PCBA失效分析

案例背景

PCBA元器件发生脱落现象，据此进行试验分析，查找失效原因。

#1样品BGA脱落;#2样品BGA有微裂纹(未偏位);#3样品FPC空板(未贴装器件)。

分析过程

#1样品

#1样品外观图

剥离面分析

SEM剥离面形貌分析

#1-1：

#1-2：

说明：从表面残留焊锡及断面状态分析，存在有河流花样及解理台阶，判断其为解理断裂，即脆性断裂。

EDS成分分析

说明: 对#1-1焊盘进行EDS分析，主要检出Sn、Ni、P、Cu元素，其中P含量高达15%左右。

PCB镀层的分析

PCB镀层(Pd钯)的分析：选取邦定芯片的一个pin位置，采用化学褪金后观察Pd表面的晶格状态。

说明：#1样品褪金后Pb层的晶格状态分析：晶格致密、平整，晶粒间无空洞或缝隙，无异常。

#2样品

#2样品外观图

1.外观分析

#整体图示

2-1号焊点

2-4号焊点

3-1号焊点

说明：#2样品上侧(靠近玻璃芯片处)的焊球(①、③)与基板起翘分离。②、④焊球未见明显异常。

2.断面分析

金相分析

说明： #2样品的①、②焊点切片断面金相分析，焊点① 焊球与焊盘开裂，呈分离状态，开裂缝隙由外向内(芯片端→PCB边缘端)变小。

SEM分析

#焊点①断裂两侧状态分析

说明：焊盘为SMD类型，从焊点两侧断裂状态可见，存在焊锡受阻焊膜压迫形成台阶现象，以及焊锡与阻焊膜之间存在应力残留的结构特征。两边缘开裂位置基本都在富磷层。

小课堂：BGA焊盘两种定义方式

1.阻膜定义(SMD)：

焊盘的尺寸要比非阻焊掩膜大，再流焊接后，熔化的焊料球接触阻焊掩膜。

主要问题是由SMD焊点产生的应力集中，这是造成焊点失效及可靠性变弱的起因。

2.非阻焊定义(NSMD)：

掩膜的开口要比铜箔焊盘大，所以在再流之后，焊料球不会接触阻焊掩膜。

#焊点②焊接状态分析：

说明：#2样品的焊点②状态良好，IMC层连续、均匀，平均厚度为1.58μm，富磷层0.17um。

EDS成分分析

说明: 对焊点①进行EDS分析，主要检出Sn、Ni、P、Cu元素，其中富磷层P含量在10.5%左右，Ni层P含量在8.5%左右。

#3样品

Ni/Pd/Au镀层厚度分析

#Ni/Pd/Au厚度：

注：厚度单位为μm。

说明：从上记检测结果可见：Au平均厚度：0.0925um;Pd平均厚度：0.0875um;Ni平均厚度：6.275um。

镍钯金工艺镀层Au、Pd厚度一般要求在0.08μm左右，上记结果符合要求。

分析结果

综合以上检测信息，针对BGA焊点裂纹失效解析如下：

1. 通过对#1样品BGA剥离后的断口分析，有明显的脆性断裂特征(平整、河流花样、解理台阶)，说明该断裂是由应力导致的瞬时冲击形成(原始状态)。

2.通过对剥离面的EDS分析，P含量高达15%左右(#1样)，切片断面的分析，富磷层的P含量在10.5%左右(#2样)，说明断裂位置部分处于富磷层。

3.通过切片断面的分析，断裂界面出现在IMC层及富磷层，断裂裂纹为上下契合状，进一步说明了焊点是受到应力导致断裂。同时，FPC采用SMD焊盘结构，焊盘上覆盖的阻焊膜使BGA焊点与阻焊膜接触的位置形成了应力集中点(同时也可能有焊接时的应力残留未释放)，在受到外部应力作用时，该位置易被突破。

分析结论：根据以上综合分析，造成焊点断裂的原因判断为，FPC受到应力作用，同时BGA焊点位置由于SMD焊盘设计结构有应力集中的缺陷，从而造成BGA在受到一定程度的应力后出现裂纹失效。

改善方案

结合样品的工艺流程分析，初步推断超声清洗工程可能存在应力作用。BGA类产品，对应力作用比较敏感。

FPC清洗时，BGA所处的不同深度、不同位置受到的应力作用可能不同。建议从超声清洗工艺进行验证排查，找到合适的清洗条件(频率、温度)。

新阳检测中心有话说：

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审核编辑：汤梓红