机械应力导致线路板上BGA 基座和焊点开裂案例分析

彭廷果 惠普贸易重庆有限公司 401332

机械应力导致线路板上的BGA 基座和焊点开裂是BGA 开路不良现象之一，接下来我们用一具体案例来分析和了解该类不良。

1 问题描述

在功能测试工站侦测到线路板上U64, U65 位置 BGA 开路不良, 10.55% (17/161) 不良率。用3D 放大镜看不良焊点位置发现BGA 焊点和基座之间开裂.

2D X-ray 扫描发现不良BGA 焊点影像和良好BGA 焊点影像没有明显区别， 2D X-ray 不能侦测到该BGA 断裂不良。将其中三片不良板重新测试5DX，都通过， 5D X-ray 也不能侦测到该BGA 基座断裂不良.

2 原因分析

检查回流焊的温度曲线，没有发现异常。重新分析了该机台在生产过程中经过的每一个工站，发现线路板ICT（In Circuit Tester）电性测试工站和组装工站都有机会造成BGA 焊点锡裂的风险。因为ICT 电性测试时， ICT 测试探针会压到该BGA 表面，因而有机械应力作用到BGA 表面。

于是我们对ICT 工站和组装工站作Strain gauge 测试。　

ICT 工站Strain gauge 测试结果：最大压力小于200u， 标准： 400u。ICT 工站Strain gauge测试结果都通过，没有发现异常.

组装工站Strain gauge 测试:

组装工站Strain gauge 测试点位在BGA 两端靠近散热片弹簧柱的位置。

组装工站Strain gauge 测试方法：测试将散热片两端的弹簧柱压到线路板孔的过程中BGA 的受力情况。

测试结果： （1）在该弹簧柱组装过程中，有一个由上向下的力作用在BGA 上，该力是在由上往下压弹簧柱的过程中产生的，该力在200u 以下：符合标准。（2）但是还有另外一个由下向上的力作用在BGA 上。

根据Strain gauge 测试结果，猜想不良原因: 当压散热片两端的弹簧柱, 然后松开后， 弹簧因延伸开来对散热片有一个由下向上的反弹力，由于散热片粘合在BGA 表面上，因而散热片对BGA 有一个由下向上的反冲力，该反冲力过大导致BGA 在基座处开裂。

那怎样验证这个猜想呢?

3 实验验证

3.1 BGA 不良点位位置分析

将所有实际产生的17 片不良BGA 开路的点位作一个统计分析图发现所有不良点位都集中在BGA 左上角和右下角处：左上角十五片不良, 右下角处两片不良。BGA 左上角和右下角处正是装散热片两端有弹簧柱的地方。而右上角和左下角处没有组装弹簧柱而没有该不良。该数据表明BGA 开裂的焊点位置和组装散热片的弹簧柱的位置有强相关性。

3.2 试验验证

试验计划: 在组装散热片前用万表用量测BGAA1, B1, A18, B18, V18 确保没有开路不良。然后再组装散热片。组装散热片后，再用万表用量测这些点位看有无开路不良。如果有, 就可以确定是组装散热片导致BGA 开裂。试验结果: 组装前用万用表量52 片板子A1, B1, A18, B18, V18 点位没有发现不良, 但在组装散热片后发现有6 片不良。

试验结论: 组装散热片导致BGA 焊点开裂不良。

进一步研究散热片固定柱上的弹簧发现用在开裂BGA(U64, U65, U66) 位置上的散热片固定柱上的弹簧的弹簧系数比用在其他BGA 位置的弹簧系数大。用在U64, U65 开裂BGA 位置上的弹簧系数为0.9kfg/mm, 而其他没有开路不良的BGA 位置的弹簧系数为0.47kfg/ mm 或0.2kfg/mm。

于是将U64, U65 开裂BGA 位置上的弹簧换一个弹簧系数较低的弹簧，弹簧系数从原来的0.9kfg/mm 降到0.47kfg/mm。然后再作Strain gauge 测试。测试结果: 最大值为122u，小于标准400u，测试合格.

原因分析结果: U64, U65 开裂BGA 位置散热片固定柱上弹簧的弹簧系数较大, 为0.9kfg/mm。在组装BGA 散热片时, 当散热片的固定柱被压到线路板的孔里面后, 操作员松开固定柱, 散热片固定柱上的弹簧因延伸开来对散热片产生一个由下向上的反冲力, 由于散热片粘合在BGA 上，该反冲力也作用在BGA 角落处而造成BGA 左上角和右下角处开裂。

4 解决方案

将U64, U65 开裂BGA 位置散热片固定柱上弹簧的弹簧系数由0.9kfg/mm 降低到0.47kfg/mm。

5 效果验证

将弹簧系数由0.9kfg/mm 降低到0.47kfg/mm 后, 生产5,000 片没有类似BGA 开裂不良。

通过该案例的分析，我们对机械应力导致线路板上BGA 基座和焊点开裂有一个了解，在生产中如果遇到类似问题，我们可以参考该案例来分析问题，解决问题。

【作者简介】

彭廷果(1971 年12 月-), 男, 四川南充人, 学历: 硕士, 职称: 工程师, 研究方向: 质量,SMT 组装020

实验研究

Experimental Research