球栅阵列焊点表征与失效分析技术

 


GSP_PCB_01_150914作者: Adam W. Mortensen,Maria C. Lee,Roger M. Devaney

GSP_PCB_02_150914关键词:球栅阵列;焊点;缺陷;检测;失效分析

在进行BGA器件分析时,无论是合格检查还是失效分析,有一个确保能获得所有可用数据的工艺流程是很重要的。图1给出了BGA焊点失效分析的常规流程。

应首先进行非破坏性检测,以保存元件进行进一步分析,然后寻找可以从破坏中分让昂贵的印刷电路板组件的简单的解决方案。典型的非破坏性测试包括目视检查和X射线照相术。在某些情况下,声学显微镜仅可以用于倒装芯片焊点,然而由于针对这一仪器有限的经验,没有进一步讨论。大多数非破坏性测试诊断失效的能力都是有限的,但是通常可以对进一步的破坏性测试的选择提供帮助指导。

随后的破坏性测试通常包括染色实验、剖面评价、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)。利用这些技术,大多数BGA焊点的问题都可以得到充分表征。此外,它们还可以对这些问题是与PCBA加工有关还是与材料缺陷有关给出指导。

非破坏性检测技术

目视检查

BGA视觉检查通常用于失效分析的第一步,需要一个良好的立体显微镜。目视检查应提供PCBA文档、BGA问题和任何相关的部件标记,如图2所示。此文档将帮助分析师在进一步的分析阶段跟踪序列和元件数量。基板和元件被检测后,应用立体显微镜检查边缘排的焊点,寻找任何可以查看到的异常(例如球窝焊点、畸形焊点、翘曲等)。由于检查通常仅限于外排焊点,有些异常可能看不到。由于大尺寸的PCB、外来的元件和BGA焊点的尺寸,这些异常的文档往往很难。进一步的分析步骤往往会提供视觉检查过程中观察到的异常的更好表征。内窥镜是文档可允许的一个外加工具;但由于对这种仪器有限的经验,没有进一步讨论其检测能力。

X射线检测

实时X射线检测是一种有价值的非破坏性检测技术,可以提供对BGA焊点的重要信息。没有明确的设备超越了实时的X射线设备,它需要相关的软件。影像学检查和解释对于未经培训的人员是很困难的,有经验的分析师和无经验人员给出的检测结果差异显著。

通过影像学观察到的最常见的缺陷之一是焊点中的空洞。根据IPC-7095C[1],空洞面积大于35%和直径大于50%是过程控制的阈值。图3是空洞面积范围从11%到28%的实例。

虽然这些空洞可以通过检测,但是它们仍然是一个应注意的工艺指标。分析师还应注意确保在图像中不存在电晕,因为这样可以使空洞看起来比实际的更大。

焊料桥接是可以通过X射线检查的另一种缺陷。当2个焊点由焊料连接时,焊料和周围的大部分材料之间存在着显著的密度差,所以很容易识别。两焊点之间的短路结果如图4所示。

X射线检查也可以观察到畸形焊点,尽管它们的观察更困难。要看到确定的缺陷,通常需要极端的角度和样本处理。有些畸形焊点是无害的,如图5中观察到的略长的焊点。

其他畸形焊点可能是严重的缺陷,如图6观察到的球窝焊点。计算机断层扫描(CT)扫描也可用于检测焊点。像实时X射线检测一样,CT扫描是非破坏性的。尽管扫描可以提供额外的界面信息,但是这个过程可能是昂贵的,许多实验室还没有这个能力。GSP_PCB_03_150914

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破坏性技术

染色试验

染色测试是一种成本效益的破坏性检测技术,提供焊点层叠界面的所有信息。染色测试所需要的设备大多数为低成本设备,这使得它在有限的资源下很容易进行。测试所需要的主要设备是:一个硅片切割锯或旋转工具,助焊剂去除剂,机械师的染料(红色),异丙基酒精,一个气罐,一个小的钟罩形真空系统,一个烤箱,一个试验台(可选;钳子和手工操作都可以使用)和一个用于检测和文档编制的立体数码相机。

首先采用水润滑切片锯(首选)或旋转工具取下含有所需BGA的PCBA部分。应留下足够的板材以便用作撬拨边缘。将BGA浸泡在助焊剂去除剂中3小时,以去除任何残留的助焊剂,使染料可以渗透到任何裂纹或分离处。随后用酒精冲洗和风干,以确保所有的助焊剂去除剂被去除。然后BGA在一个局部真空下染色6分钟,用气罐吹走多余的染料,在100 ℃烤箱中至少干燥3小时。样品也可以在室温下干燥,但需要至少48小时,确保染料干燥,一般不推荐这样做。这一步是至关重要的,因为在撬拨过程中任何潮湿的染料可能会导致错误的迹象。一个丁形螺母被环氧粘到BGA上,一夜之间可以固化,然后使用试验台把BGA从基板上拉下如图7所示。这时所有的焊点都被从最弱的界面诱导失败

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