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【失效分析】主板BGA裂纹案例分析

09月,21,2022 | 浏览次数：25145

背景：客户生产的主板BGA在第二次炉后出现裂纹，断裂发生在元器件一侧。因此，委托实验室进行分析，以便找到故障原因。
分析结果：
1. 排除了“金脆”引起BGA开裂的可能性。
2. 动态翘曲测试结果表明，PCB板在加热过程中变形明显，呈现中间凹陷、左右两侧凸起的形状。冷却后翘曲现象最为严重。
3. 裂纹焊点的统计结果表明，裂纹多发生在未植球的空白区域附近，部分区域焊点裂纹较为严重，与翘曲有一定的相关性。根据测试结果，BGA焊球越靠近PCB的中间区域，越容易开裂。
4. 原材料切片后，在锡球中发现了原始的微裂纹。据推测，焊球中原有的微裂纹在焊接过程中，PCB板翘曲变形，使得裂纹扩展，导致焊球开裂。
失败的症状：BGA开裂

根本原因：BGA原材料有原始微裂纹，PCB在焊接过程中翘曲变形，使裂纹扩展，导致开裂。 

改进建议：

1. 焊接过程中控制BGA的翘曲。

2. 严格控制BGA来料质量。

主板BGA出现裂纹

客户主板BGA在第二次炉后出现裂纹，并且断裂发生在组件一侧。

PCB表面处理是化镍浸金。

主板BGA裂纹分析图表

在第四排焊球（第4行）发现裂纹。裂纹发生在BGA侧，裂纹沿IMC扩展，焊锡在断口表面重熔。结果表明，裂纹与翘曲有关，可能发生在第一道工序的冷却阶段或第二道工序的加热阶段。

此外，断裂区还发现金元素富集，应排除“金脆”现象。

BGA开裂原因分析图

冷拔+断裂分析

将主板浸入3%荧光剂溶液中，抽真空，干燥，并在BGA位置上冷拉。观察焊点在紫外光照射下的发光情况，以确认开裂情况。

冷拔+断裂分析

焊点开裂区未发现明显的Au元素富集，排除了“金脆”引起BGA开裂的可能性。

PCB四板进行动态翘曲试验图表

对PCB四板进行了动态翘曲试验，结果如上图所示。PCB在室温下即有一定的变形，中间有凹面，左上角和右下角有一定凸面。

PCB四板进行动态翘曲试验分析图

PCB四重板在加热过程中会逐渐软化变形，呈现中间凹陷，两边凸起的形式，直到冷却结束，这种形式也没有明显变化。在最后冷却到室温时，翘曲出现极值。因此，在第一炉后，PCB冷却后会有最大的翘曲。

仅有B面的小板进行动态翘曲试验图表

对仅有B面的小板进行了动态翘曲试验，结果如上图所示。未发现明显翘曲。个别的小板翘曲并不严重，并且小板上的塑料部件不会加剧PCB翘曲。

焊球高度受翘曲影响的变化曲线图

计算了缺陷BGA焊球的高度。结果表明，BGA焊球是中高两侧低的，焊球高度受翘曲的影响。

在BGA焊球的左侧，裂纹更多地出现在左侧。右侧锡球，右侧多出现裂缝。与翘曲有一定的相关性。

不良BGA焊球的裂纹状况统计分析图

对不良BGA焊球的裂纹状况进行了统计分析。结果表明，焊点裂纹多发生在未植球的空白区域附近，部分区域（红框位置）裂纹较为严重。

PCB四重板加热过程中各区域软凹变化图

PCB四重板在加热过程中，中间区域（红圈位置）会出现软凹现象，变形明显。

综上所述，BGA焊球越靠近PCB的中间区域，就越容易开裂。


结果发现，1pcs BGA原材料的角部部分锡球存在小间隙或微裂纹。在第一排25个焊锡球中的三个发现了微裂纹或小缺口。 在小切口区域内，内模控制的形成可能与球的边缘去湿有关。 

综上所述，推测具有原始微裂纹的焊球在焊接过程中会对PCB板产生翘曲变形，使裂纹扩展，导致焊球开裂。

结论

1. BGA裂纹发生在模块侧面的IMC层，断口进行了两次重熔。断裂带内存在金元素富集现象。 

2. 排除了“金脆”引起BGA开裂的可能性。

3. 动态翘曲测试结果表明，PCB板在加热过程中变形明显，呈现中间凹陷、左右两侧凸起的形状。冷却后翘曲最严重（255°C至25°C）。 

4. 裂纹焊点的统计结果表明，裂纹多发生在未植球的空白区域附近，部分区域焊点裂纹较为严重，与翘曲有一定的相关性。根据测试结果，BGA焊球越靠近PCB的中间区域，越容易开裂。

5. 原材料切片后，在锡球中发现了原始的微裂纹。据推测，焊球中原有的微裂纹在焊接过程中，PCB板翘曲变形，使得裂纹扩展，导致焊球开裂。

改进建议

1. 在焊接过程中控制PCB的翘曲。 

2. 严格控制BGA来料质量。


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