环境湿气对BGA可靠性影响案例分析

引言

随着电子产品生产工艺技术的飞速发展， 印刷线路组装板 （PCBA）的结构变得越来越复杂。 作为整个系统的关键子部件， PCBA对整套系统的质量与可靠性起着决定性的作用； 而作为整个 PCBA中最重要的封装元件之一的焊球阵列封装 （BGA：Ball Grid Array） 器件又对PCBA的质量与可靠性起着至关重要的作用， 因此， 分析、 解决 BGA 的失效模式并制定相应的预防措施就显得尤为重要。BGA 是在封装体的基板底部制作成阵列焊球作为电路的 I/O 端与PCB相互连接， 采用该项技术封装的器件是一种表面贴装器件[1]。BGA 封装按照封装材料的不同可以分为以下几种： 塑料封装的 BGA （PBGA： plastic BGA）、陶瓷封装的 BGA（CBGA： ceramic BGA）、陶 瓷 柱 状 封 装 的 BGA（CCBGA ： ceramic column BGA）、载带状封装的BGA （TBGA： tape BGA） 和 CSP （ship scale pack-age 或 μBGA）[2]。 而 PBGA 由于具有封装成本低、与 PCB 板的热匹配性好、 焊接过程中焊球具有自对准作用和电性能良好等优点而成为了应用得最为广泛的一类； 然而，由于此类封装对环境中的湿气敏感， 因此焊接点都在元件本体下方， 从而导致焊接后的质量检测和失效分析都非常困难，进而导致焊点的可靠性问题[3] 变成了 BGA 应用的瓶颈因素之一。本文利用 X-Ray 检测、染色渗透检测、金相切片和声学扫描分析等方法对 BGA封装器件的失效现象进行了详细的分析，找到了BGA 器件的失效原因，对于避免类似失效现象，保证器件的质量具有重要的意义。

1、BGA 器件失效描述

在测试时发现某 一批次的电路板功能不良，不良率达到了100%， 经过查找发现是该电路板上的 BGA 封装器件不良造成的，更换其他批次的器件后电路板工作正常。 待分析的样品的外观如图1所示。

图1 待分析器件外观

2、BGA器件失效分析

2.1 X-Ray检测

X-Ray 检测设备是检查 BGA器件焊接质量的常用设备， X-Ray 可以快速、准确地检查出BGA 焊接中出现的短路、空洞、错位和缺球等不良情况的结果。使用 X-Ray 对样品进行检测， 所得到的结果如图 2 所示。在器件中央区域（5焊球×5 焊球） 的焊点区域中，均发现存在焊点尺寸及形状不一致、焊点短路和存有锡珠的不良现象；四周的区域中的焊点普遍存在空洞[4]，个别焊点的空洞率超过 25%。 通过查询 Gerber 发现， 中央区部分在焊盘与走线之前全部是短接的， 因此不会造成功能性不良；个别焊点的空洞比较大，但不会导致 100%功能不良。

图2 X-Ray 检测结果

2.2  染色渗透检测

首先 ， 对不良 BGA焊 点进行染色渗透试验（BGA 焊点染色渗透结果示意图如图 3 所示）； 然后，分离器件与PCB，观察发现 BGA有2个焊点有小于 50%的面积染色， 说明这些焊点在染色试验前存在局部开裂，开裂的界面发生在焊料球与PCB焊盘之间， 染色渗透的结果如图 4 所示。

图3 染色示意图

图4 染色渗透的结果

2.3 金相分析

对BGA器件的 1～6号位置进行镶嵌、打磨、微蚀， 使用金相显微镜进行观察、 分析， 所得到的结果如图5所示。通过观察和分析发现， IMC 的厚度为 3.5 μm， 而过厚的 IMC 会增加焊点的脆性，降低机械强度[5]； 器件塑封料与载板存在局部分层， 在分层集中的中央焊点区域， 载板下方的焊点高度明显很低， 部分焊点短路； 分层区域还出现了引线与键合点被拉开的不良现象。

图 5金相分析结果

2.4 BGA 焊点高度测试

测量BGA 焊点截面焊点高度，所得到的结果如图 6 所示。 从图 6 中的数据可以看出， 中央区域的焊点明显呈下凹”状态， 焊点高度差达到了133μm。

图6、焊点高度测试结果

2.5 声学扫描

通过对不良品上的 BGA 器件进行声学扫描分析， 发现所有器件的塑封料与器件载板之间均存在明显的分层现象， 如图7所示。以上结果表明， BGA 器件内部塑封料与载板之间发生了严重的分层， 甚至导致了引线和键合点之间断裂， 电路板功能失效是因为 BGA 器件内部分层所导致的。

3、结论

BGA 器件内部分层是因为器件吸收了环境中的湿气， 导致内部吸潮的器件在焊接过程中受热膨胀而造成 “爆米花” 效应， 造成器件功能失效； 另一方面， 由于器件膨胀的原因， 挤压器件下方的焊点而造成焊点短路。

4、结束语

BGA 封装满足了电子产品向多功能、 高性能、小型化和轻型化方向发展的需求， 但是在生产加工方面对环境湿气的要求比较苛刻；必须采取有效的管控方法才能保证产品的质量。

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