某產(chǎn)品BGA虛焊原因分析及整機(jī)綜合應(yīng)力篩選

李書(shū)成，何志杰，王志超，劉星宇，趙長(zhǎng)振

（1.陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司，陜西西安，710025；2.中天引控科技股份有限公司，重慶，401120）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品向輕、小型化發(fā)展，塑封球柵陣列（PBGA，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“BGA”）作為一種新興起的高密度封裝技術(shù)，在表面貼裝工藝中大量使用。電子芯片BGA封裝的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）封裝占用面積小；（2）引腳數(shù)量多，接口功能更豐富；（3）自動(dòng)貼裝，效率更高；（4）整體生產(chǎn)成本低。但是BGA封裝仍然會(huì)有以下問(wèn)題：（1）由于BGA焊點(diǎn)隱藏在芯片底部，焊接、裝配后無(wú)法直接檢測(cè)，其他檢測(cè)方法成本較高；（2）由于焊點(diǎn)面積較小，焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度較低，在應(yīng)力作用下容易容易斷裂；（3）受熱過(guò)程中元件和基板之間的熱膨脹失配會(huì)導(dǎo)致芯片彎曲，甚至焊點(diǎn)開(kāi)裂等問(wèn)題[1]。

在所有工藝缺陷中，BGA焊點(diǎn)因?qū)囟葢?yīng)力比較敏感，其質(zhì)量可靠性問(wèn)題尤其突出。環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）是在不損失產(chǎn)品壽命的情況下，通過(guò)設(shè)備對(duì)篩選產(chǎn)品施加合理的環(huán)境應(yīng)力，將產(chǎn)品內(nèi)部潛在的質(zhì)量缺陷加速變成故障，是剔除產(chǎn)品早期故障的重要手段。本文主要研究BGA焊接工藝缺陷的應(yīng)力篩選技術(shù)。

1 BGA虛焊不良的原因分析

目前，對(duì)BGA焊點(diǎn)質(zhì)量的檢測(cè)，通常分為非破壞性技術(shù)檢測(cè)，如目視檢查和三維X光檢測(cè)。目視檢查僅能看到邊緣焊點(diǎn)的表面，不能檢測(cè)器件底部的焊點(diǎn)和焊點(diǎn)內(nèi)部的缺陷，比如空洞和裂紋。X光檢測(cè)可以看見(jiàn)器件上所有的焊點(diǎn)，包括底部的焊點(diǎn)，確定焊點(diǎn)是否有畸形或空洞。但不能檢測(cè)焊點(diǎn)內(nèi)部是否有裂紋。這兩種檢測(cè)辦法的檢測(cè)能力有限，均不能定位焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷。破壞性檢測(cè)技術(shù)包括染色分析、金相檢測(cè)和掃描電鏡（SEM）及能量色散譜（EDS）分析[2]。破壞性檢測(cè)技術(shù)常用于界面分析，可以檢測(cè)出幾乎所有的失效焊點(diǎn)，但這些檢測(cè)方法成本均很高。

在某產(chǎn)品（ARM芯片為BGA封裝）測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有部分產(chǎn)品在振動(dòng)或溫度影響下會(huì)輸出突然中斷，而去掉ARM電路板螺釘或按壓電路板時(shí)，產(chǎn)品能恢復(fù)正常工作，重復(fù)按壓電路板，故障可復(fù)現(xiàn)。通過(guò)三維X光和金相切片失效分析，ARM板失效的原因有：（1）焊球內(nèi)部空洞面積＜50%；（2）焊球內(nèi)部存在裂紋，在環(huán)境應(yīng)力作用下接觸電阻增大甚至開(kāi)路所致。

結(jié)合工藝復(fù)查情況，造成ARM芯片焊點(diǎn)裂紋的主要原因是：由于部分器件采購(gòu)數(shù)量少，未采用標(biāo)準(zhǔn)料帶或料盒包裝，需要人工上料，在SMT過(guò)程中操作不規(guī)范，導(dǎo)致焊盤(pán)污染，進(jìn)而造成焊接面氧化，形成虛焊，虛焊點(diǎn)經(jīng)過(guò)使用和安裝應(yīng)力作用，產(chǎn)生細(xì)微裂紋；細(xì)微裂紋在正常的使用和安裝應(yīng)力作用下，快速生長(zhǎng)形成較大裂紋，直至焊點(diǎn)開(kāi)裂、應(yīng)力完全釋放。

2 篩選方案

■2.1 各種應(yīng)力篩選比較

根據(jù)GJB/Z 34《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》，當(dāng)產(chǎn)品中存在對(duì)某種類(lèi)型應(yīng)力敏感的潛在缺陷時(shí)，該篩選類(lèi)型將該缺陷以故障形式析出的概率稱(chēng)為篩選度，反映了某種應(yīng)力類(lèi)型析出潛在缺陷的能力[6]。

溫度循環(huán)的篩選度計(jì)算公式如下：

式中: 常數(shù)e為自然對(duì)數(shù)的底；R為高、低溫差值 ；V為溫度調(diào)節(jié)速率；N為溫度循環(huán)的次數(shù)。

提高溫變速率，可以減少焊點(diǎn)在潛在缺陷更快暴露出來(lái)，提高篩選效率。以80℃變化范圍、做4個(gè)循環(huán)為例，5℃/min溫變速率的篩選度為0.55，而20℃/min溫變速率的篩選度為0.94，后者比前者提高了將近1倍。

到英國(guó)的華工被直接安排去了前線(xiàn)，挖掘戰(zhàn)壕，修筑工事，掩埋尸體，清掃地雷，修路架橋……英國(guó)人用華工替代了自己國(guó)家的碼頭工人和運(yùn)輸工人，讓他們承擔(dān)了最艱苦、最繁重、最危險(xiǎn)的工作。

溫度循環(huán)中，高、低溫保溫時(shí)間應(yīng)包含產(chǎn)品在該溫度下產(chǎn)品內(nèi)外溫度達(dá)到平衡所需的時(shí)間和測(cè)試產(chǎn)品功能/性能所需的時(shí)間。

高、低溫循環(huán)的次數(shù)也是影響篩選度的重要因素。GJB1032-90中規(guī)定總循環(huán)時(shí)間為80～120h。對(duì)于組件級(jí)來(lái)說(shuō)，這一時(shí)間相當(dāng)于20～40個(gè)循環(huán)。為了提高生產(chǎn)效率。根據(jù)MIL-HDBK-2164A《電子設(shè)設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選方法 》推薦變溫速率應(yīng)不小于10℃/min，可減少溫度循環(huán)的次數(shù)，實(shí)際應(yīng)用也更易操作。

隨機(jī)振動(dòng)的篩選度計(jì)算公式為:

式中：Grms為加速度均方根值；t為振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

研究表明，溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力能激發(fā)出不同類(lèi)型的缺陷，兩者不能互相替代，可以將它們結(jié)合起來(lái)，在激發(fā)缺陷能力上得到互相補(bǔ)充和加強(qiáng)。

■2.2 溫度+振動(dòng)綜合篩選試驗(yàn)方案

綜合環(huán)境篩選試驗(yàn)相對(duì)于單環(huán)境篩選試驗(yàn)和組合環(huán)境篩選試驗(yàn)，能更好地模擬產(chǎn)品實(shí)際工作所遭受的環(huán)境，如常用于慣組減震的橡膠材料的固有頻率隨著溫度變化而變化，在高、低溫情況下與常溫下的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果明顯不同[3]。

（1）溫度循環(huán)要求

溫度試驗(yàn)條件如圖1所示，溫度范圍-40℃～+70℃，保溫時(shí)間為1小時(shí)，溫箱變溫速率10℃/min，單次循環(huán)總時(shí)間≤150min，共做5個(gè)循環(huán)。

圖1 溫度試驗(yàn)條件

隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)軸向垂直于電路板方向，可使部件發(fā)生更大的變形和更嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，促使缺陷更容易發(fā)生破壞，不僅可以增強(qiáng)篩選效果，還可以提高篩選的效率[4]。隨機(jī)振動(dòng)常采用6.06grms條件進(jìn)行，振動(dòng)方向選最敏感的X軸安裝方向。試驗(yàn)條件如圖2所示，每次振動(dòng)2.5min。

圖2 振動(dòng)試驗(yàn)條件

（3）監(jiān)測(cè)和施振要求

參照GJB1032要求，降溫及低溫段斷電，在低溫保持結(jié)束前5min通電。試驗(yàn)剖面如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)剖面圖

振動(dòng)方向?yàn)閄軸向，單次振動(dòng)時(shí)間2.5min，振動(dòng)應(yīng)力施加在每次循環(huán)在升溫至高溫保溫結(jié)束前3min進(jìn)行，第5個(gè)循環(huán)低溫保持最后5min開(kāi)始施加振動(dòng)應(yīng)力。

3 篩選試驗(yàn)

綜合試驗(yàn)設(shè)備由三向電磁振動(dòng)臺(tái)和高低溫試驗(yàn)箱組成，見(jiàn)圖4。相關(guān)設(shè)備、儀表見(jiàn)表1。

圖4 振動(dòng)-溫度試驗(yàn)箱

表1 試驗(yàn)/測(cè)試設(shè)備

經(jīng)驗(yàn)證，該溫變箱可同時(shí)篩選20套產(chǎn)品，變溫率滿(mǎn)足10℃/min的要求。試驗(yàn)中對(duì)每一套樣品單獨(dú)串聯(lián)一個(gè)電流表進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)。5套樣品輸出情況見(jiàn)表2。

表2 樣品試驗(yàn)情況

根據(jù)公式(1)、(2)，計(jì)算得到溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)的篩選度分別為0.905和0.777，即使不考慮綜合試驗(yàn)各應(yīng)力之間的耦合作用，本次綜合試驗(yàn)篩選度為SS≥0.905+(1-0.905)×0.777≈0.98，即篩選度優(yōu)于0.98，可有效剔除產(chǎn)品存在的缺陷，既節(jié)省了篩選時(shí)間，又提高了產(chǎn)品可靠性。

4 結(jié)論

針對(duì)ARM芯片BGA虛焊問(wèn)題，后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格過(guò)程控制，提高工藝穩(wěn)定性，減少人為因素。主要采取如下處置措施：

(1)成批采購(gòu)器件，選擇適應(yīng)SMT自動(dòng)上料的包裝規(guī)格，規(guī)避人工上料過(guò)程。

(2)廣泛采用自動(dòng)檢查等在線(xiàn)檢查手段，批次抽樣進(jìn)行三維X光檢測(cè)、切片金相檢測(cè)，確保工藝參數(shù)穩(wěn)定。

(3)為提高產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)力篩選可以在裝配之前開(kāi)展，將產(chǎn)品板級(jí)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，盡可能在前期剔除缺陷和潛在故障。

(4)制定篩選大綱時(shí)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品特性、實(shí)際條件充分考慮可操作性、經(jīng)濟(jì)性，使篩選要求落到實(shí)處，并根據(jù)篩選效果及時(shí)調(diào)整大綱。

本文首先對(duì)某產(chǎn)品的BGA虛焊原因進(jìn)行分析，然后根據(jù)受篩產(chǎn)品的特性、溫箱使用效率和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了一種溫度循環(huán)+振動(dòng)的綜合應(yīng)力篩選辦法，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，綜合試驗(yàn)篩選度優(yōu)于0.98。該方法既節(jié)省了篩選時(shí)間，又提高了產(chǎn)品可靠性，實(shí)際應(yīng)用也更易操作。能夠滿(mǎn)足批量生產(chǎn)產(chǎn)品篩選的需要，為綜合環(huán)境試驗(yàn)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。