某灌封產(chǎn)品BGA虛焊的整機(jī)篩選方法分析

李書成 邙強(qiáng) 劉星宇 黎旗 趙長振

（1.陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司 陜西省西安市 710025 2.中天引控科技股份有限公司 重慶市 401120）

1 引言

隨著電子產(chǎn)品向輕、薄和微小型化方向的發(fā)展，PBGA（塑封球柵陣列）作為一種典型的高密度封裝技術(shù)，在SMT 工藝中大量使用。BGA 封裝具有體積小、電性能優(yōu)良、引腳數(shù)多、引腳間距大、整體成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然BGA 具有這些優(yōu)勢，但是仍然會有潛在問題：

（1）由于BGA 焊點(diǎn)隱藏在芯片底部，焊接裝配后不利于檢測；

（2）由于焊點(diǎn)的表面積較小，焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度降低，會導(dǎo)致斷裂；

（3）受熱過程中熱膨脹系數(shù)的失配會導(dǎo)致元件和基板之間的彎曲，甚至焊盤開裂等問題[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)量可靠性問題尤其突出。在某型號產(chǎn)品（ARM 芯片為PBGA 封裝）測試過程中，發(fā)現(xiàn)有部分產(chǎn)品在某些情況下會輸出突然中斷，而去掉ARM 電路板螺釘或按壓電路板時，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)。因?yàn)樾酒瑩p壞是不可逆，所以排除了產(chǎn)品ARM 芯片壞掉的可能性，后來通過進(jìn)行三維X 光和金相切片失效分析，ARM 板失效的原因是BGA 焊球內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致在環(huán)境應(yīng)力作用下接觸電阻增大甚至開路所致。

環(huán)境應(yīng)力篩選是可靠性試驗(yàn)中的一種，其采用對電子產(chǎn)品施加合理環(huán)境應(yīng)力的方法，可將產(chǎn)品內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障，并加以發(fā)現(xiàn)和排除，是剔除產(chǎn)品早期故障的重要手段[2]。

有機(jī)硅凝膠常用于電子元件、部件及整機(jī)產(chǎn)品中的灌封、涂覆，可起防潮、防震和絕緣等作用，保證產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境條件下可靠。但是，由于灌注硅凝膠的電子產(chǎn)品在溫度、振動響應(yīng)特性有較大的變化，使產(chǎn)品可靠性存在很大的不確定性。因此，對整機(jī)灌封狀態(tài)下的BGA 產(chǎn)品的篩選研究很有必要[3]。

2 環(huán)境應(yīng)力篩選方法分析

2.1 定量環(huán)境應(yīng)力篩選方法

常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選參考的標(biāo)準(zhǔn)是GJB 1032，但是產(chǎn)品的復(fù)雜程度和使用環(huán)境與產(chǎn)品的篩選效果密切相關(guān)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z-34的定義，當(dāng)產(chǎn)品中存在對某一特定篩選類型敏感的潛在缺陷時，該篩選類型將該缺陷以故障形式析出的概率稱為篩選度，反映的是某種應(yīng)力類型析出潛在缺陷的能力。在《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》中給出了溫度循環(huán)應(yīng)力的篩選度公式里式（1）所示。

式中：SS 為篩選度；e 為自然對數(shù)的底；R 為溫度變化范圍；V 為溫度變化速率；N 為循環(huán)次數(shù)。

隨機(jī)振動的篩選度計算公式為：

式中：SS 為篩選度；Grms為加速度均方根值；t 為振動時間。

電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選從組裝等級上一般可分為整機(jī)級、單元級和組件級。由于元器件缺陷不能由整機(jī)生產(chǎn)廠家所解決，元器件二次篩成本高、時間長，只能通過嚴(yán)格控制采購渠道和抽樣篩選來保證元器件的質(zhì)量，通常是加強(qiáng)對板級和整機(jī)的篩選。本產(chǎn)品在生產(chǎn)階段做的篩選主要包括：核心器件器件及板級高溫貯存（85℃～125℃，72h），板級48h 高溫老練（60℃）、整機(jī)灌封狀態(tài)下溫循和隨機(jī)振動。

圖1：溫度設(shè)置歷史曲線

圖2：實(shí)測產(chǎn)品溫變速率曲線

2.2 BGA焊點(diǎn)應(yīng)力篩選方法

在環(huán)境應(yīng)力篩選中，隨機(jī)振動和溫度循環(huán)是最常用的應(yīng)力類型。焊點(diǎn)潛在缺陷在溫度循環(huán)和隨機(jī)振動載荷下被加速轉(zhuǎn)化為故障的過程可歸類于疲勞失效問題。通過分析不同溫度循環(huán)參數(shù)對焊點(diǎn)疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)：提高溫變速率會極大地提升了溫度循環(huán)的速度，縮短篩選時間；提高高溫端點(diǎn)溫度可極大提高篩選效率，而低溫端點(diǎn)溫度則不能取得過低（因?yàn)榈蜏剡^低時塑性應(yīng)變增加不多卻增加了單周期循環(huán)時間使得焊點(diǎn)的疲勞壽命變長）；高溫保溫時間的可稍大于低溫保溫時間，但過多的保溫時間均會降低篩選效率。

由此可見，提高溫變速率和高溫溫度可以使焊點(diǎn)潛在缺陷更快的暴露出來，提高篩選效率。而適當(dāng)增加循環(huán)次數(shù)，則能提高篩選度。

根據(jù)分析結(jié)果可知，而隨機(jī)振動選振動軸向垂直于電路板方向，可造成組件發(fā)生更大的變形和更嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得缺陷更容易發(fā)生破壞，不僅可以提高篩選效率，還可以提高應(yīng)力的篩選效果。

3 硅膠灌封對環(huán)境應(yīng)力篩選的影響分析

硅凝膠的溫度和振動傳遞性很差，即產(chǎn)品外部應(yīng)力變化與硅凝膠內(nèi)部的應(yīng)力變化相差很大。

3.1 溫度響應(yīng)特性分析

固化后的硅凝膠是熱的不良導(dǎo)體，熱傳遞速度慢。完全灌注比部分灌注硅凝膠的產(chǎn)品溫度響應(yīng)速度慢。內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的比內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，溫度響應(yīng)速度慢。灌注硅凝膠的整機(jī)產(chǎn)品，當(dāng)外部溫變速率達(dá)到5℃/min 時，實(shí)測其內(nèi)部的溫變速率還不到3℃/min[4]。產(chǎn)品內(nèi)部的溫度變化是緩慢變化，產(chǎn)品外部在高溫中已保持近2h，產(chǎn)品內(nèi)部才剛達(dá)到溫度最高點(diǎn)。產(chǎn)品內(nèi)部以定變溫速率下降至低溫保持階段．產(chǎn)品內(nèi)部不但要滯后一段時間，而且也是一個慢變化過程。

表1：樣品試驗(yàn)情況

3.2 振動響應(yīng)影響分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果，灌注硅凝膠后對電子產(chǎn)品的振動響應(yīng)影響較大，振動響應(yīng)顯著衰減。整體或部分灌注硅凝膠均可起到較好的抗震保護(hù)作用。因此在產(chǎn)品內(nèi)部受力易斷裂的的管腳、焊接點(diǎn)等處部分灌注硅凝膠可以起到較好的抗震保護(hù)作用。

本產(chǎn)品在生產(chǎn)期間，由于灌封原因，硅凝膠對整機(jī)產(chǎn)品的溫度試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)起到一定的減弱作用。為提高產(chǎn)品整機(jī)質(zhì)量，應(yīng)力篩選應(yīng)在裝配灌封之前開展，將產(chǎn)品板級進(jìn)行篩選試驗(yàn)，盡可能在前期剔除缺陷和潛在故障。

4 篩選試驗(yàn)方案

由于灌注硅凝膠后整機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)力響應(yīng)特性發(fā)生了較大變化，因此，現(xiàn)有的電子整機(jī)產(chǎn)品應(yīng)力篩選方法不適于此類產(chǎn)品。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性，保證應(yīng)力篩選試驗(yàn)的有效性，避免出現(xiàn)過應(yīng)力或欠應(yīng)力，需要針對灌注介質(zhì)產(chǎn)品制定相應(yīng)的應(yīng)力篩選試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法。

通過查閱GJB 1032-90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和GJB/Z 34-1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》可知，溫度變化率對溫度循環(huán)篩選效果影響極大，應(yīng)盡可能加快。以4 個循環(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，提高了將近1 倍。可選擇篩選范圍為120℃，溫度循環(huán)次數(shù)為10 次，溫度變化率≥10℃/min，可以得到相應(yīng)篩選度為0.993[5]。

溫度循環(huán)中，上、下限溫度的持續(xù)時間取決于產(chǎn)品在此溫度下達(dá)到溫度穩(wěn)定和檢測性能所需的時間。

溫度循環(huán)次數(shù)也是影響篩選度的重要指標(biāo)。GJB1032 中不管篩選產(chǎn)品的復(fù)雜程度和施加應(yīng)力的大小，均規(guī)定用同一個篩選時間，總時間為80 ～120h。這一時間能基本保證所有組件級產(chǎn)品篩選后都能去掉其早期故障。對于組件級來說，這一時間相當(dāng)于20 ～40個循環(huán)。但是產(chǎn)品轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)后工藝、生產(chǎn)均趨于成熟，考慮到板級還要與系統(tǒng)進(jìn)行大量的聯(lián)調(diào)及系統(tǒng)級篩選試驗(yàn)等因素，為了提高生產(chǎn)效率，盡可能的提高溫變速率，減少溫度循環(huán)的次數(shù)。

實(shí)際調(diào)研后，普通溫箱最大只能達(dá)到15℃/min 的溫變能力，考慮熱容溫箱放滿產(chǎn)品后，板級產(chǎn)品（無硅凝膠影響）內(nèi)部實(shí)際只能達(dá)到10℃/min。結(jié)合圖4 的篩選度，循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于10 個循環(huán)（包括故障剔除階段和無故障檢測階段，無故障循環(huán)次數(shù)不少于3 次）。

5 篩選試驗(yàn)

5.1 篩選條件驗(yàn)證

驗(yàn)證的目的：一是驗(yàn)證在溫箱設(shè)定溫變速率為15℃/min 條件下，ARM 芯片表面實(shí)際溫度；二是驗(yàn)證在該條件下，潛在問題板子是否會出現(xiàn)異常，證明此篩選辦法是否有效。

快速變溫箱從常溫→高溫+80℃→低溫-40℃→高溫+80℃，以此循環(huán)。溫箱溫度設(shè)置歷史曲線見圖1。

如圖2，從溫度巡檢儀檢測結(jié)果可知：該溫變箱具備同時篩選30 套以上產(chǎn)品，產(chǎn)品內(nèi)部溫度變化滿足10℃/min 要求。5 套樣品功能輸出情況見表1。

從表1 可知：011#故障產(chǎn)品和按壓異常的198#ARM 板在該條件下均可能出現(xiàn)輸出異常的現(xiàn)象，說明該篩選方法可以對潛在缺陷的板子進(jìn)行篩選。

5.2 正式產(chǎn)品篩選試驗(yàn)

針對本批已灌封完成的產(chǎn)品且ARM 芯片可能存在BGA 虛焊問題，在篩選試驗(yàn)前，打開產(chǎn)品上蓋板，去掉ARM 板上的螺釘和硅凝膠后傾斜放置在殼體內(nèi)部，以便ARM 板與溫箱風(fēng)有效接觸，盡可能保證ARM 板與溫箱溫度的一致。試驗(yàn)過程中連續(xù)通電監(jiān)測產(chǎn)品功能。要求試驗(yàn)產(chǎn)品電流穩(wěn)定無跳動，產(chǎn)品功能正常，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定、連續(xù)、無丟包現(xiàn)象，數(shù)據(jù)記錄完整。

對150 套產(chǎn)品進(jìn)行篩選，共發(fā)現(xiàn)有2 套產(chǎn)品串口輸出異常，后經(jīng)過檢查，確定為BGA 芯片焊接不良，在溫度循環(huán)篩選過程中暴露缺陷，即輸出異常。而篩選合格的產(chǎn)品進(jìn)行X 軸6.06grms 的隨機(jī)振動未發(fā)生故障。灌封后再次進(jìn)行高、低溫測試，產(chǎn)品狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)問題。證明該方法對BGA 虛焊故障篩選有效。

6 結(jié)論

本文在根據(jù)BGA 焊點(diǎn)虛焊故障特點(diǎn)，結(jié)合硅凝膠罐注對應(yīng)力特性影響分析，對應(yīng)力條件進(jìn)行優(yōu)化并驗(yàn)證，最后對150 套產(chǎn)品進(jìn)行篩選，篩選后產(chǎn)品工作狀態(tài)穩(wěn)定，證明該方法能夠有效篩選BGA 虛焊故障產(chǎn)品。

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，一方面改進(jìn)焊接工藝，提高焊接合格率，并利用三維X 光、切片金相檢測進(jìn)行抽樣；二是加強(qiáng)篩選，在裝配灌注整機(jī)之前開展應(yīng)力篩選，電路板應(yīng)進(jìn)行器件高溫貯存+板級大變溫率篩選+板級高溫老煉+整件隨機(jī)振動，以剔除失效產(chǎn)品。