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FA失效分析丨 BGA裂纹,爆板与坑裂失效分析(经典)
前天 09:18   浏览:91   来源:小萍子


一、无铅强热与爆板


无铅化以来一般人的口头禅,总是说无铅焊料的熔点较高,因而会造成板材与零组件较多的伤害,这种似是而非的欧巴桑式说法其实只对了一半。由于无铅焊料(例如 SAC 305 式锡膏)的焊锡性较差,再加上表面张力又较大(亦即内聚力较大,约比 63/37  者大了 20%),故其向外向上扩张的焊锡性已无法与 63/37 者同日而语。为了使无铅焊接的质量与可靠度较好起见,不得不延长其与基地金属(PCB 板面为电镀铜与化学镍)的反应时间,于是不但迫使操作温度上升,且所必须形成IMCCu6Sn5 NiSn4)的反应时间亦须延长。换句话说应该是所需热量(Thermal Mass)早已超过有铅焊接甚多才是正确的叙述。

图 1 此图为有铅回焊与无铅回焊两者 Profile 的比较。绿色线涵盖面积(热量)较大者,即为现行 SAC305 的曲型曲线。所辖面积(热量)较小则为先前之有铅回焊。在避免过度高温强热所造成爆板的前题下, 无铅回焊 Profile 之峰温不宜超过 250℃。为了维持热量相同而又不伤及 PCB 与零组件起见,可将较低峰温的时间予以延长,也就是延长其平顶式峰温(240-245℃)至 10-25 秒(视板面大小而定)。此种选择较低温的安全的热量,以躲开冲高峰温的危险热量才是智者所应为。此种避险术对无铅焊接而言将至为重要。

事实上从上图1 所显示的回焊曲线Profile 可知,无铅SMT 焊接处于熔点(SAC305 者约为217℃) 以上的历经时间约在 50 秒(小板与简单零件)到 90 秒(大板与复杂零件)之间,此等温度与热量当然已超过了各种板材的 Tg 甚多。就已经置身于此种酷热环境中的组装板而言,早已变成刚性不足软弱有加的 α2 橡胶态了(Elastic Stage),当然对任何 Z 方向的外来拉扯力量也就毫无招架之功矣。

图 2. 此图为 Dow Chemical 魏天伦先生在 CPCA 论坛中所发表者,主旨在说明 α2的 Z-CTE 太大才是爆板的主因。三条 TMA 所绘曲线左端斜率较小者为 α1 玻璃态,右端斜率变大者则已进入 α2 之橡胶态。注意 Tg150 的蓝线与 Tg170 的红线,两者在有铅回焊的 220℃时 Z-CTE 相同,所面临的危险度也彼此相似。但在无铅回焊时,高 Tg 红线的 Z-CTE 反高于较 Tg 的蓝线,亦即红线爆板的机会已大于蓝线, 故知高 Tg 的板材并不一定就能耐强热。

图 3. 此二图均为最新的手机板所呈现,用以代替 PTH 通孔的 ELIC 堆叠盲孔,左图共 7 个盲孔之精度堆叠,而使得 8 层铜面完成互连。右图说明其细部做法是先从双面板开始,也就是先在其单面铜箔上蚀刻出铜窗(Window),再用镭射烧出盲孔并经电镀铜填平盲孔。然后再利用胶片进行双面压合,并继续烧出盲孔与镀铜完成多次增层,如此重复流程完成增层式手机板。不过,此种 ELIC 做法虽然好处颇多,但却在无通孔铆钉效应之协力下,无铅焊接中之容易爆板也是无可奈何的事。

单就 FR-4 板材而言,其 XY 热胀率(CTE)约在 14-16ppm/℃之间,此种胀缩不大的优良质量, 实乃拜玻纤布钳制补强之所赐!然而板材在 Z 方向的热胀则已全无任何助力可持,幸而完工 PCB 上若尚设有众多通孔时,则在孔壁铜材本身的热胀率为 17ppm/℃,以及良好通孔之铜厚(1mil 以上) 与优异延伸率(Elongation,此词常听到下里巴人说成为延展性)到达 20%者,则亦将会呈现一种铆钉式之钳制效应(Rivet Effect),而有助于压抑板材 Z 热胀与减少其迸裂的危机。现行手机板(例如 3+2+3 者)在填充盲孔之镀铜技术成熟下,渐以任意层间堆叠盲孔法(Every Layer InterconnectionELIC)代替一般镀通孔。一则可降低成本与避免树脂填塞通孔的困难,再则可减少机钻而缩短流程。
然而却在全无铆钉效应下,其特别容易爆板的现象也就不言而喻了。

从众多最新文献与笔者近日大量制作爆板的切片看来,真正造成分层爆板的主要原因应该是:板材 α2 橡胶态的 Z-CTE 太大所致!IPC-4101对全新六项“似可适用于无铅焊接(May be suitable for use in lead-free soldering)的板材”(即/99、/101、/121、/124、/126 与/129 等六项全新编号的板材),系以全新规定的四项办法作为解决方案,亦即:
1.树脂中添加无机填充料(Fillers)
2.规定热裂温度 Td 的起码门槛(例如/99 为 325℃)
3.规定六项板材 α2的 Z-CTE 上限为 300ppm/℃
4.规定最起码之耐热裂时间,例如 TMA288(T288)之下限为 5 分钟等。
不过即使六项规格之商品板材全数达到此等最新要求,也无法保证其 PCB 在下游组装的回焊制程中就不致发生爆板。当然其中还另牵涉到 PCB 本身制程的影响(例如压合管理与 PTH 以及电镀铜等制程的因应),以下游回焊炉与回焊曲线(Profile)的好坏与优劣,甚至零组件在强热中与板材 CTE的差异等。而后者所造成软弱的板材被零组件所拉裂者,则尚非 CCL 或 PCB 业者所能掌控。

二、自我胀爆与外力拉裂的差异

2.1自我胀爆的原因与现象

各式多层板爆板的主要原因,是树脂本身在强热 α2 橡胶态中其 Z-CTE 太大所致。此种厚度方向的胀裂,将出自于玻纤与树脂之亲合力欠佳、树脂与铜箔黑化皮膜之附着力差强,或树脂本身硬化度(Degree of Cure)不足而自我开裂等不同失效模式。再加上其它多项内在与外在因素的推波助澜下,欲使无铅焊接全身而退彻底免于爆板者几不可能,此等额外火上加油等因素案例有以下:
1.多层板众多 PTH密聚的热量集中区。
2.全无 PTH协助钳制的大铜面区域也容易爆板。因 PCB其 Z方向热胀含 α1 与 α2两者的总 Z-CTE 约为 3.5%,而铜孔壁的 CTE 为 17ppm/℃,且当铜厚超过 1mil 以及延伸率可达 20%时,则该等 PTH 铜壁应已具有抗爆的铆钉效应。
3.新式任意层互连(ELIC)之 HDI 手机板已无正统之 PTH,而代之以多枚填铜式堆叠盲孔的做法, 此全无铆钉加持之多层板也容易发生爆板。
4.多层板受到机械外力冲击,以致结构受损区域也容易爆板,例如加工粗糙的 V型切口(V-cut) 或冲切外形(Punch)等。
5.至于下游组装客户回焊炉的质量不佳,与无铅回焊曲线(Profile)量测的手法欠妥与管理不善等, 也会造成某些爆板。例如:回焊曲线起步阶段的升温速率(亦称斜率)太快,导致 PCB板面过热而板内还来不及升温时,在彼此热胀不均的剪力下,结构较弱处容易发生起泡现象,此升温段(Ramp up)的斜率须按板面大小与零件多少而有 1℃-3℃/sec 的调节范围。
6.良好回焊炉应保持 PCB板温差不超过 5℃,空炉之待焊区(可利用铝板或特殊的测温板搭配测温仪去量测)其温差不宜超过 2℃。且长方型的板子应采横向行走的模式,以拉近前后板面的温差。

如此方可减少板面热量的落差与爆板。
7.大型厚板或多颗 BGA之组件者,宜采用鞍部(150℃-190℃)较长的回焊曲线,尽量达到全板面与板体内外的均温性(注意树脂与玻纤均为不良导体),以减少爆板。峰温前的斜率也应视板子大小而控制在 1-3℃/sec左右,一般组装板其峰温也不宜超过 245℃。需求热量较多之大板者可采延长峰温的做法,也就是平顶型的 Profile,且峰温时间可延长到 20秒,如此将可避开使用危险高温区(250℃以上)的不良热量。

图 4 左图为 12 层板叠构之内层大铜面区,无铅焊接强热中经常会造成各内层间的多处微裂。通常多层板只要外层未出现起泡或分层隆起者,众多内层间之多处微裂将永不为人知,但可靠度方面(例如 CAF) 却不免隐忧重重。右图为更高多之 22 层板,因为有了厚度已够(1mil 以上)延伸率也颇良好(20%以上) 之优异通孔铜壁,在所形成铆钉效应的协力下,已大幅减少板内微裂的缺失了。然而一旦厚铜多层板者则又另当别论矣!

图 5 即使有了良好品质 PTH 的铆钉效应,但在板材 α2 的 Z-CTE 太大之际,下游多次不良 Profile 的回焊后,多层板或厚铜多层板仍难逃爆板与微裂的宿命。高厚多层大板的无铅回焊,其板材宜采高 Tg(一般商用板则可采中Tg韧性较佳者),PN硬化与添加Filler之做法才是无铅的正途。(以上三图取材自2005年德国 Multek 公司 EIPC 发表之论文)。


图 6 此为具多枚 BGA 大板类于有铅回焊之长鞍型 Profile,长鞍的目的就是让厚大板的板面与板内尽可能的取得均温,且还可让多枚 BGA 的腹底也在获取足够热量后,才开始往强热的峰温攀升,以减少爆板与 BGA 内球的冷焊。无铅回焊的 Profile 虽在温度方面有所拉高,但传热的原理却仍然未变。


2.2板材遭斜向拉裂的 Pad Crater

上述者均为强热中板材自身 Z 膨胀所呈现的各种迸裂现象,然而组焊中还将由于零组件在 X、Y 或 Z 方向的热膨胀与 PCB 板材之间差距太大时,其橡胶态已软化的板材树脂,还可能另被零组件
(元器件)一并将铜垫与垫底基材连根带土的拔起。此种斜向的拉断与板材的水平开裂者完全不同, 特称为 Pad Crater 承垫坑裂。例如 BGA 所具刚性较大之无铅锡球,与大型陶瓷电容器较僵硬者,其无铅焊接中不时会将铜垫与底部树脂基材连根拔起。刚性较弱熔点较低的有铅锡球,在强热中受到拉扯时经常会被拉长变形而消除其应力;至于刚性较大(即模量 Modulus 较大)的无铅锡球,在 BGA 角球不易拉长下经常会将铜垫与下面的基材一并拽起。事实上此等斜向拉扯开裂的基材,倘若尚未造成导线断路时,其等局部之浮裂将永不为人知,也很少会酿成什么灾害。正如多层板焊后内部的各种微裂若尚未拉断通孔铜壁时,也从不会被认定为是什么质量缺点。然而一旦断线或断孔时,则势必代表大条了

图 7 由左示意图可见到无铅球甚为僵硬,而有铅球脚则比较柔软,因而一旦受到外力时(热应力或机械应力),僵硬的锡球会直接将应力转移给顶部 BGA 载板的焊点,进而造成颇多不为电测所得知的内伤。右图说明无铅与有铅两者在应力与应变所组成杨氏模具线(Young'sModulus,或称模数)之比较,当模具较大(即斜率较大或刚性较大)的无铅球,受到一定外力冲击下其应变显然不足。但有铅球却因斜率较小下(刚性减少挠性增多)其应变已显然增大,也就是说受到外力时,容易变形的有铅球反而能够吸收冲击减少焊点的故障。

图 8 左为无铅球回焊强度中所呈现的 PadCrater,由于未造成任何断路,故电测法将永难侦知。然而在已开裂而出现通路下,CAF 将有机可乘而为害产品了。右图发生的坑裂已将导线扯断,当然也就难逃法网了。

三、BGA 焊点失效与承垫坑裂

由于无铅焊接的强热造成板材树脂已处于 α2 软弱的橡胶态,再加上 BGA 封装载板顶部内硅晶片的 CTE 只有 3-4Pppm/℃,且在强热中载板本身 XY CTE 15ppm/℃之际,其两者之差异会迫使 BGA 载板会发生凹形上翘(Concave Warpage)。于是此种 BGA 四个角落向上的拉力,经常会酿成不同的灾难,也就是垂直拉拔中会呈现不同的失效模式(Failure Mode:

图 9 强热中垂直或斜向拉扯所造成的坑裂,多半沿著玻纤布与树脂的介面或其走势而开裂,此将与玻纤布表面的 Silence 处理或 ButterCoat 的厚度有关。(以上三图与 12.13 图均取材自 IPC/CPCA  在深圳举行之论坛)

图 10 大型 BGA 无铅回焊的强热中,其载板(Substrate 在 XY 之 CTE 约 14-15ppm/℃)将因矽芯片的 CTE 太小(3-4ppm/℃)而呈现上凹现象。此时会将外线的有铅锡球拉而消除其应力,无铅球则因刚性较大而容易出现断头或断脚的危机(注意此图为室温回复后的外观)。

1.倘载板植球承垫之表面皮膜为电镀镍金者,则在金脆情形下容易发生球脚顶部焊点开裂之断头现象。
2.由于锡球表面氧化层较厚,致使 PCB承垫上锡膏之免洗助焊剂无法有效去除时,则锡膏无法与锡球彼此完全愈合之下,将容易发生枕头效应(Head  on  Pillow),这种貌合神离的异常状态,当然经不起任何外力的拉扯而容易从中介处分开。
3.一旦由于无知而竟然在 PCB球垫上采 ENIG之表面处理者,则无铅焊接中不但会发生两次富磷与氧化镍之黑垫(BlackPad),而且还将因浸金层所形成的 AuSn4未能远离介面而发生的金脆(Gold Embrittlement),均亦可能引发断脚之失效。

4.PCB无铅待焊之密距 CSP,当其球垫中心之跨距(Pitch)已逼近到 0.5mm甚至 0.4mm者,则 PCB 之垫径约只剩下 10mil8mil,如此狭小的垫面对表面张力较大的无铅焊接而言,理应在垫表可焊面积之外其垫侧亦须加入协力才对。然而一般无知的上游设计者居然对无铅毫无所悉,仍然继续采用老掉牙的绿漆上垫(SM on Pad)的做法,致使 PCB球垫之焊点强度大幅减弱。一旦 PCB尤其是手机板竟然碰到了如此无知的荒谬客户,强度不足断脚后的一再索赔,又岂是自认倒霉所能咽得下的忿忿怨气。

图 11 左图为大型 BGA 无铅回焊后经内视显微镜(Endoscope)所见到球脚在 PCB 的焊点外观,明眼人一见便知锡膏与锡球两者并未发生彼此熔合,特称为枕头效应(HeadonPillow)。原因之一是回焊曲线不良内球热量不足的典型冷焊(CodlSoldering);
原因之二是锡球表面已呈现严重的氧化,且在锡膏中免洗助焊剂之活力偏弱下,无法去除其氧化物进而形成冷焊。此种差劲的可靠度也将永不为电测所侦知, 也较易遭外力所拉断。

图 12 左图为强热中已发生的坑裂,但于降温后又使得基材回缩到原状,然而却出现无法愈合的开裂情形,右图为红墨水试验后所见到的铜垫上附着的基材,也就是坑裂最明显的证明。

图 13 左图绿色的 A 与 C 供应商,其等板材树脂之微硬度较低,故并未发生坑裂。而 B 与 D 红色供应商所用板材树脂之微硬度较高者,则已发生坑裂。右图 H/I 与 H/2 两供应商板材之 Tg 较高,在模量高刚性之下已发生坑裂。至于 S/1 与 S/2 两供应商之板材为低 Tg 典型之 FR-4 者,则未发生坑裂。


5.所幸 BGA于无铅焊接中均未出现上述故障者,则刚性较明显与硬度较大的无铅锡球,当强热使载板朝上用力扯拉中,会直接将力量传达给球脚的顶部与底部而发生断头与断脚,甚至有可能将PCB承垫底部的树脂连根拔起斜向拉裂。事实上事后用红墨水试验法(Dyeand Pry)即可判断其等板材是否有裂缝存在。

图 14 左图说明无铅回焊之上风温比下风温高出 50℃,另将使得 PCB 呈现隆起现象,也更造成了 BGA 角球被拉长扯裂的应力。右图说明板面所贴装较大型之电容器时,由于其 CTE 与 PCB 的 CTE 相差很大, 且在 α2 板材变软下,其拉扯的应力,也经常会将板材斜向局部拉裂。


四、改善行动

全新定义的承垫坑裂Pad Crater)是 2006 3 月由 Intel 论坛的一位 Gary Shade 首先提出, 之后 Intel 另一位 Gary Long 又于 2006 10 月深圳所举办的 IPC/CPCA 论坛中再度加以陈述,并组织了业界共同研究的单位,其中 IT 知名大厂 IntelCiscoJabilSunIBMFoxconn(鸿海)、DellLenovo(联想)、MerixAppleIsolaCelesticaHenkelDage 均已参与,该 WG 之工作目标将锁定在:
1.如何检测已发生的 Pad Crater
2.如何预测可能会发生的 Pad Crater
3.订定 PadCrater的允收规格。
4.如何试从基材板的质量指标(TgTdPealStrength等)中找出可能 Pad Crater的原因。至于目前可行性的实际改善办法约有:
1.取消大型 BGA四个角落的各三颗球脚,或布置无功能的假球脚与假承垫。
2.高阶产品可在 BGA腹底充填 Underfill
3.小型 BGACSP可在四角之外缘点着角胶(Cornerfillor Coner Glue)。
4.针对 BGA四个角落的球脚承垫,采绿漆上垫(SolderMaskDefinedLand)的做法以强化承垫在板面的固着力。
5.将四个角落的 1 个或 3 个承垫(甚至无功能者)加大其直径,使在强热中具有更好的抓地力。


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