PCBA大讲堂：如何判断BGA掉件是SMT工厂制程或是设计问题?

相信很多人一直都有个疑问，要如何判断BGA掉落是来自于SMT工厂的制程所造成的不良？还是因为电路板的制程缺陷引起？或是PCB设计上的问题？很多PCB设计者只要一碰到BGA零件掉落的问题，往往一口咬定就是制造端焊接不良造成，让很多SMT工厂端的工程师百口莫辩。

根据深圳宏力捷的了解，BGA掉落的原因虽然大部分与工厂或零件的制程不良有关，但也不能排除电路板及结构设计上出来信赖度的问题。

在真正分析问题之前，有必要先了解问题发生的环境状况，因为在不同状况下所发生的相同不良现象，往往可能来自不同的真因(Root Cause)，一般BGA会掉落通常是发生在产品摔落测试的时候，或是客户使用不小心从高处跌落，如果在没有外力施加其上就会掉落，那几乎可以很肯定99%是产品或零件的制造过程有问题，一般不外乎空、假焊或零件焊接面氧化造成，ENIG表面处理的板子也有可能含磷量太多所造成的黑垫现象(Black Pad)。
 

其次要了解问题的本质，先想想在正常请况下，零件究竟会从那个断面破裂掉落呢？当然是从其最脆弱的地方破裂萝，那如果是SMT的reflow焊接没有焊好，那就应该会断裂在BGA的锡球(ball)与电路板的焊垫之间，当然会发生在这个地方的断裂，也有可能是BGA的锡球氧化，或电路板的焊垫氧化所造成；如果是焊垫的设计太小致无法承受太大的落下冲击力时，就会造成电路板上的焊垫被拉扯下来的现象，其实这种现象也有可能是PCB厂商压合不好造成；另外也有可能是锡球内有太多的气泡(voids)，造成锡球的强度不足而断裂在锡球的中间。

就因为BGA掉落有种种的可能原因，所以我们在分析这样的问题时，最好要同时检查电路板与BGA的零件面，以确认它的断裂面位于何处，还要检查其断裂面的形状以判断是外力的强力拉扯或是焊接不良造成，所以得淮备高倍显微镜，有必要的话还得淮备SEM/EDA(Scanning Electron Microscope/Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy)来分析断裂面的元素组成成份。
 

检查BGA掉落时应该以相对应的单颗锡球及焊垫为单位，而且要同时检查 BGA 的锡球与PCB的焊垫，这样才能得到完整得答案。

可以先检查BGA的断裂面，看看锡球是否还留在BGA上面，没有意外的话锡球应该都会留在BGA上面，如果锡球不在BGA上面，那就有可能是BGA零件本身的锡球焊锡不良。

如果BGA的锡球完好，再检查锡球(Solder ball)的断裂面有否出现粗糙凹凸不平的现象，有的话表示锡球的吃锡良好，断裂应该是外力撞击所造成。如果断裂的锡面很光滑，还呈现出圆弧状，那就很有可能是假焊(Non-Wetting)或是冷焊(Cool Solder)，想对的PCB焊垫上的焊锡面应该也会呈现出光滑的圆弧状。

如果断裂面是发生在锡球的中间，那就要检查看看断裂面有无部份内凹的光滑面，这通常代表著锡球内有气泡产生，气泡也是造成焊锡断裂的可能原因之一，就像是中空的梁柱一样，其支撑力就会减弱。锡球会产生气泡的原因很多，一部分是reflow的profile没有调整好，还有一部份是来自白目的设计者，硬是要把通孔设计在焊垫上，因为他们只在乎这样可以节省空间，殊不知这样会严重造成焊接不良、少锡、气泡..等后果，然后要制造端买单。

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最后一个断裂点是PCB的焊垫被拉扯下来，也就是说焊垫与PCB的连接处变成最脆弱的地方，会发生这样的原因一般可能来自PCB的焊垫设计太小，或是PCB的压合强度不足造成，也有可能是因为PCB的反覆高温维修，弱化了结合强度，如果问题是来自前项，解决的方法可以加大焊垫的尺寸，另外还可以用绿漆(solder mask)把焊垫的外圈覆盖起来，这样也可以补强焊垫的强度；在所有方法都试过还不能解决问题后，再来考虑 underfill(底部填胶)吧，因为underfill真的很麻烦，不但要在reflow之后先完成测试增加填胶及烘烤的动作，维修起来也不方便呢。

那如果断裂发生在 IMC 层呢？下次有机会再谈吧！