如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?

很多人一直都有個疑問，要如何判斷BGA掉落是來自於SMT工廠的製程不良造成？還是因為電路板的製程缺陷引起？或是設計上的問題？很多設計者只要一碰到BGA零件掉落的問題，往往一口咬定就是製造廠焊接不良造成，讓很多工廠的工程師百口莫辯。
根據我的瞭解，BGA掉落的原因雖然大部分與工廠或零件的製程不良有關，但也不能排除電路板設計上的問題。

在分析問題之前，有必要先瞭解問題發生的環境狀況， 因為在不同狀況下所發生的相同不良現象，往往可能來自不同的真因(Root Cause)，一般BGA會掉落通常是發生在產品摔落測試的時候，或是客戶使用不小心從高處跌落，如果在沒有外力施加其上就會掉落，那幾乎可以很肯定 99%是產品或零件的製造過程有問題，一般不外乎空、假焊或零件焊接面氧化造成，ENIG的板子則有可能含磷量太多所造成的黑墊現象(Black Pad)。
其次要瞭解問題的本質，先來想想在正常請況下，零件究竟會從那個斷面破裂掉落呢？當然是從其最脆弱的 地方掉落啦，那如果是 SMT 的 reflow 焊接沒有焊好，那就應該會斷裂在 BGA 的錫球(ball)與電路板的焊墊之間，當然會發生在這個地方的斷裂，也有可能是 BGA 的錫球氧化，或電路板的焊墊氧化造成；如果是焊墊的設計太小致無法承受太大的落下衝擊力時，就會造成電路板上的焊墊被拉扯下來的現象，其實這種現象也有可 能是 PCB 廠商壓合不好造成；另外也有可能是錫球內有太多的氣泡(voids)，造成錫球的強度不足而斷裂在錫球的中間。
就因為 BGA 掉落有種種的可能原因，所以我們在分析這樣的問題時，最好要同時檢查電路板與 BGA 的零件面，以確認它的斷裂面位於何處，還要檢查其斷裂面的形狀以判斷是外力的強力拉扯或是焊接不良造成，所以得準備高倍顯微鏡，有必要的話還得準備 SEM/EDA(Scanning Electron Microscope/Energy-Dispersive X-Ray spectroscopy)來分析斷裂面的元素組成成份。
檢查BGA掉落時應該以相對應的單顆錫球及焊墊為單位，而且要同時檢查 BGA 的錫球與 PCB 的焊墊，這樣才能得到完整得答案。
 
可以先檢查 BGA 的斷裂面，看看錫球是否還留在 BGA 上面，沒有意外的話錫球應該都會留在 BGA 上面，如果錫球不在 BGA 上面，那就有可能是 BGA 零件本身的錫球焊錫不良。
如 果 BGA 的錫球完好，再檢查錫球(Solder ball)的斷裂面有否出現粗糙凹凸不平的現象，有的話表示錫球的吃錫良好，斷裂應該是外力撞擊所造成。如果斷裂的錫面很光滑，還呈現出圓弧狀，那就很有 可能是假焊(NonWetting)或是冷焊(Cool Solder)，想對的 PCB 焊墊上的焊錫面應該也會呈現出光滑的圓弧狀。
如果斷裂面是發生在錫球的中間，那就要檢查看看斷裂面有無部份內凹的光滑面，這通常代表著錫球內有氣泡產生，氣泡也是造成焊錫斷裂的可能原因之一，就像是中 空的梁柱一樣，其支撐力就會減弱。錫球會產生氣泡的原因很多，一部分是 reflow 的 profile 沒有調整好，還有一部份是來自白目的設計者，硬是要把通孔設計在焊墊上，因為他們只在乎這樣可以節省空間，殊不知這樣會嚴重造成焊接不良、少錫、氣泡.. 等後果，然後要製造廠買單。
 
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最後一個斷裂點是 PCB 的焊墊被拉扯下來，也就是說焊墊與 PCB 的連接處變成最脆弱的地方，會發生這樣的原因一般可能來自 PCB 的焊墊設計太小，或是 PCB 的壓合強度不足造成，也有可能是因為PCB的反覆高溫維修，弱化了結合強度，如果問題是來自前項，解決的方法可以加大焊墊的尺寸，另外還可以用綠漆 (solder mask)把焊墊的外圈覆蓋起來，這樣也可以補強焊墊的強度；在所有方法都試過還不能解決問題後，再來考慮 underfill(底部填膠)吧，因為 underfill 真的很麻煩，不但要在 reflow 之後先完成測試增加填膠及烘烤的動作，維修起來也不方便呢。
那如果斷裂發生在 IMC 層呢？下次有機會在談吧！