PCBA技術 - PCBA制程及PCBA品質檢查的缺失

PCBA的品質檢查

1、X-ray撿查

PCBA組裝後利用X-ray可看到BGA腹底隱藏焊點的牽線、開路、焊料不足、焊料過量、掉球、失淮、爆米花，以及最常出現的空洞等缺失。

2、掃描式超聲波顯微術

完工的組裝板可利用SAM掃瞄檢查各種內在隱藏情况，封裝業系用以偵測各種內藏的空洞與分層。 本SAM法又可分為A〈點狀）、B〈線狀）、C〈面狀）等三種掃瞄成像管道，以C-SAM面狀掃瞄者最常用。

3、側視顏樣銳法檢驗PCBA

此法可針對局限死角區域的微小事物，進行光學放大之側向目視檢查。 BGA的球脚焊接情况即可用以檢查外圈情况。 本法是利用稜鏡旋轉90°式的鏡頭聚焦，再搭配高解析度的CCD以傳送畫面。 倍率在50X到200X之間，還可實施正光與背光觀察。 可見到焊點情况有：總體外觀、吃錫情形、焊點形狀、焊點表面花紋、助焊劑殘渣等各種缺點。 但此法對BGA的內球卻看不到，需利用極細的光纖管內視鏡伸入腹內去直接觀察。 然而理念雖好卻並不務實，不但昂貴而且容易折斷。

4、螺絲起子測强法

利用特殊起子轉動時所發生的扭力矩，去頂起並撕裂焊點，以觀察其强度如何。 此法雖可找出焊點浮離、介面分裂、或焊體開裂等缺失，但對PCB薄板卻效果不佳。

5、微切片法

本法不但需要切樣製備的各種設施，而且更需要精密的技巧與豐富的判讀知識，才能以破壞式的做法，追根究底找出眞正問題之所在。

6、滲入染色法（俗稱紅墨水法）

將試樣浸入已稀釋的專用紅色染料溶液中，於是各種焊點的裂縫與小洞即遭其毛細式的滲入，隨後即予以烤乾。 當各試驗球脚被强力拉開或撬開後，即可檢查斷面上有無紅斑，而看出焊點的完整性如何？ 本法又稱為Dye and Pry，其染液也可用螢光染料另行配製，於紫外光環境中將更容易看清楚眞相。

BGA球脚空洞及其他缺點

1、焊點空洞的成因

各種SMT錫膏所形成的焊點，都免不了會出現大小多寡不等的空洞，尤其以BGA/CSP球脚類焊點的空洞更多，且進入高熱量的無鉛焊接後，其空洞的趨勢更是火上澆油，惡劣程度自必遠甚於前。 追究其成因約可歸數類於後：

有機物料：錫膏中含有機物約10-12% by wt，其中又以較多的助焊劑影響最大，各種助焊劑的裂解發氣程度不同，應選用發氣率較少者為上策。 其次是高熱中的助焊劑會坿著在焊料表面的氧化物上，故能快速除去氧化物者即可减少空洞的生成。 由於無鉛焊錫性並不好，也將使得空洞更形惡化。

PCBA焊料：熔融焊料與清潔待焊面接觸時，會立即生成IMC而焊牢。 但此反應將受到焊料表面張力大小的影響，表面張力較大者其內聚力也大，於是向外擴張所需的附著力或流動性均將變差。 因而使得表面張力較大的SAC305其錫膏焊點中有機物或氣泡等，就不容逸出焊體之外，而只能被拘留在體內成為空洞。 一且一旦錫球熔點低於錫膏時，則空洞會不斷浮入球中而聚集變多，下二圖即為其想法之圖示說明

電路板表面處理：凡墊面處理皮膜容易沾錫者，其空洞即會减少，否則縮錫或拒焊等處，都將引發氣泡的聚集而成大洞。 至於容易造成焊點開裂的介面微洞，則以浸鎮銀兩者較常發生。 浸銀表面有一層透明的有機薄膜，可用以防止銀變色； 由於焊接中銀層會迅速溶於液錫中形成Ag3Sn5的IMC。 剩下的有機膜在强熱中不免會裂解而成為微洞，特稱為“香檳泡抹”，故知銀層不宜太厚而以0.2 μ m以下較佳。 OSP太厚時也會產生介面微洞，其皮膜不可超過0.4 μ m。

浸鍍銀是在酸性槽液之銅面上，以置換管道產生的皮膜。 為了同時完成防變色的功能起見，外表又坿著一層有機分子的薄膜，使得銀面不致過份劣化而影響到焊錫性。 後續焊接反應中銀份會迅速溶入液鍚形成Ag3Sn5的片狀IMC，介面上所留下的有機膜一旦遭遇强熱，很可能就會裂解成為眾多的小空洞，特稱為“香檳泡抹”。

有時焊墊面積較大者則也較易發生空洞或微洞，此時可采分裂法加入數道出氣的溝渠，或印上綠漆十字線，方便使氣體逸出而避免空洞。 至於微盲孔造成的空洞，當然以電鍍銅塡孔為最佳的選擇了。 其他避免錫膏吸水，杜絕銅面過份粗糙或有機殘膜等，也都是减少空洞的有效做法。

PCBA的BGA空洞允收規格

球脚空洞太多時將影響其導電與傳熱，而且焊點可靠度也不好。 下錶其俯視剖面空洞直徑所占球徑之允收度上限為25%，此25%之直徑約等於總接觸面積之6%，且大小空洞須合併計算。 球脚與載板或電路板上下兩種焊墊之介面空洞，實際上才是開裂之主因。

空洞直徑不可超過俯視球徑的25%。 中圖說明空洞直徑若占球徑之35%時，約等於所占墊面之12%面積比例。 右圖為新型X-Ray儀器搭配特殊軟體，而可測到球徑、空洞面積與單一大洞等數據。

PCBA的BGA空洞分類

BGA空洞按其位置與來源可分為5類，憑良心講上清單圖對空洞之分類堪稱十分粗糙，將來勢必還會再修正。

BGA牽線

球脚之間牽線短路的原因可能有：錫膏印刷不良、元器件放置不正確、放置後又再進行手動調整，或熔焊中濺錫所致。 而Open的原因有錫膏印刷不良、放置後又加以調動，共面性不良，或板面焊墊之焊錫性不良等。

BGA冷彈

Cold Solder之主要原因是：熱量不足所致，其焊料與被焊面之間並未形成IMC，或IMC之數量與厚度不足，以致未能展現有力之强度。 此種缺點只能用光學顯微鏡與微切片去仔細檢查。