大尺寸BGA器件侧掉焊盘问题分析

本文通过对BGA器件侧掉焊盘问题进行详细的分析，发现在BGA应用中存在的掉焊盘问题，并结合此次新发现的问题，对失效现象进行详细的分析和研究，最终找到此类掉焊盘问题的根本原因，并提出改善措施。从验证结果看，通过改善措施可有效避免此类掉焊盘问题的发生，同时通过制定设计和选型规则，也可有效避免BGA器件再发生类似的应用问题。

随着全新的无铅制造工艺的导入，以及电子产品的发展，导致大量无铅电子产品的质量与可靠性问题产生，出于降成本、高速等各方面的影响，材料和工艺也发生了一些变化，在这些变化下可能隐藏着发生了一些新的失效问题。

怎么发现和解决解决这些问题，是工艺改善的难点。本文从BGA掉焊盘的案例的细节出发，发现并找到失效的根本原因，通过复现失效现象和验证改善措施的有效性，以解决此类问题，并避免后续新选型的元器件再发生此类问题。

概述

某通讯产品的基带处理芯片，全年总共失效器件698个（高峰期大约每月更换器件数量116个），由于器件失效造成的金额损失高达130万（平均每月21万）。从失效现象看，主要表现如下：

由以上图片可以看出：BGA器件侧焊盘已经脱落。焊盘的脱落可确定是造成本次失效率高的原因。

为解决当前此基带芯片的掉焊盘问题，找到掉焊盘原因，避免新开发型号及后续型号基带芯片的使用再出现类似问题，进行本次掉焊盘问题的分析研究。

试验说明

试验方案

1）根据失效现象，寻找掉焊盘的原因及具体工序，并验证找寻工艺参数。

2）根据业内了解的信息，了解可采用的工艺改善措施。

3）对新款BGA芯片进行改善及评价改善结果。

试验流程

失效检查

通过对失效样品的显微检查，发现此款BGA的Substrate采用的是SMD焊盘，掉焊盘的元器件大部分在阻焊下存在一层Cu环，如下图，其中有些Cu环已经被拉出，可看到明显的阻焊破损。结合此现象，初步判定焊盘中心部分已经被溶蚀掉，并可能同时还承受了一定应力。

进一步观察发现：在芯片中心区域焊盘的溶蚀面积较大，而靠近芯片的边缘溶蚀面积较小。推测溶蚀具有一定的方向性，即由中心到边缘。

复现失效现象

结合以上的新发现，基本可判定此次问题是由于焊盘溶蚀，为进一步验证猜测的准确性，我们做了如下实验（在相同高温下，进行不同时间的加热实验）：

1）实验条件

2）样品准备

将实验板进行125 ℃、48 h烘烤后，采用自动拆卸设备取下芯片，并进行人工除锡、清洗后，选取9块外观良好、无起泡、掉焊盘的芯片进行植球实验。

实验设备采用的是BGA植球焊接台，实验参数如上表所示。

注：对其中的3#样品进行如下特殊处理：制作焊盘溶蚀后，在机械应力拉拔作用下的样品。

实验结果：

1）260 ℃下对此基带芯片进行长时间加热确实会引起焊盘的咬蚀，出现溶蚀的临界时间应该略低于10 min（从2号样品开始出现焊盘溶蚀，7、8、9号已经出现焊盘大面积溶蚀）。

2）进一步观察发现：机械损伤样品（3#样品）与纯粹Cu咬蚀样品（8#样品）两种模式下焊盘脱落形貌不同。机械损伤导致的掉焊盘是一整块焊盘的脱落，包括绿油覆盖的部分，一般不会有锡残留，且往往伴随着绿油的破损。而Cu咬蚀导致的掉焊盘会保留绿油覆盖下的部分，形成"铜环"，绿油无破损，且一般都会有部分锡/焊盘残留，如下图所示。

小结

根据此次验证，可判定此次BGA芯片的失效模式以溶蚀为主，机械损伤为辅的失效模式。

改善方向

根据以上实验小结，则改善此问题的方向：

1）管控回流、返修等所有工序中焊接的总时间。

2）引入自动化返修，精确控制高温时间，减少除锡过程的磨损。

3）更改BGA的Substrate的镀层，阻止Cu层的溶蚀。

改善方案

结合以上分析的影响因素，寻找可以解决此类问题的方法，则可采用如下操作方法。

1）自动化除锡/返修设备（控制时间和接触）

芯片自动拆卸：由于机械磨损导致的掉焊盘容易发生在除锡阶段，主要是由吸锡线与焊盘的刮擦引起。通过采用真空除锡工艺，改善效果明显；基本可避免刮擦引起的焊盘咬蚀，则掉焊盘只剩与维修次数有关。

真空除锡：通过夹具固定芯片，先通过加热气嘴吹热风加热芯片，当芯片上的残锡充分熔化后，加热气嘴的热风气流突然增大，且固定芯片的夹具向加热气嘴方向移动，增大的气流依次吹去焊盘上的残锡。整个过程中仅有气流吹过焊盘，避免了现在手工除锡过程中烙铁和吸锡线对焊盘的摩擦。从原理上可减缓PAD的溶蚀。

另外，从验证结果显示，也确实大大降低掉焊盘几率如下：

2）更改镀层（见少Cu的迁移）

改善前采用的是Cu上OSP的镀层，从机理上讲容易导致Cu向焊料的迁移；

改善后采用的是Cu上镀NiAu镀层，中间有一层Ni层，可阻挡Cu向焊料的迁移。

验证结果

经过以上改善，掉焊盘率降为5%，相比原来手动拆卸时的23%，失效率大大降低。

总结

通过此次研究，发现了一种新的失效模式。并在此失效模式基础上，提出了更科学的元器件设计和使用规则。为后续BGA芯片封装应用设计，提出了新的需求指标，避免后续同类失效模式的发生。

当发生元器件掉焊盘时，我们需要仔细观察失效现象，若属于焊盘溶蚀问题，最主要就是从三方面着手解决：

1）缩短焊接总时间；

2）精准控制高温时间，并避免引入力的作用；

3）采用有中间阻挡镀层，阻止Cu的迁移。

审核编辑：汤梓红