从PCBA失效看产品设计之关连性

从PCBA失效看产品设计之关连性演讲人:黄志宏竞陆电子(昆山)有限公司品保处处长•产品失效一定是PCB制造商的错???•产品失效赔款是种平等谈判???•产品设计与制造工厂的最佳搭配就能变成双赢的局面设计者PCBA制造者PCB•从G/F厚度看产品耐蚀能力•从BGA功能失效看Underfill选择•从PCB爆板(Delamination)广告牌材选择案例分享案例一:某产品出货给客户使用后约一年开始金手指(G/F)出现黑点.疑似氧化之现象造成终端客户严重抱怨.要求市场召回该批产品.预估损失金额RMB560万八层板OSP+G/F不良放大图对不良点以EDX做分析.来确认不良品与正常品的差异與OK板差異元素與OK板差異元素與OK板差異元素與OK板差異元素元素重量百分比原子百分比元素重量百分比原子百分比元素重量百分比原子百分比元素重量百分比原子百分比元素重量百分比原子百分比CK4.1235.77CK5.3938.34CK32.6873.44CK8.9538.5CK34.1564.94NiK10.8719.3OK1.749.33OK7.5812.8OK7.8725.42OK7.7211.01AuM83.0343.94NiK11.817.19ClK0.680.52NiK8.877.8AlK0.210.18PbM1.981AuM78.8334.22KK0.360.25CuL15.9412.96SK8.46PbM2.240.92CaK0.380.26AuM58.3715.31NiK3.511.36NiK5.642.59CuL46.0616.55CuL10.174.32AuM42.515.83总量100总量100总量100总量100总量100多出元素：Al、S117EDX對比分析電子圖像多出元素：O多出元素：O、Cl、K、Ca、Cu；少了：Pb多出元素：O、Cu電子圖像電子圖像電子圖像客戶不良品NG點（2）客戶不良品NG點（3）電子圖像PCB廠取OKPCB客戶不良品NG點（1）客戶不良品OK點EDX:EnergyDispersiveX-RaySpectroscopy能量色散X射线光谱仪，也可简写为EDS&EDX是借助于分析试样发出的元素特征X射线波长和强度实现的，根据波长测定试样所含的元素，根据强度测定元素的相对含量。不良品区EDX分析.可以看出有硫(S)元素存在硫元素来自何方???大气中或是环境中不良区再作SEM观察SEX放大2000倍1.金层疏孔度过大2.不够细致取良品板与不良品板对G/F金镍厚度作分析.确认是否在客户设计之规格内.備註金厚規格實測鎳厚規格實測金厚規格實測鎳厚規格實測金厚規格實測鎳厚規格實測5--109.34100--300121.905--107.69100--300135.905--106.50100--300140.225--109.15100--300113.855--107.67100--300138.825--106.61100--300155.675--109.31100--300116.815--107.95100--300151.305--106.84100--300161.635--109.28100--300131.415--107.94100--300152.895--107.23100--300167.285--109.64100--300138.545--107.71100--300144.945--106.40100--300119.43客訴不良測量位置在未露銅、露鎳處，測量結果：金、鎳厚全部在規格內。OK板與客訴不板金、鎳厚測量對比客訴不良板一（單位：U〞）客訴不良板二（單位：U〞）PCB廠內取OK板（單位：U〞）金镍厚度全部都在客户规格内.且均在中值再与其他客户相同产品的设计作比较.可以看出异常品的金厚原始设计规格较薄序號廠內料號客戶金厚度規格MIN金厚度規格MAX1G104A0001正揚5U〞10U〞2G054A0055正鵬10U〞15U〞3G054A0148正鵬10U〞15U〞4G054A0198正鵬30U〞/5G084A0229正鵬30U〞/6G054A0230正鵬30U〞/7D104A0283國基10U〞/8D104A0303國基10U〞/9D104A0307國基10U〞/10D104A0309國基10U〞/11D104A0374國基10U〞/12B192A0059亞旭10U〞/13B102A0195亞旭15U〞/为何此料号金厚设计要变薄????ABC金价越来越高.为了省成本所以降低金厚变成是一种方式.但是有没有后遗症???涨幅59.2%结合以上两点得出：1.金层厚度不足致使金层抗蚀能力变弱2.PCB经过表面处理后制程中有微量硫化物残留，或放置过久受环境影响，硫化物攻击金面致使出现异常。以不同金厚产品做盐雾测试来观察G/F表面变化从实验结果可以清楚看出金厚对于外在环境有着很关键的保护作用金厚越薄经过时间越常可以清楚看出表面变化的差异不同时间下的G/F表面变化24小时96小时120小时168小时时间越长不良现象越严重(金厚:5-10u”)IPC-6012C对最终涂覆层之要求案例二:客户反应产品使用后发现BGA区功能失效.要求赔偿金额RMB350万元四层板OSP+G/F客户对BGA区直接做红墨水测试.发现BGAPAD有脱落现象.故判定为PCB异常红墨水测试为一般最常见的分析手法.可以初判PCBPAD是否有脱落或是附着力不佳BGAPAD脱落或是断裂一定是PCB的问题吗??组装厂的制程&炉温&材料&重工会不会才是真因对不良品进行不拔零件直接切片观察铜PAD锡球零件IMC(Ni3Sn4)切片示意图切片方向示意图第一刀切片图注:IMC断裂(BGA外围角落的球脚,虽然Reflow已焊妥(由界面附近之Ni3Sn4可知),但瞬间又受外力导致IMC破坏.第一刀切片图第二刀切片图BGA为强化固定效果加入Underfill不同材料之膨胀系数不同.应选择与铜较接近或较小的为佳.CTE=Cu:17&Sn:25&Si:4.11.由IMC可看出生长形成很差,可能原因为重工&上件温度不均所导致;2.由不良切片可清楚的看出IMC断裂,表示此层之键接力较弱;3.此板变形程度较大,导致锡球附件皆被拉断,造成此现象之原因为BGA区域之膨胀系数过大所致.填入Underfill材料选择错误4.板材应力应变测试可以参考IPC/JEDEC-9702&9704A标准小结:案例三:某产品交付客户后.客户于组装过程中发现爆板(Delamination).不良率高达3.4%四层板OSP制程板材:IPC-4101/21不良区切片图(Sample1)基板裂孔铜无异常不良区切片图(Sample2)不良品均发现有孔铜及基板裂开.故可以确认为板材断裂导致孔铜IPC-4101C刚性及多层印制板用基材规范使用材料说明:1.目前业界所用的板材多为Tg140.此种板材为Dicy结构.故容易吸水2.板材特性符合IPC-4101C/21要求3.仅有Tg要求(最低110度)4.组装厂目前已为无铅制程.但板材并未跟着做变更.用的还是适合有铅制程的材料IPC-4101C/99板材特性清单.就有Td&T260&T288&CTE规定此为适合无铅制程使用之材料IPC-4101C刚性及多层印制板用基材规范21型材料其Z-CTE约为90IPC-2222A刚性有机印制版标准IPC-2222A刚性有机印制版标准99型材料Z-CTE约为55.比前者低63.6%对不良品做材料特性分析为确认材料是否存在异常.故对不良品作Tg&TdT260&T288&CTE测试.Tg:125.82℃Tg:129.60℃对不良品做材料特性分析T260:27.17minT288:无法测得对不良品做材料特性分析α2:354.4℃Td:310.18℃异常品实际测试值汇整1.从上表可以清楚看出使用之材料其风险过高2.RD设计时仅考虑价格.根本没有考虑到产品之可靠度特性单位4101/214101/99实测值Tg(最小)℃110150125.82T260(最小)℃N/A3027.17T288(最小)℃N/A5无法测得Td(最小)℃N/A325310.18α2(最大)℃N/A300354.4填料N/A无有无材料树脂价格NormalTgDicy1PN1.2HighTgPN1.5不同Tg的爆板风险Tg140在板厚为1.6mm~~2.4mm时﹐其在无铅制程235~~260℃时存在隐忧﹐其在reflow前4次存在隐忧﹐在第5次时即会发现爆板不良备注:此图摘录自白蓉生教授讲义.电路板研讨会改善方法避免类似问题再发故与客户讨论后进行版本变更变更材料来降低此种风险小结:1.由以上分析可知Tg140（DICY）在板厚1.6mm~~2.4mm时﹐在235~~260℃时存在爆板风险.2.将材料改为符合无铅制程用的材料或更高阶板材将来预防此类风险3.若使用符合IPC-4101C/21标准之板材.建议对其他特性加入到采购规格书中.以降低风险客戶別H88S08N08D10G09G15J10G05W12G21A08DICYVVVVVPNVVVVVVVVV一般產品MODULE產品总结:•G/F耐蚀能力差(Costdown)•Underfill选择错误(不了解材料)•板材选择错误(Costdown+不了解材料)•RD都是一群孤寂的人就像是呆在巨塔上的老鹰一样•少数会成群结队飞翔觅食.多数时间都是单独一人产品的可靠性和RD设计息息相关好的产品是设计出来的联络方式竞陆电子(昆山)有限公司品保处黄志宏TEL:0512-5703-9999EXT.1600Mail:[e-mail]谢谢大家