กระบวนการออกแบบและประกอบ SMT BGA: กรณีการวิเคราะห์ข้อบกพร่องและความล้มเหลวของ BGA

บทความนี้ระบุความผิดปกติของการประกอบที่เป็นไปได้ที่เกี่ยวข้องกับการประกอบส่วนประกอบ BGA. อธิบายความล้มเหลวหลังกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับคุณลักษณะของโครงสร้างการติดตั้งตลอดจนการเปลี่ยนแปลงของลูกบอลบัดกรีที่ใช้เป็นขั้วต่อ BGA. ในหลายกรณี, หากคุณสมบัติดังกล่าวมีสาเหตุมาจากความล้มเหลวของจุดเชื่อมต่อ, จำเป็นต้องมีการอภิปรายพิเศษเกี่ยวกับโลหะวิทยาของตัวเชื่อมต่อ. โครงสร้างจุดเชื่อมต่อสุดท้ายก็ได้รับการวิเคราะห์เช่นกัน.

1.Solder Resist กำหนดเงื่อนไข BGA

แผ่น BGA ถูกกำหนดไว้สองวิธี: กำหนดความต้านทานการบัดกรี (เอสเอ็มดี), โดยที่ขนาดของแผ่นมีขนาดใหญ่กว่าช่องเปิดในตัวต้านทานการบัดกรี, ปล่อยให้ลูกบอลบัดกรี BGA ที่หลอมละลายสัมผัสกับการต้านทานการบัดกรีหลังจากการบัดกรีแบบรีโฟลว์; และอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่า etched หรือ Non-Solder Resist Defined (เอ็นเอสเอ็มดี), โดยที่ช่องเปิดต้านทานการบัดกรีมีขนาดใหญ่กว่าแผ่นทองแดง, ดังนั้นลูกประสานจึงไม่สัมผัสกับการต้านทานการบัดกรีหลังจากการบัดกรีแบบรีโฟลว์. ดูหัวข้อต่างๆ 1.1 และ 1.2 เพื่อดูรายละเอียด.

1.1 กำหนดความต้านทานการบัดกรีเทียบกับ. แผ่นที่ไม่ได้กำหนด

1.2 แผ่นกำหนดความต้านทานการบัดกรีบนบอร์ดผลิตภัณฑ์

แผ่นอิเล็กโทรดที่กำหนดความต้านทานการบัดกรีสามารถใช้กับพินที่ไม่สำคัญหรือใช้งานได้ที่สอดคล้องกันเนื่องจากแผ่นอิเล็กโทรด SMD สามารถช่วยลดข้อบกพร่องของหลุมแผ่นอิเล็กโทรดได้. อย่างไรก็ตาม, ควรสังเกตว่าการเชื่อมต่อที่กำหนดความต้านทานการบัดกรีจะสร้างจุดเริ่มต้นความเครียดเพิ่มเติม และควรหลีกเลี่ยงบนพื้นผิวอินเทอร์โพเซอร์และแผ่น PCB.

ข้อเสียเปรียบหลักของแผ่นอิเล็กโทรดต้านทานการบัดกรีอยู่ที่ความเข้มข้นของความเค้นที่เกิดจาก SMD (กำหนดความต้านทานการบัดกรี) ข้อต่อประสาน, ซึ่งกลายเป็นต้นตอของความล้มเหลวของข้อต่อประสานและลดความน่าเชื่อถือ. ดังแสดงในประเด็น 3 ด้านล่าง, สำหรับความสูงของรอยประสานที่เท่ากัน, ปัจจัยชีวิตความเมื่อยล้าเมื่อใช้ Non-Solder Resist Defined (เอ็นเอสเอ็มดี) เพิ่มขึ้นโดยประมาณ 1.25 ถึง 3 ครั้งเมื่อเปรียบเทียบกับแผ่น SMD, ด้วยการปรับปรุงที่ดียิ่งขึ้นภายใต้สภาวะการโหลดที่เข้มงวดมากขึ้น.

แผ่น SMD มีข้อเสียเปรียบหลักสามประการ

• พื้นที่วัสดุพิมพ์น้อยลงทำให้เกิดการแยกด้านบน
• การสูญเสียความแม่นยำของขนาดแผ่น
• ลดความน่าเชื่อถือ, เนื่องจากเป็นที่มาของความล้มเหลวในระยะแรกของข้อต่อประสาน

2.การยุบตัวของลูกบอลบัดกรี BGA มากเกินไป

โดยทั่วไปแล้วลูกบอลบัดกรี BGA ที่ขึ้นรูปแล้วจะยุบลงจากขนาดเดิมที่ 750μm เป็นประมาณ 625μm. หลังจากบัดกรีแพ็คเกจเข้ากับบอร์ดแล้ว, ลูกประสานยุบลงเหลือประมาณ500μm. อย่างไรก็ตาม, หากมีแผ่นระบายความร้อนหรือบล็อกระบายความร้อนอยู่ภายในบรรจุภัณฑ์, ลูกประสานอาจยุบลงไปที่300μm. เมื่อลูกประสานแบน, ความน่าเชื่อถือลดลงเนื่องจากความสูงของบัดกรีที่จำกัดและความยืดหยุ่นของข้อต่อบัดกรี. อีกด้วย, การขยายของลูกประสานอาจเกินช่องว่างที่คาดไว้. การประมาณที่ดีกว่าคือการลดการไหลซ้ำเริ่มต้นที่ประมาณ 10% ความสูง; ด้วยการเพิ่มน้ำหนักของแผ่นระบายความร้อน, จำนวนนี้อาจเพิ่มขึ้นเป็น 25% ของความสูงเดิม (เส้นผ่านศูนย์กลางลูกประสาน). รูปแบบของแผ่นเชื่อมต่อและช่องว่างในความต้านทานการบัดกรีก็มีบทบาทในการวิเคราะห์เช่นกัน. ค่าสุดขีดของสถานการณ์นี้แสดงไว้ในส่วนต่างๆ 2.1 ถึง 2.4.

2.1 BGA Solder Ball ที่ไม่มีชุดระบายความร้อน, 300μm ความสูงในการถือครอง

2.2 บอลบัดกรี BGA พร้อมชุดระบายความร้อน, 375μm ความสูงในการถือครอง

2.3 บอลบัดกรี BGA พร้อมชุดระบายความร้อน, 300μm ความสูงในการถือครอง

2.4 สภาวะการบัดกรีที่สำคัญ

ปริมาณของสารบัดกรีที่สะสมไว้มีประโยชน์สำหรับการเชื่อมต่อ BGA แบบขึ้นรูป แต่ไม่สำคัญมากสำหรับการก่อตัวของข้อต่อบัดกรีที่ดี, เนื่องจากลูกประสานสามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งบัดกรีได้. อย่างไรก็ตาม, สำหรับเซรามิก BGA (ซีบีจีเอ), การฝากวางประสานที่เพียงพอเป็นสิ่งสำคัญมาก. สำหรับ CBGA ขนาด 890μm, ปริมาณตะกั่วบัดกรีที่แนะนำคือ 0.12 มม, อย่างน้อย 0.08 มม.. หากวางประสานไม่เพียงพอ, ดังแสดงในส่วน 3.1, ความน่าเชื่อถือของข้อต่อประสานอาจเป็นปัญหาได้. ต้องเติมบัดกรีลงในลูกบอลหรือเสาบัดกรีที่มีอุณหภูมิสูง เนื่องจากปริมาตรของบัดกรีจากเทอร์มินัลบรรจุภัณฑ์ไม่ส่งผลต่อข้อต่อบัดกรี.

2.5 การสะสมของกาวหนามากเกินไป

2.6 การตรวจจับช่องว่างผ่านการเอ็กซ์เรย์และการแบ่งส่วน

การเอ็กซ์เรย์ส่งผ่านสามารถตรวจจับการมีอยู่ของช่องว่างได้ (พื้นที่แสง) และตำแหน่ง X-Y ที่เกี่ยวข้อง. เทคนิคนี้ยังสามารถตรวจจับลูกบอลบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอหรือหายไปได้ (เส้นผ่านศูนย์กลางภาพมืดต่างๆ), ตัวอย่างที่แสดงไว้ในส่วน 2.7. อย่างไรก็ตาม, จำเป็นต้องมีการแบ่งส่วนเอ็กซ์เรย์เพื่อกำหนดแนวตั้ง (แกน Z) ตำแหน่งของช่องว่างในข้อต่อประสาน.

2.7 ช่องว่างและลูกบอลประสานที่ไม่สม่ำเสมอ

มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้เกิดช่องว่างใน BGA. แม้ว่าช่องว่างทั่วไปจะแสดงในส่วนนี้ก็ตาม 2.7, ช่องว่างไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือ. ช่องว่างเช่นเดียวกับที่แสดงไว้ในมาตรา 2.8 สามารถทนต่อ 1000 วงจรความร้อน (ไม่มีอาการตกใจ, 0-100องศาเซลเซียส). แม้กระทั่งในการทดสอบบางอย่าง, ช่องว่างไม่ลดความเหนื่อยล้าของชีวิต, ช่องว่างที่มากเกินไปในข้อต่อประสานบ่งบอกถึงปัญหาเกี่ยวกับการออกแบบ, กระบวนการ, หรือวัสดุ. ควรตรวจสอบความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ด้วย.

2.8 ช่องว่างของเปลือกไข่

3.การบิดเบี้ยวและการบิดเบี้ยวของพื้นผิว BGA

ในกระบวนการ reflow การประกอบตามปกติ, BGA ที่ขึ้นรูปมีแนวโน้มที่จะบิดเบี้ยว. การบิดเบี้ยวสามารถเกิดขึ้นได้บนพื้นผิว BGA หรือ PCB ของผลิตภัณฑ์. ผลที่ได้คือข้อต่อประสานที่ตึงเครียดกลายเป็นสภาวะเปิดหรือไฟฟ้าลัดวงจร. อุณหภูมิ (โปรไฟล์การรีโฟลว์), โครงสร้างบีจีเอ, ปริมาณการวางประสาน, และสภาวะการทำความเย็นล้วนนำมาซึ่งข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้น. กางเกงขาสั้นลูกปืนประสานที่มุมบ่งบอกถึงการบิดเบี้ยวของ BGA, โดยที่มุมของแพ็คเกจ BGA บิดงอเข้าด้านใน (BGA ที่กำลังร้องไห้).

การลัดวงจรเกิดขึ้นระหว่างมุม BGA ที่อยู่ติดกันและ/หรือตรงข้ามกัน เนื่องจากการโค้งงอของวัสดุพิมพ์ลง (หน้าร้องไห้), เน้นลูกประสานมุม. ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ทำให้ลูกบอลบัดกรีที่อยู่ไกลจากมุมยกออกจากพื้นผิวสำหรับติดตั้ง, เมื่อวัสดุพิมพ์เปลี่ยนจากหน้าร้องไห้เป็นหน้ายิ้ม, ดังแสดงในส่วนต่างๆ 3.1 และ 3.2. เนื่องจากซับสเตรตและชิป BGA บางลง, การบิดเบี้ยวของบรรจุภัณฑ์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน. เพื่อให้มีกระบวนการ SMT ที่แข็งแกร่ง, ขอแนะนำให้ตรวจสอบว่าได้เพิ่มสารบัดกรีลงในแผ่นเชื่อมต่อเพียงพอหรือไม่. กระบวนการนี้ควรได้รับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิดเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีข้อบกพร่องเพิ่มเติม เช่น สะพานประสานหรือลูกปัดเกิดขึ้น.

3.1 การบิดเบี้ยวของพื้นผิว BGA Interposer

วงจรเปิดของลูกบอลบัดกรีที่มุมเป็นข้อบ่งชี้ของการบิดเบี้ยวของ BGA, โดยยกมุมบรรจุภัณฑ์ขึ้นด้านบน. วงจรเปิดนี้, ดังแสดงในส่วน 3.2, สามารถย่อให้เล็กสุดได้โดยใช้ปริมาตรการวางบัดกรีเพิ่มเติม.

3.2 วงจรเปิดข้อต่อประสานเนื่องจากการบิดเบี้ยวของพื้นผิว Interposer

การใช้สารบัดกรีส่วนเกินไม่สามารถแก้ปัญหานี้ได้. การระบุสาเหตุที่แท้จริงและการจัดการเหตุผลความผิดปกติมีความสำคัญมากกว่าในการสร้างกระบวนการที่มีประสิทธิภาพ. การปรับเปลี่ยนการเปิดลายฉลุเพื่อให้วางประสานบนบอร์ดควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นวิธีแก้ปัญหาสำหรับการแก้ไขวงจรเปิดที่มุมหากไม่สามารถเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขของกระบวนการหรือส่วนประกอบได้, เช่น กระบวนการจัดเรียงใหม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมหรือไม่, ไม่สามารถออกแบบแพ็คเกจ BGA หรือซับสเตรต BGA interposer ใหม่ได้, หรือบอร์ดผลิตภัณฑ์ไม่สามารถออกแบบใหม่ได้. นอกจากนี้, ความผิดปกติมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นต่อไป, และก่อนที่จะทำการเปลี่ยนแปลงกระบวนการใด ๆ, ควรพิจารณาสินค้าคงคลังของการประสานและส่วนประกอบ. หากตัดสินใจใช้การวางบัดกรีส่วนเกินเพื่อแก้ไขวงจรเปิดบอลบัดกรีมุม, ตรวจสอบกระบวนการนี้อย่างใกล้ชิดเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีข้อบกพร่องเพิ่มเติมเช่นสะพานประสานหรือลูกปัดเกิดขึ้น.

เงื่อนไขร่วมบัดกรี

ต่อไป, เราหารือเกี่ยวกับเงื่อนไขของลูกบอลประสานที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างการติดตั้งและสารตั้งต้น interposer. สำหรับแต่ละกรณี, มีคำอธิบายเกี่ยวกับสาเหตุของเงื่อนไขนี้.

4.1 เงื่อนไขการบัดกรีเป้าหมาย

4.2 บอลประสานออกซิไดซ์มากเกินไป

4.3 สัญญาณของการเปียกน้ำ

4.4 สภาพที่เห็น

4.5 การประเมินลูกบัดกรีดีบุก/ตะกั่ว

4.6 แซคอัลลอยด์

4.7 ข้อต่อประสานเย็น

4.8 ข้อต่อที่ไม่สมบูรณ์เกิดจากการปนเปื้อนของแผ่นอิเล็กโทรด

4.9 การปนเปื้อนที่เกิดจากลูกบัดกรีผิดรูป

4.10 ลูกบัดกรีผิดรูป

4.11 การบัดกรีและฟลักซ์ไม่เพียงพอสำหรับการสร้างข้อต่อที่เพียงพอ

4.12 ลดพื้นที่สัมผัสของเทอร์มินัล

4.13 สะพานประสาน

4.14 Reflow การประสานที่ไม่สมบูรณ์

4.15 ข้อต่อประสานแบบแห้ง

4.16 วงจรเปิดข้อต่อประสานแบบไม่เปียก

4.17 ข้อต่อประสานหมอนผล (กระโดด)