PCBA核心案例分析技术

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1、POP焊接

1.2工艺方法

生产主要采用的是板上堆叠工艺，此工艺也有两种工艺方法：

1）沾焊剂工艺；2）沾焊膏工艺。

工艺的核心：焊剂或焊膏的沾涂工艺。

1.3常见焊接不良

1）开焊/球窝

1）桥连

1.4 PoP球窝现象产生的机理与原因

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1）机理与BGA球窝现象产生原因一样，但更复杂，叠加了双层的相互影响。

产生的机理：熔融的焊球与熔融的焊膏间存在Gap!产生Gap的原因是BGA变形。BGA越薄越容易变形，F-BGA、P- BGA最严重
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2）PoP变形的主要原因

PoP产生球窝，除了BGA变形因素外，还多了上下层的相互影响因素

b)提高贴片的位置精度；

c)优化温度曲线，减少不同时熔化的时间。

1.6 桥连现象产生的原因与对策

1.7 案例特殊PoP——ML PoP

1)什么是ML-PoP？

ML-PoP，即Molded Laser PoP，简写为MLP，是一种由Qualcomm发明的“球窝”焊盘封装形式，见下图所标POP。相对于平面焊盘PoP，MLP容易发生球窝与桥连现象。封装质量与工艺条件对焊接良率影响非常大。

2 )工艺核心

助焊膏的厚度要求

上层芯片焊球沾涂助焊膏的厚度，越多越好，但不能覆盖到芯片封装体下面。多，提高芯片的自对位能力，在X-Ray检测时，看到的焊点图形丰满而圆；少， 芯片的自对位能力差，在X-Ray检测时，看到的焊点呈椭圆概率比较高，这是因为上下球位置偏移所致。

生产控制要求：一般h≈50~70%，60%最佳。

3) 生产问题的解决

（1）桥连

产生的原因与机理,由于激光窝比较深，过多的焊剂将会把窝口封死，形成封闭的空气空间，高温时气体膨胀将熔融焊锡排挤出去从而形成桥连！

（2）球窝

产生的原因：a）温度不够，此时焊接的焊点呈双球形。

2、QFN的焊接

2.1 QFN

QFN属于BTC封装类别中的最早出现、也是应用最广泛的一类底部焊端封装， 其特点是焊端除焊接面外嵌在封装体内，如图所示。

2.2 工艺特点

1）QFN的焊端基本为一个面（0~0.05mm），与PCB焊盘构成“面—面”连接，正常的焊缝形态如图所示，其非边缘侧的焊缝不是“腰”形就是“坡”形，一般不会形成像BGA那样的“鼓”形，这点对于消除QFN封装体下焊点的桥连缺陷是非常有益的

2）由于几乎为“0”的底部（Stand-off）间隙和大尺寸的热沉焊盘等特点，QFN的工艺比较复杂，相对于其它封装，必须考虑热沉焊盘与信号焊盘焊缝厚度的平衡问题！

3）焊接最容易出现的问题为桥连和虚焊以及热沉焊盘空洞超标，见下图。桥连主要发生在Cu间隔小于0.25mm的情况下，虚焊很多情况下是为了减少桥连而减小钢网开窗的结果。热沉焊盘空洞超标与多因素有关，本质上是一个取决于PCB厚度与表面处理，导热孔直径、密度与阻焊，焊膏与钢网开窗等多因素的综合问题。

4）焊点的可靠性

QFN焊点的可靠性主要取决于QFN的设计，一般而言，焊盘间距越大越好；Die 面积越小越好；QFN封装尺寸越小越好；PCB厚度越薄越好。

2.3 桥连现象、原因与对策

2.3 桥连现象、原因与对策

2）主要原因

热沉焊盘焊锡量不足。

热沉焊盘因覆盖率以及散热孔吸锡（不塞孔情况下），可形成的焊缝厚度相对要比信号焊盘焊缝厚度小，表面张力的作用下，周遍信号焊盘上的焊锡被挤压扩展，从而容易出新桥连现象。

【试验】

热沉焊盘焊膏量对QFN信号焊盘焊缝形态的影响试验：

采用喷印技术，信号焊盘焊膏量不变（内圈两个喷印点），热沉焊盘焊膏量一个5.4，一个2.5时焊接的结果。说明热沉焊盘上焊膏量多少对周边信号焊盘的焊缝形态影响很大！因为焊缝厚度决定了焊锡扩展的尺寸（QFN焊点不存在Z向的润湿）。

b)采用厚的钢网，如0.127mm（5mil）。

c)采用小的钢网开窗。

由于QFN本身焊盘都比较小，大多数在0.2~0.255x0.4~0.45，缩小钢网开窗，容易带来虚焊的风险。如果减少钢网厚度，则会抵消缩小窗口带来的减少焊膏量的效果并带来可靠性的问题。

d)采用薄的阻焊设计，避免QFN焊盘附近布局导通孔以及丝印字符。

2.5 空洞现象、原因与对策

1）主要原因

a)热沉焊盘面积大。

b)与热沉孔的设计有关，特别是是否塞孔有关。

热沉焊盘是为散热而设计，散热是通过散热孔将热量传导到地层而扩散出去， 如图所示。

因此，热沉焊盘上一般都打有很多的孔。为了避免焊接时散热孔透锡，往往进行半塞处理，这是导致出现大空洞的主要原因。

2）对策

(1)散热孔不塞孔设计

为减少热沉焊盘焊缝中出现大的空洞，散热孔不塞孔。在这种条件下，一般可采用下列方法来减少冒锡情况：

a）将QFN布局在第二次焊接的面上，即使冒锡也不会对组装工艺造成影响；

b）对于尺寸比较大的热沉焊盘采用较大直径的散热孔设计，如0.5~1.0mm；

c）采用小孔设计，但保持足够的孔壁间隔，方便采用避孔焊膏印刷工艺；d）将PCB的表面处理设计为OSP；

e）将PCB的厚度增加到2.0mm以上；f）将孔布局在热沉焊盘的四周。

(2)优化钢网开窗设计

a)焊膏图形中不包含散热孔；设计阻焊条，建立排气通道

3、BGA空洞

3.1BGA空洞的类别

BGA空洞，如图所示，根据发生的位置、大小，可简单分为两类：

（1）界面微洞 空洞小，数量多，出现在BGA侧IMC与焊球界面，如左图。

（2）截面大洞 单一空洞，出现在BGA焊球内，如右图。

3.2一般的原因

（1）焊剂系统，主要是焊剂的配方存在不足（外因）；

（2）BGA焊球表面氧化严重（内因）；

（3）焊球与焊膏的相对量不合适（外因）。

（4）使用了N2气氛进行焊接。实践中我们发现，焊膏在N2气氛条件下空洞会更严重，这是因为N2降低了熔融焊球的表面张力的原因。

（5）空洞的产生，与温度曲线、BGA吸潮等因素没有太大的关系，它们只影响空洞的数量。

3.3 机理推测

什么样的情况下助焊剂的黏度比较大或挥发物比较多呢？一般而言，有以下几种情况：

（1）助焊剂系统中溶剂的沸点比较低，如果助焊剂中溶剂沸点比较低，那么，焊剂在焊膏熔融状态时会比较粘稠。这就是为什么采用无铅焊膏焊接无铅BGA空洞比较少的原因。

（2）焊球氧化严重。焊球氧化层越厚，助焊反应生成的金属盐越多，这些金属盐使得焊剂黏度增加。这就是为什么有些品牌的BGA容易产生而有些则不容易产生空洞的原因。

（3）焊球尺寸越小，在同等焊膏量下越容易产生空洞。这是因为，焊球尺寸越小，被覆的焊剂越厚，焊剂挥发物质也越难以逃脱出去。

对HDI板，除上述原因外，更主要的是焊盘上微盲孔的结构。微盲孔内往往有很多有机残留物，它们的挥发物是形成HDI板上BGA空洞的主要因素，如图所示。

3.4对策

（1）换用合适的焊膏或其它品牌的BGA；

（2）换用活性焊膏；

（3）减少焊膏量；

（4）按焊球尺寸设计焊盘尺寸。

4、BGA球窝

4.1 球窝现象

焊球与焊膏没有焊连，而在焊球侧形成球窝，如图所示。此缺陷属于虚焊的一种，在无铅工艺、微焊盘条件下常常会发生。

4.2原因

原因比较多，主要有两方面原因：

（1）焊球表面深度氧化；

（2）焊接时焊球与焊膏在第一次塌落时没有接触，如BGA变形、焊膏薄，机理见图所示。

（3）贴片偏移位置比较大时，也会导致球窝现象，与共面性差导致球窝的机理相同。

5、BGA应力断裂

5.1 应力断裂特征

BGA焊点的应力断裂，一般发生在BGA侧IMC与焊盘界面，典型的特征就是断裂面呈沙质特征，见图所示。

5.2 原因分析

作用在焊点上的应力，无非机械应力和热应力。机械应力，指物体受到外力而变形时，在其内因各部分之间相互作用而产生的应力。热应力，指温度改变  时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。它们产生的应力有所不同，一般机械应力为拉应力，而热应力为压应力。但不管那类应力，对焊点的破坏机理都是一样的，即作用在焊点上的剪切应力超过了焊点所能承受的能力而断开，见图所示。

有铅焊点内只有锡和铅的合金相（固溶体），焊点呈软的状态，如左图所示。焊点如果受到应力，一般会直接被吸收。

无铅焊点中的合金相增加了焊点的屈服强度，但却降低了塑性，如右图所示。焊点受到应力无法吸收，被直接传递到界面IMC层，这样，IMC成为影响可靠性的关键因素。

5.3 对策

为了减少应力断裂发生的概率，一方面规范操作，减少应力；另一方面，提高焊点的强度，避免产生超厚的IMC。

1.严格管控焊接温度与时间

Cu在熔融的SAC305中的溶解度是在Sn63/Pb37的8.6倍，在与SAC反应时会形成较厚的IMC层。这点不同于有铅工艺，在有铅工艺条件下Cu与SnPb焊料形成的IMC 一般不超过2.5μm，这是因为Pb 的抑制作用， 但在无铅工艺下， Cu 与SAC305形成的IMC厚度很容易超过10μm。有效的措施就是尽可能减少BGA焊球液态的持续时间，避免IMC的持续生长。

2）采用低Ag+Ni 合金

低Ag+Ni 合金，具有优良的抗机械振动性能。Ag是加速界面IMC生长的元素，

Ni对Cu3Sn的生产具有抑制作用，见左图所示。

如Cu与Sn+1.2Ag+0.5Cu+Ni焊料合金，反应形成的IMC薄而扁平。在250℃下仅形成2μm厚的IMC层，低Ag加Ni具有阻止IMC生长的作用，见右图所示。同时也说明，Cu与不同的无铅焊料形成的IMC成分、形态也不同，这也反映了无铅工艺的复杂性！

3）装配采用工装

特别是螺装操作，如果不使用底托工装，每装一次螺钉，PCB就会弯曲一次。如果PCB上有多个螺钉，就会产生多次弯曲，这对BGA的伤害是非常大的。

6、片式电容开裂与操作

6.2典型失效特征

1）机械应力作用下的裂纹特征

机械应力造成的开裂，特征非常典型，一般位于焊点下、如图所示的45°角度开裂。这种开裂，一般外观看不出来，难以检查。

6.3 典型案例

案例1：局部热应力造成片式电容开裂

某产品上有四排同品牌、同规格的片式电容，其中靠近掩模选择焊元件的一排电容的开裂比其它三排高很多，占到总开裂元件的60%以上，总的失效概率为1/1000，如图所示。

案例2：机械热应力造成片式电容开裂

某产品上位于拼版分离边上的片式电容，出现比较多的烧坏现象，经过确认为拼版分板导致片式电容出现裂纹，加电后因温度导致断裂处错位，从而引起片式电容起火烧坏，见图所示。

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