公差累积分析之BGA焊点开裂研究
文章类型：SMT
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把电路板上的BGA焊点缺陷和机械学的公差累积分析（Tolerance Stackup Analysis）联系起来会不会有点不可思议？没办法，万物是普遍联系的，方法亦是融会贯通的。本文为老司机进阶之作，职场小白请先自行脑补公差累积分析理论，了解尺寸链计算和公差分析及其引申的工艺控制成本及缺陷概率问题。
BGA焊点裂锡产生的潜在因素如下图所示：
怎样才能从诸多因素中查证到真正导致BGA开裂的原因呢？
小编带大家介绍一个典型BGA开裂的原因分析套路，并结合公差累积分析方法找到其原因并针对性的改善工艺。
1. 不良样品的初步分析：
1.1 BGA外观检查及开路测试：
1.2 X-Ray检查、ERSA、染色实验、切片分析：
1.3 初步分析结果汇总：
A14和B14位置在BGA端IMC断开
2. 根本原因分析和调查
2.1 流程图分析：
通过流程图分析，散热器组装工站最有可能导致BGA裂锡发生。
2.2 鱼骨图分析：
用鱼骨图分析是否还有其它可能因素导致BGA焊点裂锡。
2.3 假设潜在因子：
通过鱼骨图和头脑风暴定义出以下五个潜在因子。
2.4 原材料的检查_切片分析：
分析目的：通过切片分析零件焊球本身的焊接是否有微裂痕、IMC过薄或过厚影响了焊点的强度。
金相切片的方向：
金相切片的结果：根据切片效果判断BGA无焊接异常,IMC也在规格范围之内。
2.5 原材料的检查_Shadow moiré 分析
所有的元器件在整个温度曲线内的弯曲度都是小于4.1mil，符合元器件的规格和JEITA & JEDEC标准
在未加热之前所有的元器件成杯子形状，随着温度的增加趋于平整，当温度升到最高点的时候又形成杯状。随着温度降低杯状又逐渐的恢复平整，当温度恢复到常温是又恢复了之前原有的形状。
2.6 原材料的检查_焊球剪切力分析
据测试结果：最小的剪切力是5.035 N，最大的剪切力为 9.385 N，符合元器件规格。
2.7 BGA散热器组装应力测试
BGA所有的点的应力都小于400ue，仍有BGA裂锡不良发生。
需要使用公差累积分析(TSA)评估缺陷的概率及散热器装配夹具的偏差或差异。
2.8 公差累积分析_散热器组装夹具装配分析
散热器与BGA组装夹具系统尺寸链：
散热器与BGA组装夹具的关键在于：压头与拉钉中心要重合，应避免因偏位导致压头与定位柱干涉而对BGA产生应力。
压头与拉钉压合间隙分析：
--压头与拉钉的最小间隙为0.3mm
--压头与拉钉中心允许偏位则为±0.15mm
--压头与拉钉干涉后，会产生不均匀的下压力，导致BGA受外力冲击产生内应力，进而破环BGA内部结构。
--公差累积分析，压头与拉钉干涉的几率为4636DPPM，与当前发生BGA裂隙的比率相吻合。
2.8 散热器装配的有限元分析
有限元分析，以确认压头与定位柱干涉对BGA球是否有影响。
分析1：双定位柱中心对准压和
分析2：单定位柱偏斜压合（左偏）
分析3：单定位柱偏离压和（右偏）
偏位压合比中心对准压合的对BGA产生的应力大43%及71%！
分析2和3（偏位压合），当定位柱刚开始接触/进入PCB板时，应力值较高。建议在压和过程中保持压头位置正确，可以优化装配和防止元件损坏。
3. 改进方案
3.1 夹具优化设计
压头凹槽（尺寸B）从6.67±-0.01mm 增加到 6.77±0.01mm
压头凹槽（尺寸B）从6.67±-0.01mm 增加到 6.77±0.01mm
压头与定位柱中心允许偏位则为±0.2mm
公差累积分析，夹具设计优化后，压头与定位柱干涉的几率将为27DPPM，可预见BGA裂锡不良将大大降低。
3.2 散热器组装设备调整
修改压合夹具压头凹槽
调整压盖的顶针高度与气缸在同一个水平面
改造散热器装配设备压接精度
3.3 改善结果确认：
夹具修整后，连续生产10个批次，总6468个BGA无焊点裂锡。说明BGA焊点裂锡不良通过公差分析并优化后效果显著。
4. 结论：
🔶 利用FEA对组装过程的特例进行模拟，可分析产品在组装过程中应力的变化
🔶 公差累积分析可被用来分析缺陷出现的概率，并对夹具修改、制作提供指引
🔶 公差累积分析在系统组装和治具上对不良分析和根本原因分析是非常有用的
🔶 公差累积分析是一种有效的分析工具，可以对在应力测试中所不能发现的、微小的和不可预测的变异进行分析
🔶 通过金相切片和染色实验分析可以有效的检测出BGA的锡裂
🔶 ERSA光学检测、短路&通路电测和X-Ray是最初步也比较有效的检测方法，可以引导我们更深入的分析和找出不良的根本原因