電路板品質檢查及SMT技術的缺失

一、品質檢查

（一）、X-ray撿查

組裝后利用X-ray可看到BGA腹底隱藏銲點的搭橋、開路、銲料不足、銲料過量、掉球、失淮、爆米花，以及最常出現(xiàn)的空洞等缺失。下表為各種檢驗手法可實施的場合及功效。

（二）、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況，封裝業(yè)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）等三種掃瞄成像方式，以C-SAM面狀掃瞄者最常用。

圖1、左圖為SAM原理簡示圖；右圖為編者所補充之C-SAM攝影畫面。

（三）、側視顏樣銳法

法可針對侷限死角區(qū)域的微小事物，進行光學放大之側向目視檢查。BGA的球腳焊接情況即可用以檢查外圈情況。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?？梢姷戒I點情況有：總體外觀、吃錫情形、銲點形狀、銲點表面花紋、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。然而理念雖好卻并不務實，不但昂貴而且容易折斷。

圖2、左為側視放大鏡之沿邊擷取畫面之情形，右為光纖管式內視放大儀伸入腹底直接觀察之眞實情形。

圖3、左圖為側視顯微鏡之外圍球腳放大畫面；右圖為編者所另補加之高鉛非矮化球腳完成焊接之畫面。

（四）、螺絲起子測強法

利用特殊起子轉動時所發(fā)生的扭力矩，去頂起并撕裂銲點，以觀察其強度如何。此法雖可找出銲點浮離、介面分裂、或銲體開裂等缺失，但對薄板卻效果不佳。

圖4、此圖說明利用簡單之手工具去檢測銲點強度。

（五）、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。

（六）、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，于是各種銲點的裂縫與小洞即遭其毛細式的滲入，隨后即予以烤乾。當各試驗球腳被強力拉開或撬開后，即可檢查斷面上有無紅斑，而看出銲點的完整性如何？本法又稱為Dye and Pry，其染液也可用螢光染料另行配製，于紫外光環(huán)境中將更容易看清楚眞相。

圖5、此二圖說明某BGA之角球焊點是否已發(fā)生裂紋之證據。

二、球腳空洞及其他缺點

（一）、銲點空洞的成因

各種SMT錫膏所形成的銲點，都免不了會出現(xiàn)大小多寡不等的空洞，尤其以BGA/CSP球腳類銲點的空洞更多，且進入高熱量的無鉛焊接后，其空洞的趨勢更是火上澆油，惡劣程度自必遠甚于前。追究其成因約可歸數類于后：

(1)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(fā)氣程度不同，應選用發(fā)氣率較少者為上策。其次是高熱中的助焊劑會附著在銲料表面的氧化物上，故能快速除去氧化物者即可減少空洞的生成。由于無鉛焊錫性并不好，也將使得空洞更形惡化。

(2)銲料：熔融銲料與清潔待焊面接觸時，會立即生成IMC而焊牢。但此反應將受到銲料表面張力大小的影響，表面張力較大者其內聚力也大，于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其錫膏銲點中有機物或氣泡等，就不容逸出銲體之外，而只能被拘留在體內成為空洞。一且一旦錫球熔點低于錫膏時，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

圖6、右圖當錫球先熔而錫膏后熔時，則形成的氣泡就會浮入球體之中。

(3)表面處理：凡墊面處理皮膜容易沾錫者，其空洞即會減少， 否則縮錫或拒焊等處，都將引發(fā)氣泡的聚集而成大洞。至于容易造成銲點開裂的介面微洞，則以浸鎮(zhèn)銀兩者較常發(fā)生。浸銀表面有一層透明的有機薄膜，可用以防止銀變色；由于焊接中銀層會迅速溶于液錫中形成Ag3Sn5的IMC。剩下的有機膜在強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0.2μm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 μm。

圖7、左為編者所切到球腳的大型空洞，右為PCB浸銀墊面發(fā)生的介面微洞

圖8、浸鍍銀是在酸性槽液之銅面上，以置換方式產生的皮膜。為了同時完成防變色的功能起見，外表又附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。后續(xù)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強熱，很可能就會裂解成為眾多的小空洞，特稱為"香檳泡抹"。

(4)有時焊墊面積較大者則也較易發(fā)生空洞或微洞，此時可採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。至于微盲孔造成的空洞，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，也都是減少空洞的有效做法。

（二）、空洞允收規(guī)格

球腳空洞太多時將影響其導電與傳熱，而且銲點可靠度也不好。下表其俯視剖面空洞直徑所占球徑之允收度上限為25%，此25%之直徑約等于總接觸面積之6%，且大小空洞須合併計算。球腳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。

圖9、左圖說明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，約等于所占墊面之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。

（三）、空洞分類

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

（四）、搭橋

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

（五）、冷彈

Cold Solder之主要原因是：熱量不足所致，其銲料與被焊面之間并未形成IMC，或IMC之數量與厚度不足，以致未能展現(xiàn)有力之強度。此種缺點只能用光學顯微鏡與微切片去仔細檢查。