告 [复制链接]

当一切都有所限制时...做PE的还能干些什么呢...，只有优化PROFILE一条路了...，通常调整SOAK、REFLOW的PEAK-TEMP还是相当有效的...，但是别忘了IMC和晶格几何主要受什么条件钳制的（撇开绝大部分外来因素）...，优化PROFILE的目的是将VOIDS直径尽量减小并远离焊接界面...同时对其他器件焊接无重大影响...。

冷面的帖子集中选录几幅图片...其他的因素可观全文“Voiding in Microvia”...。

多谢老刘的资料提供,给了一个比较好的方向指引.
前天讲到要通过降低峰值温度来实验,后来同时又考虑到恒温温度过高会对润湿效果产生影响,所以一并做了轻微调整.现在的温度设定是:
140 170 165 165 165 185 225 255 从曲线来看,BGA点的峰值温度已经控制在236℃,外面的CHIP元件最高温度在239℃,整个峰值温度降低了3℃.＞183℃的时间在104S,＞217℃的时间在44-47S,175℃--180℃的时间控制在了19S,详细见附件的曲线图.

今天也去照了X-RAY,虽然没有第一类方案那么空洞少,但在有铅锡高和无铅无料这种混合工艺的状态下,我们应当想办法把空洞面积控制在可以接受的范围之内,而不能一味的为了解决空洞问题,而忽视其它可靠性的产生,比如过长过高的温度引起的焊点炭化,IMC太厚, 损伤元件等等.详细X-RAY图片见附件.

下周开始,我们将分阶段,分批次的导入此方案,并不定期跟踪观察实施结果.

还有一点值得提的是,我们在做X-RAY时,一定要预先设定好设备的参数,在开始照之前就不能随意改变.不然就得不到自己想要的对比实验结果.比如对辐射电压的调动和图象显示清晰程度的改动,都会影响空洞面积的大小.

相當不錯的資料與分析, 在此建議樓主不妨考慮
"再確認"一下報告中的"第一點", 下次再照X-ray
的時候帶一些還沒有焊在PCB上的BGA零件,
前面樓主所做的分析只是確認廠內生產線或倉庫
未將BGA拆封, 因此考慮BGA應該不會是自己的
生產線或倉庫處理不當所造成, 但也要考慮 BGA 在零件
封裝過程中, 殖球的時候就已產生, 因為BGA封裝
殖球後也會進一次迴流焊, 因此BGA殖球內的空洞
可能在零件封裝廠就已經造成, 但送到SMT生產線
使用前可能IQC也不一定會有X-ray設被先照一下,
如果樓主有興趣也用R-ray照一些未使用的BGA零件
確認BGA殖球本身是否就帶有空洞, 照出來的照片可以
傳上來再一起討論

想说IQC的曹先生已先一步了...，再补充一个问题...也就是在条件有所限制的情况下如何简易方式快速评估改进后的可靠性...，有个木质地板三次自由跌落的方法...亚洲人通常选1.5M的高度、欧洲人通常为1.7M的高度...，能通过...自然底气十足的说...，呵呵。

“BGA SnAgCu Solder Ball and SnPb Solder Paste”那幅图片想引起LZ足够的重视...，因为手机BGA的BALL实在的小...合金熔点横线与PEAK-TEMP所围成的三角区域就是IMC的所受到的能量面积...他决定了BALL的焊接界面和内部晶格的几何形状和密度层次...，另一点就是要严格限制Solder Paste中元素Bi的含量...在比较大的BALL中Bi并不其然...小BALL中就有可能降低整个BALL的机械强度了...因为晶格组分会形成炒米团的结构...呈现Sn-Pb-Bi犹如糖浆将Sn团粘合的奇观...这个类似现象在Sn-Bi合金焊点中常见到的...第一感觉就是脆、机械强度低...。

这种讨论很有意义的...后续什么问题可以继续...，建议斑竹将此主题升为精华...，呵呵。

曹老师所说极是，没有对来料BGA完全验证，不能一概排除，过几天与主板会一起验证，再把图片发上来。

目前我们公司对整机所做的跌落木质地板三次自由跌落的方法实验，是采用跌落机，条件是6面，1M跌落，钢质地板。请问下老刘对于主板的跌落实验条件是否一样？如果采用木质地板三次自由跌落的方法，个人认为其木质地板的厚度和构造会对测试结果产生重大影响，不能客观反映实际情况，最多作个参考。

还有一点，从图中可以看到在球与焊盘之间有一曾灰色带，难道这就是焊接后产生的合金层。这样的话它对于焊接强度的影响就比较大了，下图中的密度明显比上图大，那么在实际生产中我们有如何来限制Solder Paste中元素Bi的使用呢？

以上问题望两位老师再次详细指点下，嘿嘿。

上面的图你圈蓝的部分是NI层（因为放大倍数小...IMC并不清晰可见）...。

我说的自由跌落指整机...SO 1.5~1.7M（实际使用中常遇到的从耳边滑落时的情形）...也是定性分析...，在实验机上做跌落与主板质量有关...也是1M的根据并不冲突...，你不会把手机往水泥底上摔...那样PCBA不坏外壳也会裂的...SO 木质地板也就为结构+PCBA常规自由跌落的首选了...，呵呵。

Sn-Pb-Bi的熔点按组分分配在100C上下...你现在用有铅的Solder Paste自然要控制Solder Paste中的Bi...，不然冷却慢了“糖浆”现象会很明显的（冷却过程中熔点低的合金最后凝固的原因）...若遇合金杂质或气泡...很容易促成crack或扩大crack的，这个讲起来容易作起来还是很难的...因为你们的制程是向后兼容...混合焊接四种模式中最差的一种...。


参考网站及文章

BGA 混合焊点热循环负载下的可靠性研究

铅污染对Sn/Ag/Cu焊料特性的影响

对客户的影响 向前/向后的兼容性

PbPb--Free BGAs in SnPb Assembly Process

Xilinx 无铅解决方案的常见问题

在前几天导入一条线一款机型量产后，今天再次外出X-RAY。现在把图片发上来。

ＢＧＡ存在的空洞数量目前比较少，空洞面积都在２０％以内。

其中有根据曹老师的建议，也取样照了３个原包装ＢＧＡ的图片。未发现空洞问题。

长见识了,都是牛人.

好好学习天天向上.

原帖由22楼楼主 露天煤矿 于2008-07-25 16:02发表
在前几天导入一条线一款机型量产后，今天再次外出X-RAY。现在把图片发上来。
ＢＧＡ存在的空洞数量目前比较少，空洞面积都在２０％以内。
其中有根据曹老师的建议，也取样照了３个原包装ＢＧＡ的图片。未发现空洞问题。

确实难为LZ了...，VOID的大小控制了可高度还是个未知数（2D的问题）...因为VOID的高度受自身和熔融BALL压强影响...而这个压强又与温度相关的...如果VOID还是坐在VIA上或顶住BGA本体侧...那威胁警报还没解除...，想利用熔融合金在一次塌陷期间自动纠位来偏移BGA坐标...可VIA中心相对PAD中心又是离散状态...，呵呵。

关于PCB来料改善的问题,也与客户进行了交流,虽然不能达到自己想要的结果.但客户对所提问题还是认可的,
也通过本次对于空洞的问题,在与客户沟通前也找了些关于PCB过孔方面的资料,其实,不管问题如何,解决的方法怎么样,关键是我们要懂得从每一次的改善中学习到东西,努力做到改善一点,前进一步.

PCB设计指南——关于过孔

一、过孔（via）
过孔（via）是多层PCB的重要组成部分之一，钻孔的费用通常占PCB制板费用的30%到40%。简单的说来，PCB上的每一个孔都可以称之为过孔。从作用上看，过孔可以分成两类：一是用作各层间的电气连接；二是用作器件的固定或定位。如果从工艺制程上来说，这些过孔一般又分为三类，即盲孔(blind via)、埋孔(buried via)和通孔(through via)。盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度通常不超过一定的比率(孔径)。埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔，它不会延伸到线路板的表面。上述两类孔都位于线路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。第三种称为通孔，这种孔穿过整个线路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以绝大部分印刷电路板均使用它，而不用另外两种过孔。以下所说的过孔，没有特殊说明的，均作为通孔考虑。
从设计的角度来看，一个过孔主要由两个部分组成，一是中间的钻孔（drill hole）,二是钻孔周围的焊盘区，见下图。这两部分的尺寸大小决定了过孔的大小。很显然，在高速,高密度的PCB设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制的减小，它受到钻孔(drill)和电镀（plating）等工艺技术的限制：孔越小，钻孔需花费的时间越长，也越容易偏离中心位置；且当孔的深度超过钻孔直径的6倍时，就无法保证孔壁能均匀镀铜。比如，现在正常的一块6层PCB板的厚度（通孔深度）为50Mil左右，所以PCB厂家能提供的钻孔直径最小只能达到8Mil。
二、过孔的寄生电容
过孔本身存在着对地的寄生电容，如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2,过孔焊盘的直径为D1,PCB板的厚度为T,板基材介电常数为ε,则过孔的寄生电容大小近似于：
C=1.41εTD1/(D2-D1)
过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度。举例来说，对于一块厚度为50Mil的PCB板，如果使用内径为10Mil，焊盘直径为20Mil的过孔，焊盘与地铺铜区的距离为32Mil,则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致是：C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF，这部分电容引起的上升时间变化量为：T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 。从这些数值可以看出，尽管单个过孔的寄生电容引起的上升延变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，设计者还是要慎重考虑的。
三、过孔的寄生电感
同样，过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献，减弱整个电源系统的滤波效用。我们可以用下面的公式来简单地计算一个过孔近似的寄生电感：
L=5.08h[ln(4h/d)+1]其中L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径。从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。仍然采用上面的例子，可以计算出过孔的电感为：L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH 。如果信号的上升时间是1ns，那么其等效阻抗大小为：XL=πL/T10-90=3.19Ω。这样的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略，特别要注意，旁路电容在连接电源层和地层的时候需要通过两个过孔，这样过孔的寄生电感就会成倍增加。
四、高速PCB中的过孔设计
通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速PCB设计中，看似简单的过
孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：
1、从成本和信号质量两方面考虑，选择合理尺寸的过孔大小。比如对6-10层的内存模块PCB设计来说，选用10/20Mil（钻孔/焊盘）的过孔较好，对于一些高密度的小尺寸的板子，也可以尝试使用8/18Mil的过孔。目前技术条件下，很难使用更小尺寸的过孔了。对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。
2、上面讨论的两个公式可以得出，使用较薄的PCB板有利于减小过孔的两种寄
生参数。
3、PCB板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量不要使用不必要的过孔。
4、电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。
5、在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。当然，在设计时还需要灵活多变。前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况，也有的时候，我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽，解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小。

稍為補充一點, PCB 鑽孔還有一種是應用於
PCB 以"增層法"製作而用激光(Laser)燒孔,
逐層"增層"逐層"燒孔"並電鍍, 此方法目前
大量應用在小型電子產品尤其是手機的PCB
設計上, 同時也是許多BGA焊盤表面所看到
小孔, 其特點就是孔徑小, 一般機械鑽針方式
不易(或無法)"鑽"到如此小孔徑

BGA 零件本身經X-ray 照過, 沒看到氣孔是"好消息"
BGA 殖球中的氣孔"應該"還是主要來自於SMT製程,
因為氣孔尺寸較大, 但是仍然無法完全排除BGA 殖球
本身在殖球過程中產生氣孔, 只是可能因為尺寸較小,
X-ray 不容易"看"出來, 從論壇上"matrixmatrix"網友
所提供的"焊接製程中的氣泡問題"的資料中, 其中對
BGA 殖球所做的切片照片就可以看出來在殖球與封裝體
PCB間存有"微氣孔, 此問題雖然不比SMT製程中所產生
的氣泡來得嚴重, 但在某些特殊情況下仍可能產生一定影響
未來有機會可以繼續討論

我看了你所发的产生空洞问题的分析报告，你们所分析，非常到位，此种情况，只能更改ＰＣＢ板的设计，不在焊盘中间产生盲孔……