X-ray檢查BGA
X-ray檢查BGA
表1為BGA自動檢查標準
Fig 1.BGA球腳的X-ray影像
1
◎ 短路──(2D可傾斜角或3D)
由上向下，X-Y平面切割，可找出99.9％的短路或錫橋(單
面SMT)。雙面SMT則需傾斜或旋轉、配合明暗度、放大等找出缺陷所在位置。
◎球腳脫落──(2D即可)
雙面SMT需配合斜角找出斷路(Open)的面。
◎球腳偏位──(2D即可)
◎球腳徑偏差、過大的氣孔、灰階偏差與非圓形接腳銲點──
例如，圖1的X-ray影像外圈有黑環，那是因為球腳變矮胖所增加的”救生圈”；即Solder mask覆蓋pad周圍或被侵蝕之銅pad圓周所熔錫形成的。
【註】：帶斜角視野、高倍之系統較易看清楚。
◎氣孔不一定會影響可靠度、除非到達一定大小或量。平時也用％稱呼氣孔量。
A.氣孔到多少％會有影響?還是得視製程參數? B.單一大的氣孔與球腳面積之比例。
2
Fig 2. PBGA 352的X-ray影像。
──3個球腳接點非圓形，超過13％。 ──1個短路。 ──2個氣孔超過5％。 ──每個球腳氣孔所佔％。
(a) (b)
Fig 3. (a)BGA球腳的上向下影像。(b)為其斜角的X-ray影像。
圖(a)有輕微偏位與不良之球腳。圖中球腳被圈出者符合無”黑圈”不失圓形狀。
3
(a) (b)
Fig 4. 圖(b)可看出三個球腳Open(斜角影像)，而圖(a)雖是3D，但看不太出來。
圖3(b)下排最左邊的球腳，球形雖完美，但這是與pad吃錫不良所致，故判定為極易Open者。
圖4(a)與(b)係2D配備斜角視野系統，對人員的”誤以為”判定及正確判定Open甚有用。
◎3D最適於深度切片分析、全自動雙面板檢查與Z高度量測。 ◎2D帶斜角視野者，成本較低，對CSP、flip-chip等可提供更高倍數的斜角視野，誠如圖3、圖4所示，可找出更多缺陷。
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报告编号 FX03- 合 同 号 FX044-1014 总 页 数 14页
分 析 报 告
样 品 名 称 ： PCBA( 手机主板) 型 号 规 格 ： C3 检 测 类 别 ： 委托分析
委 托单 位 ： ××××通信有限公司
中
国 赛 宝 实 验 室 可靠性研究分析中心
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分 析 报 告
产 品 名 称 PCBA（手机主板） 商 标 / C3 委托分析 邮政编码 ×××× 生 产 单 位××××通信有限公司 型 号 规 格 委 托 单 位××××通信有限公司 分 析 类 别 委托单位地址 ×××× 委托单位自送 联系人 ××× 电话 ×××××× 传 真 ××××××× Email××××× 样品来源方式 收 样 日 期 2004 年 5 月 31 日 样 品 数 量 3 pcs.PCBA,4pcs 空白 PCB,一瓶焊锡膏和 4pcsCPU 分 析 时 间 2004 年 5 月 31 日~2004 年 6 月 14 日 分 析 项 目 PCBA 焊点质量分析 测量环境条件 分 析 方 法 温度 22～25℃，湿度 50～55%RH，气压 101Kpa IPC－TM－610 2.1.1(Microsectioning) GB/T17359-98(电子探针和扫描电镜 X 射线能谱定量分析方法) BGA 焊点焊料与 PCBA 焊盘润湿性较差，焊料与焊盘之间未形成良好的金属 间合金层，因而焊料与焊盘之间的结合力不强；焊料与焊盘润湿不良的主要原因是PCB 焊盘可焊性差。 分析 结 论 中 国 赛 宝 实 验 室 可靠性研究分析中心 序 号 仪 器 设 备 1 2 3 4 主 签 名 检 仪器、设备名称 立体显微镜 X 射线能谱分析仪 扫描电子显微镜 金相显微镜 编 制 型 号 编 号 LEICA MZ 6 Dx4i XL-30 OPTIPHOT200 审 查 011701145 011701122 011701122-1 011701120 批 准
职务：副主任 月 日 2004 年日 期 2004 年 月 日 2004 年 月 日 2004 年 月 日
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一 样品描述
所送样品包括三片 PCBA（手机主板）、四片相应的空白 PCB 以及工艺过程中使 用的CPU 器件和焊锡膏，PCBA（手机主板）的型号为C3,样品的外观照片见图1所示，委托单位要求对 PCBA 上的 CPU 与 Flash 器件焊接质量进行分析。
焊锡膏 空白 PCB CPU
Flash
CPU 器件
二 分析过程
2.1 外观检查
图 1 样品的外观照片
用立体显 微 镜对空白 PCB 和 BGA 器 件 进 行 外观 检 测，发现 BGA 器件的焊 球大小均匀一 致，共面 性良好（见图 2 和 图 3）；空白 PCB 焊 盘表面存在一些坑 洼点（见图 4 和图 5）， 除 此 之外未 观 察 到 明 显的 异 常。
图 2 CPU 器件中 BGA 焊球的外观照片 图 3 CPU 器件中 BGA 焊球的局部外观照片
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坑洼点 图 4 PCB 板中 CPU 焊盘的外观照片 图 5 PCB 板中 Flash 的外观照片
2.2 X-RAY 检测
为了对焊点的内部状况进行检测，采用 X 射线系统对焊点质量进行无损检测， （X-Ray 的照片见图 6 至图 9），由照片可观察得出 BGA 焊点大小均匀一致，除发 现焊点内部存在少量空洞外，未发现焊球错位，焊料熔融不完全以及桥连等明显焊 接缺陷。
图 6 CPU 焊点的 X－ray 典型照片 图 7 Flash 焊点的 X－ray 典型照片
图 8 倾斜后观察到的 CPU 焊点的 X－ray 照片 图 9 倾斜后观察到的 Flash 焊点的 X-ray 照片
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空洞 空洞
图 10 部分 CPU 焊点的放大照片 图 11 部分 Flash 焊点的放大照片
2.3 金相切片分析
在样品上截取失效的 BGA 器件，用环氧树脂镶嵌后打磨抛光，用金相显微镜观 察 BGA 器件焊点的金相切片，焊点的金相照片见图 12～图 25。其中 CPU 焊点的典型 金相照片见图 12～图 19，由图可以发现部分焊球焊料与 PCB 焊盘之间润湿不良，未 观察到良好的金属间化合物层，个别焊点甚至发现存在开裂现象；同时还观察到焊 球焊料熔融不完全，存在空洞等缺陷。
图 12 CPU 器件部分焊点的金相照片 图 13 CPU 器件正常焊点的典型金相照片
PCB 焊盘
润湿不良 图 14 焊料与焊盘润湿不良的典型照片 图 15 焊点局部放大照片（见图 14 红框）
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图 16 出现空洞焊点的典型照片 图 17 焊球焊料质量不良的典型照片
裂缝
图 18 焊球与 PCB 焊盘出现裂缝的典型照片 1 图 19 焊点局部放大照片（见图 18 红框）
A B
图 20 焊球与 PCB 焊盘出现裂缝的典型照片 2 图 21 焊点局部放大照片（见图 20 红框）
图 22～图 27 是 Flash 焊点的典型金相照片，由图同样可以发现部分焊球焊料 与 PCB 焊盘之间润湿性不够良好，焊料与焊盘之间未形成良好的金属间化合物层。
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图 22 Flash 焊点的典型金相照片 图 23 正常焊点的典型金相照片
润湿不良
图 24 出现空洞焊点的典型照片 图 25 焊球焊料与焊盘润湿性不良的典型照片
焊球焊料出现开裂 图 26 焊料熔融不完全的典型照片
图 27 焊点局部放大照片（见图 24 红框）
由以上 BGA 焊点的金相照片分析发现，部分 BGA 焊球焊料与 PCB 焊盘润湿性不 良，存在裂缝以及焊料熔融不良等现象，这说明焊球焊料与焊盘之间未 形成良好的金属间化合物层。而导致焊球焊料与 PCB 焊盘润湿不良的原因可能存在如下几方面：
（1） PCB 焊盘氧化严重或沾污外来污染物导致焊盘的可焊性不良。 （2） 使用的焊锡膏润湿性不良。
（3） BGA 焊锡球可焊性不良。 为了分析 BGA 焊球的质量，对未使用的 CPU
焊球和从所送手机主板上脱落的 CPU
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焊球进行金相切片分析，发现无论是未使用的 CPU 焊球还是脱落的 CPU 焊球焊料熔 融均不够良好，焊球内部发现存在裂缝等缺陷，这说明 BGA 焊球质量不够良好。
图 26 脱落焊球的典型照片 1 图 27 脱落焊球的典型照片 2
图 28 脱落焊球的局部放大照片 图 29 脱落焊球内部出现裂缝的典型照片
图 28 未使用的 CPU 焊球的典型照片 1 图 29 未使用的 CPU 焊球的典型照片 2
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图 30 未使用的 CPU 焊球的典型照片 1 图 31 未使用的 CPU 焊球的典型照片 2
2.4 焊锡膏润湿性分析
按照 IPC-TM-650.2.4.45 的要求对工艺过程中使用的焊锡膏的润湿性进行测 试，发现所使用的焊锡膏的润湿性良好（焊锡膏的可焊性试验照片见图 26 和图 27）。
图 26 焊锡膏润湿性试验的典型照片 1 图 27 焊锡膏润湿性试验的典型照片 2
2.5 空白 PCB 板焊盘的可焊性试验
按照 IPC-STD-003（Solderability Tests for Printed Boards）要求，对委 托单位所送的空白 PCB 的可焊性进行测试，试验温度为 235,试验时间为 3S,所使用 的助焊剂为中性助焊剂（焊锡膏的可焊性试验照片见图 28 和图 29），发现空白 PCB 的部分焊盘的可焊性较差（见图中红色箭头所指的黄色焊盘），焊料对焊盘的润湿 不良或弱润湿，这说明 BGA 金相切片中发现的焊球与焊盘润湿不良与 PCB 部分焊盘 的可焊性不良有关。而引起焊盘可焊性不良的原因可能是焊盘氧化严重或表面沾污 有机物。
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图 28 PCB 焊盘可焊性试验的典型照片 1 图 29 PCB 焊盘可焊性试验的典型照片 2
2.6 SEM 和 EDAX 分析
首先对图 21 所示的开裂焊点进行 EDAX 分析，发现标识 A 处焊盘处的主要的元 素成分为镍(Ni)和磷(P)以及少量的锡（Sn）（见图 30），由于锡含量较少，这说 明开裂是位于 PCB 焊盘上的镍镀层与焊料之间，同时也说明 PCB 焊盘上的镍镀层与 焊料之间未形成良好的金属间化合物层。
图 30 裂缝 A 处 PCB 焊盘的能谱图
图 31 是图 21 标识 B 处焊料的能谱图，由图可发现主要含有锡（Sn）,磷（P）， 镍(Ni),碳（C）等元素，由谱图中检测到镍含量较多，这也能进一步说明 PCB 焊盘 上的镍镀层与焊料之间未形成良好的金属间化合物层。
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图 31 裂缝 B 处焊料的能谱
图
另外，对 CPU 器件脱落的 PCB 焊盘进行 SEM 观察，发现焊盘表面存在较多的裂 缝，这说明镍镀层的表面的致密性较差（见图 32 和图 33），因此，后续浸金工艺 中的酸液容易残留其中，致使镍镀层腐蚀氧化，这必将导致焊盘的可焊性不良。
图 32 CPU 器件脱落的 PCB 焊盘典型外观照片 1 图 33 CPU 器件脱落的 PCB 焊盘典型外观照片 2 接着对空白 PCB 的焊盘进行 SEM 观察，发现焊盘表面存在裂缝，这说明金镀层 的表面的致密性不够良好（见图 34 和图 35），对焊盘进行 EDAX 分析（结果见图 36）， 发现主要存在碳（C）,镍(Ni)和金(Au)等元素，由焊盘表面含有碳，这说明焊盘表
面粘附的外来污染物为有机物。
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裂缝
裂缝
图 34 空白 PCB 上 CPU 焊盘外观的典型照片 图 35 空白 PCB 上 FLASH 焊盘外观的典型照片
图 36 空白 PCB 焊盘的能谱图
2.7 综合分析
(1) 由 BGA 焊点的金相切片和 X－ray 可见，BGA 焊球焊料与 PCBA 焊盘润湿性 较差，焊料与焊盘之间未形成良好的金属间合金层，因而焊料与焊盘之间的结合力 较差，致使焊点容易出现裂缝。
而导致焊球焊料与 PCB 焊盘润湿不良的原因可能存在如下几方面： (a) PCB 焊盘氧化严重或沾污外来有机物导致焊盘的可焊性不良。 (b) 使用的焊锡膏可焊性不良。
(c) BGA 焊锡球质量较差，可焊性不良。
(2) 对未使用的 BGA 器件焊球和脱落的 BGA 焊球进行外观及金相切片分析，发 现 BGA 球大小均匀一致，焊球共面性良好，但焊球焊料熔融不够良好，焊球内部发 现存在裂缝等缺陷，这说明 BGA 焊球质量不够良好；而从脱落的 CPU 器件的焊点来 看，脱落位置主要位于焊盘与焊料的连接处，并不是焊球本身开裂而脱落，这说明
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BGA 焊球质量较差并不是导致 BGA 焊球焊料与 PCBA 焊盘润湿性较差的主要原因。
(3)进行焊锡膏的可焊性试验，发现焊锡膏的可焊性良好，这说明 BGA 金相切片 中发现的焊球与焊盘润湿不良并不是由于所使用的焊锡膏可焊性较差引起的。
(4)进行空白 PCB 焊盘可焊性试验，发现 PCB 焊盘的可焊性较差，说明焊球与焊 盘润湿不良和结合力不强与 PCB 焊盘的可焊性较差有关；对空白 PCB 焊盘和器件脱 落的 PCB 焊盘进行 SEM 观察和 EDAX 分析，发现金镀层和镍镀层表面存在裂缝，镀层 的致密性不够良好，这容易导致镍镀层氧化腐蚀而使焊盘的可焊性不良，同时焊盘 表面检测到沾污外来的有机污染物。因此，可分析得出 PCB 焊盘可焊性较差可能一 方面与镍镀层结构不致密，酸液容易残留其中，致使镍镀层腐蚀氧化有关；另一方 面与焊盘表面粘附外来的有机污染物有关。由于焊盘的可焊性较差才导致焊盘与焊 料之间润湿不良，不能形成良好的金属间化合物层。
三 分析结论
根据以上分析，可以得出以下结论：
BGA 焊点焊料与 PCBA 焊盘润湿性较差，焊料与焊盘之间未形成良好的金属间合 金层，因而焊料与焊盘之间的结合力不强；焊料与焊盘润湿不良的主要原因是 PCB 焊盘可焊性较差。
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注 意 事 项
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２．复制报告未重新加盖检测单位公章无效。 ３．报告无主检、编制、审核、批准人签字无效。
４．报告涂改、自行增删无效。
５ ．只对 委托样品 的检测 结果负责 ,样品保 存三个 月。
6 ． 如对报告有异议可按申诉程序要求执行。
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