SMT BGA失效分析基本知识介绍

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一、SMT BGA基本概念介绍

1、什么叫BGA

BGA即Ball Grid Array 球栅阵列

2、SMT  BGA分类

     按封装分类，主要有如下几类BGA:

二、板级BGA失效分析的基本逻辑思路

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1、BGA失效的问题点

      1）『问题点』是失效分析过程中的一个关键概念，它表示的是导致产品不良（不是BGA不良）的最前端、源头性的关键信号点（在特殊状况下，也可能是信号群）

      2）『问题点』产生的根本原因， 这里的根本原因就涉及到具体器件或具体制程的失效模式

三、板级BGA失效分析中的失效模式

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    对板级（board-level）的失效分析而言，BGA失效分析中涉及到的失效模式主要有以下几种：

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1、BGA元件本体不良

2、BGA元件用错料

3、BGA元件相关电子线路设计不良

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4、BGA元件遭受电器特性层次damage

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5、BGA元件遭受应力层次而产生本体damage

6、BGA元件所在location有焊点焊接不良

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7、BGA元件所在location焊点受外力而有crack

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8、BGA元件相关信号所在线路（Signal）有不良

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四、SMT BGA失效分析的常用方法介绍

1、外观检查

    1）元件表面是否有异样

    2）元件底部是否有异物存在

    3）元件焊接相关状况，是否有倾斜、移位等

    4）母板状况，是否有明显形变

2、焊接状况检查

        1）X-RAY检查（2D，2.5D）

        2）锡球状况检查

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       3、线路连接状况检查

       1）测量线路阻抗，是否有open、short或阻抗异常等状况存在

       2）测量相关信号，是否有不良信号存在

    4、A-B-A功能验证（对defective part做功能验证）

      1) 验证chip的不良

        2) 验证M/B的功能

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  5、线路连接层次分析

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线路连接层次分析包括以下：

1) BGA部分线路连接异常

    通常和焊接或应力有关

  2) 焊接部分常见的不良有：

  _@ 桥联(Solder bridge)

  _@ 开路(Open)

  _@ 假焊/虚焊(coldsolder)

  _@ 空洞(Void)

  _@ 机械强度低

  _@ 疲劳寿命低…

应力部分常见的不良有：Crack造成损件或者Open.

% @, [) v  |8 w& p: z' G  e    3）BGA外围线路（signal）连接异常

  

常见的不良有：

ØPCBtrace openØPCBvia hole openØPCBtrace shortØ其他并联的器件不良Ø当然也存在有外因导致的trace damage open、trace bridging等
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五、BGA失效分析的常用工具
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1、BGA焊点状况分析工具
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   1）Multi-meter●

     Multi-meter在BGA失效分析中的作用主要体现在对信号点的参数测量上，主要检查：开路、短路、值異常（偏大或偏小）

2）Stereo Microscope●

          检查PCB板Pad（如下图所示）及其BGA 锡球的情况。

3）BGA microscope●

    在不做破坏的情况下，检查BGA外侧1~2排焊点的焊接情况下，如下图所示！

4）X-Ray

    检测BGA焊点，外观检查没有办法看到，在不做破坏性实验的情况下，使用X-Ray判断焊点是否有Open与连锡情况，如下图所示。

5）TDR(Time Domain Reflectometer)

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　　时域反射计(TimeDomain Reflectometer)，时域反射计采用一个信号发生器在传输线的一端加一个上升沿很快的阶跃波，然后在传输线上某点用示波器测量入射波和反射波的波形，從而显示被测传输线上各点的特性阻抗及线上各点阻抗不连续处的位置和特性（阻性、容性还是感性）。

      TDR可以用来测试传输线上的开路、短路以及相邻传输线间的串扰。在光传输系统的维护中，可以用光时域反射计来检测光纤的断裂等故障，也是基于这一原理。

    下图中是一个终端开路TDR图样，其中横坐标是时间，纵坐标是幅度，也可以是反射系数ρ.

下图其中ρ是反射系数，Z0是参考阻抗（一般为50 50ohm ohm ohm，由测试系统决定），Z是待测阻抗。由此仪器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，从而可以在仪器的屏幕上显示一条TDR 曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的反射系数或特征阻抗。

当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR 曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续，而且这些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR 也可以用来进行互连建模。

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   6）EDX●

         EDX代表能量散布X光分析﹐也有些人将其称为EDS或EDAX分析﹐是一种用于鉴别样本或样本所在区域元素组成的技朮。EDX分析系统是作为扫描式电子显微镜的一个完整特性﹐不能脱离SEM而单独工作。   

        EDS 能量散布分析仪 (Energy Dispersive Spectrometer)

        SEM 扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope)

   7）Strain Gage●

Strain Gage 就是量測長度的變化——是一個對比的數值.Strain 計算公式為ε=ΔL / L1

8）Cross Section

        即切片分析，属于破坏性分析，用于观察BGA焊点微观焊接情况，

9）Dye-Pry

        即染色分析，属于破坏性分析，用于分析BGA哪个焊点存在Open情况，且通过染色了解在哪端出现Open,

2、信号分析工具

  ØOscilloscope

3、一些特殊的分析工具

1) IR Camera

    IR Camera用于失效定位模式判定(如下图所示）

          a、产品温度分布分析

          b、模块温度分布分析

          c、温度过高、过低部位的焊点往往是问题点（开路或虚焊）

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) Curve Tracer

  u 什么是 curvetracer?

          中文解释:曲线绘图仪

  u 主要用来测量BGA Pin脚（对地）的V-I曲线。

3) Thermal meter

    4) Chamber

    5) C-SAM

  C-SAM主要是针对半导体器件、芯片、材料内部的失效分析．其可以检查到（器件、IC内部层与层之间空洞的无损检测（非破坏性））:

  a.材料内部的晶格结构，杂质颗粒．夹杂物．沉淀物．

  b. 内部裂纹.   

  c.分层缺陷.     

  d.空洞,气泡,空隙等.

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