PCB电路板品质检查及SMT技术的缺失

2018-05-02 雅鑫达电子 833

一、品质检查

(一)、X-ray捡查

组装后利用X-ray可看到BGA腹底隐藏銲点的搭桥、开路、銲料不足、銲料过量、掉球、失淮、爆米花,以及最常出现的空洞等缺失。下表为各种检验手法可实施的场合及功效。


(二)、扫描式超声波显微术

完工的组装板可利用SAM扫瞄检查各种内在隐藏情况,封装业系用以侦测各种内藏的空洞与分层。本SAM法又可分为A〈点状)、B〈线状)、C〈面状)等三种扫瞄成像方式,以C-SAM面状扫瞄者最常用。

 

图1、左图为SAM原理简示图;右图为编者所补充之C-SAM摄影画面。

 

(三)、侧视颜样锐法

法可针对侷限死角区域的微小事物,进行光学放大之侧向目视检查。BGA的球脚焊接情况即可用以检查外圈情况。本法是利用稜镜旋转90°式的镜头聚焦,再搭配高解析度的CCD以传送画面。倍率在50X到200X之间,还可实施正光与背光观察。可见到銲点情况有:总体外观、吃锡情形、銲点形状、銲点表面花纹、助焊剂残渣等各种缺点。但此法对BGA的内球却看不到,需利用极细的光纤管内视镜伸入腹内去直接观察。然而理念虽好却并不务实,不但昂贵而且容易折断。

 

图2、左为側視放大鏡之沿邊擷取畫面之情形,右为光纖管式内視放大儀伸入腹底直接觀察之眞實情形。

 

图3、左图为侧视显微镜之外围球脚放大画面;右图为编者所另补加之高铅非矮化球脚完成焊接之画面。

 

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(四)、螺丝起子测强法

利用特殊起子转动时所发生的扭力矩,去顶起并撕裂銲点,以观察其强度如何。此法虽可找出銲点浮离、介面分裂、或銲体开裂等缺失,但对薄板却效果不佳。

 

图4、此图说明利用简单之手工具去检测銲点强度。

 

(五)、微切片法

本法不但需要切样製备的各种设施,而且更需要精密的技巧与丰富的判读知识,才能以破坏式的做法,追根究底找出眞正问题之所在。

 

(六)、渗入染色法(俗称红墨水法)

将试样浸入已稀释的专用红色染料溶液中,于是各种銲点的裂缝与小洞即遭其毛细式的渗入,随后即予以烤乾。当各试验球脚被强力拉开或撬开后,即可检查断面上有无红斑,而看出銲点的完整性如何?本法又称为Dye and Pry,其染液也可用萤光染料另行配製,于紫外光环境中将更容易看清楚眞相。

 

图5、此二图说明某BGA之角球焊点是否已发生裂纹之证据。

 

 

二、球脚空洞及其他缺点

(一)、銲点空洞的成因


各种SMT锡膏所形成的銲点,都免不了会出现大小多寡不等的空洞,尤其以BGA/CSP球脚类銲点的空洞更多,且进入高热量的无铅焊接后,其空洞的趋势更是火上浇油,恶劣程度自必远甚于前。追究其成因约可归数类于后:


(1)有机物料:锡膏中含有机物约10-12% by wt,其中又以较多的助焊剂影响最大,各种助焊剂的裂解发气程度不同,应选用发气率较少者为上策。其次是高热中的助焊剂会附著在銲料表面的氧化物上,故能快速除去氧化物者即可减少空洞的生成。由于无铅焊锡性并不好,也将使得空洞更形恶化。


(2)銲料:熔融銲料与清洁待焊面接触时,会立即生成IMC而焊牢。但此反应将受到銲料表面张力大小的影响,表面张力较大者其内聚力也大,于是向外扩张所需的附著力或流动性均将变差。因而使得表面张力较大的SAC305其锡膏銲点中有机物或气泡等,就不容逸出銲体之外,而只能被拘留在体内成为空洞。一且一旦锡球熔点低于锡膏时,则空洞会不断浮入球中而聚集变多,下二图即为其想法之图示说明

 

图6、右图当锡球先熔而锡膏后熔时,则形成的气泡就会浮入球体之中。

 

(3)表面处理:凡垫面处理皮膜容易沾锡者,其空洞即会减少, 否则缩锡或拒焊等处,都将引发气泡的聚集而成大洞。至于容易造成銲点开裂的介面微洞,则以浸镇银两者较常发生。浸银表面有一层透明的有机薄膜,可用以防止银变色;由于焊接中银层会迅速溶于液锡中形成Ag3Sn5的IMC。剩下的有机膜在强热中不免会裂解而成为微洞,特称为"香槟泡抹",故知银层不宜太厚而以0.2μm以下较佳。OSP太厚时也会产生介面微洞,其皮膜不可超过0.4 μm。


图7、左为编者所切到球脚的大型空洞,右为PCB浸银垫面发生的介面微洞


图8、浸镀银是在酸性槽液之铜面上,以置换方式产生的皮膜。为了同时完成防变色的功能起见,外表又附著一层有机分子的薄膜,使得银面不致过份劣化而影响到焊锡性。后续焊接反应中银份会迅速溶入液鍚形成Ag3Sn5的片状IMC,介面上所留下的有机膜一旦遭遇强热,很可能就会裂解成为众多的小空洞,特称为"香槟泡抹"。

 

(4)有时焊垫面积较大者则也较易发生空洞或微洞,此时可採分裂法加入数道出气的沟渠,或印上绿漆十字线,方便使气体逸出而避免空洞。至于微盲孔造成的空洞,当然以电镀铜塡孔为最佳的选择了 。其他避免锡膏吸水,杜绝铜面过份粗糙或有机残膜等,也都是减少空洞的有效做法。

 

(二)、空洞允收规格

球脚空洞太多时将影响其导电与传热,而且銲点可靠度也不好。下表其俯视剖面空洞直径所占球径之允收度上限为25%,此25%之直径约等于总接触面积之6%,且大小空洞须合併计算。球脚与载板或电路板上下两种焊垫之介面空洞,实际上才是开裂之主因。


图9、左图说明空洞直径不可超过俯视球径的25%。中图说明空洞直径若占球径之35%时,约等于所占垫面之12%面积比例。右图为新型X-Ray仪器搭配特殊软体,而可测到球径、空洞面积与单一大洞等数据。

 

(三)、空洞分类

BGA空洞按其位置与来源可分为5类,凭良心讲上列表图对空洞之分类堪称十分粗糙,将来势必还会再修正。

 

(四)、搭桥

球脚之间搭桥短路的原因可能有:锡膏印刷不良、元器件放置不正确、放置后又再进行手动调整,或熔焊中溅锡所致。而Open的原因有锡膏印刷不良、放置后又加以调动,共面性不良,或板面焊垫之焊锡性不良等。

 

(五)、冷弹

Cold Solder之主要原因是:热量不足所致,其銲料与被焊面之间并未形成IMC,或IMC之数量与厚度不足,以致未能展现有力之强度。此种缺点只能用光学显微镜与微切片去仔细检查。


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