电子组装可靠性工程介绍

1,电子组装可靠性工程（DFR）,2,主要资料,“PrintedCircuitHandbook”5th第53章：ReliabilityofPtintedcircuitassemblies第54章：Component-to-PWBReliabilityIPC-SM-785GuidelinesforacceleratedreliabilitytestingforsurfacemountsolderattachmentsIPC-D-279DesignGuidelinesforreliablesurfacemounttechnologyprintedboardassembliesIPC-9701PerformancetestmethodsandqualificationrequirementsforsurfacemountsolderattachmentsIPC-7095DesignandAssemblyProcessImplementationforBGAs,3,内容提要,可靠性基础电子组装组件的失效机理电子组装的可靠性设计（DFR）面阵列（BGA类）器件的可靠性可靠性试验与分析,4,一、可靠性基础,可靠性基本概念：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。说明：规定的工作条件：环境条件、负荷条件和工作方式环境条件：气候环境与机械环境负荷条件：产品所承受的电、热、力等应力条件工作方式：连续工作或间断工作，不工作,5,可靠性：正常、失效随机事件概率：采用概率来表征产品可靠性的特征量与特征函数，即用概率来表征产品完成规定功能能力的大小。可靠性量化定义可靠度可靠度产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。通常用字母R表示,一、可靠性基础,6,可靠度R（t）：表示在规定的条件下使用一段时间t后，完成规定功能的概率。数学表达式：R（t）P（Tt）如果有N个产品从开始工作到t时刻的总失效数为n(t)，产品在t时刻的可靠度近似表示为：随着时间的不断增长，可靠度不断下降。介于01之间的数。,（1）可靠度,7,（2）累积失效概率,概念：产品在规定条件下工作到t这段时间内的失效概率；一般用F（t）表示；又称为失效分布函数。表达式：F（t）P（Tt）如果有N个产品从开始工作到t时刻的总失效数为n(t)，产品在t时刻的累积失效概率近似表示为：,8,可靠度与累积失效概率之间的关系,两者随时间的变化关系,9,（3）失效分布密度,概念：产品在规定条件在t时刻的失效概率；一般用f（t）表示。表达式：,10,F(t)、f(t)、R(t)之间的关系,11,（4）失效率（t）,失效率（t）也称为产品的瞬时失效率在实际工作中，关心的是在t时刻还在正常工作的产品中，在t时刻时间间隔内（t+t）还有多少百分比的产品失效即瞬时失效率。,12,（5）寿命,寿命是定量表征产品可靠性的另一类物理量平均寿命MTTF(meantimetofailure):产品失效前的工作或储存时间的平均值数学表示：,13,（6）可靠寿命TR,可靠寿命TR指产品的可靠度R(t)下降到r时，所经历的工作时间。对于失效分布服从指数分布情况：,14,（7）中位寿命与特征寿命,中位寿命：指可靠度降为50的可靠寿命,特征寿命：指可靠度降为1/e的可靠寿命,15,通用的失效率曲线:浴盆曲线,IPC-SM-785,16,电子产品通用失效函数说明,早期失效期偶然失效期耗损失效期,17,通用的累积失效分布图,IPC-SM-785,18,指数分布,指数分布最大的特点是失效率表现为一常数；正适合产品处于偶然失效阶段的描述数学表征：,19,正态分布,正态分布又称为高斯分布或误差分布函数数学表征：,20,正态分布曲线,21,威布尔（weibull）分布,数学描述：,22,参数说明（1）,三个基本参数：m、t0m：形状参数，直接影响失效密度分布曲线的几何形状。,23,位置参数：，决定了曲线在t轴上的出发点，具体反映了产品开始失效的时间。,参数说明（2）,24,尺度参数：t0，决定f(t)曲线的陡度，也具体表示出产品寿命的长短。,参数说明（3）,25,二、电子组装组件可靠性基本问题,元器件印制电路板（PCB）元器件与PCB的互连（焊点）,26,热失效问题机械失效问题电化学失效问题电磁兼容失效静电失效,二、电子组装组件可靠性失效机理,27,PCB的失效机理,失效特征：电阻的变化（开路或短路）失效机理：热致失效最典型的是：通孔镀层的裂纹脱层（分层）机械失效化学失效（dendriticgrowth：枝晶生长）,28,热致失效,热致失效：长时间高温或温度循环热应力来源：PCB制造过程中的热冲击或热循环热冲击：30c/s如：阻焊膜的固化、热风整平（HASL）组装过程中的热冲击或热循环工作过程中的热循环,29,PCB通孔镀层常见失效位置,30,PCB各材料的热特性对比,31,几点说明,铜与FR-4的热膨胀系数不一致；FR-4的热特性与温度有关，当高于Tg以上时，热膨胀系数急剧上升；FR-4的热特性是各向异性，即Z方向与X-Y方向热膨胀不一致；在热循环升温过程中，镀层就象铆钉一样承受FR-4热膨胀带来的热应力，在应力集中处（转角处、缺陷）易于开裂。,32,热致疲劳寿命计算,低周疲劳Coffin-Manson:,说明：Nf：失效周期数（疲劳寿命）：应变范围f：应变延展系数m：常数，接近2,33,改进措施之一：降低,降低或消除热冲击（最典型方法：预热）；降低热循环的温度范围（特别是高于Tg）；选择低CTE与高Tg特性的PCB材料（如芳族聚酸胺纤维）；降低PTH的高径比（5：1以上时在中心很难获得足够厚度）；增加铜的镀层厚度；镀铜之后再镀Ni。,34,温度循环范围对疲劳寿命的影响,35,Tg与孔径对疲劳寿命的影响,36,镀层厚度对疲劳寿命的影响,37,改进措施之二：增加f/,增加Cu的延展系数和屈服强度，但两者相互矛盾，需要平衡；可以通过电镀池的选择以及电镀工艺参数的优化控制来改善。,应力集中问题：镀层缺陷等易于引起应力集中将大大降低疲劳寿命。,38,机械失效,一般而言，PCB一旦组装后，从机械结构角度看，焊点成为电子组装组件最薄弱的环节，因而PCB本身的机械失效很少发生。,39,电化学失效,PCB要求：互连线本身的低阻抗、互连线之间的高阻抗量化要求：高的表面绝缘电阻SIR问题：在一定的湿度条件下，特别是在离子污染条件下，高温与偏压将加速表面绝缘电阻的失效。后果：窜扰，特别是对于模拟测量器件，后果将更加严重。,40,关键的影响因素,关键因素：湿度环境、离子污染很多腐蚀机理均需要水；聚合物本身具有吸水性；PCB吸水后，导线之间的耦合电容增加（水的介电常数大），降低导线之间的绝缘电阻值（特别是在离子污染或偏压条件下）；低绝缘电阻引起枝晶生长、金属迁移、电流腐蚀等化学腐蚀。离子污染源：焊剂、工业污染物（NO2、SO2）,41,电化学失效的主要形式,导电污染物引起桥连枝晶生长电偶腐蚀导电阳极丝（CAF）生长锡（晶）须,42,Conductivecontaminantbridging,43,枝晶生长,枝晶生长：由于电解引起金属在从一导体（阳极氧化成离子）向另一导体（阴极）迁移产生条件：一定量分子厚度的水汽薄膜；阳极金属氧化（如：Pb、Sn、Ag、Cu）；低电流的直流偏压化学反应机理：,44,Dendriticgrowth,45,ConductiveAnodicFilamentGrowth,CAF生长是枝晶生长的特例，金属在阳极氧化，然后在玻璃（或其他）纤维与PCB纸基之间沉积。影响因素：玻璃与聚合物之间分层将加速生长，反过来又促进分层；分层现象一旦发生，高温、湿度、偏压将促进其发展；对于多层板，外层比内层更容易（吸湿）阻焊膜或conformalcoating具有较好效果,46,焊点失效机理,热致失效热循环热冲击机械失效过载与冲击失效振动失效电化学失效与PCB电化学失效基本一致,47,焊点的热疲劳失效机理,48,热疲劳寿命,与金属化孔失效公式一样：与PHT不一样的是还与频率、在高低温的保持时间等密切相关，关键是焊点疲劳失效的主要变形机理是蠕变；当温度超过熔点温度（K）的一半，蠕变成为重要的变形机理；对于焊点即使在室温时已超过熔点温度的一半，因此在热循环过程中蠕变成为主要的热变形疲劳失效机理。,49,蠕变特性,蠕变在恒定载荷条件下发生随时间而增长的塑性变形。,50,疲劳破坏图,51,热循环温度曲线对疲劳寿命的影响,峰值温度温度越高，蠕变越大；降低峰值温度是提高热疲劳寿命最有效的途径热循环频率频率越低，有更多的时间产生蠕变，增大了永久变形，在单周期是低频热损伤比高频大；在极限温度的保持时间只要应力非零，蠕变随时间增加而加大，应力进一步释放直到为零；如果再延长时间，则无影响,52,改善措施,在封装结构选择上，选择具有一定柔性的引脚与引脚在PCB上焊接面积大的器件；封装体与PCB的热膨胀系数更接近；减小封装体的尺寸；增加焊点的高度；降低焊点局部（焊盘与焊点、焊点与引脚之间）的热不匹配；降低工艺过程的残余应力；选择其它焊接材料（更细的微观结构），但考虑其它因素（如熔点等）。,53,热冲击,一般指温度上升或下降速率达到30C/S；在热循环时，一般认为组件各部分的温度完全一致，对于热冲击条件下，由于比热、质量、结构、加热方式等各种因素影响，各部分的温度不一样，将引起附加的热应力；热冲击有可能引起在缓慢的热循环过程没有出现的失效形式。,54,元器件的失效,热冲击多层陶瓷电容（特别是高厚度的大电容）不能承受大于4C/S，否则产生微裂纹，在潮湿与偏压下可能生长枝晶。高温有一部分元器件（如连接器、感应器、电解电容等）不能承受再流焊的高温SMT塑封器件分层Die与模塑封装之间的分层，特别是薄型塑封器件（如TSOP、TQFP）。,55,三、DesignForReliability（DFR）,DFM:DesignforManufacturing，可制造性设计，是运用并行工程原理的一种设计方法，其主要思想是在产品设计时要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性（或工艺性）。其目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。在这种设计和工艺同步考虑的情况下，不仅很多隐含的工艺问题能够及早暴露出来，避免了设计返工；同时通过对不同的设计方案的可制造性进行评估取舍，依据加工费用进行优化，能显著地降低成本，缩短制造周期，增强产品的竞争力。DFx：x表示制造、测试、可靠性、可维护性、环保等的设计，即在设计阶段充分考虑产品制造与使用生命周期全过程。DFR:可靠性设计，充分考虑产品可靠性的设计。,56,DFR的层次,电路原理的可靠性设计PCB布线的可靠性设计防静电可靠性组装材料（元器件封装类型、PCB材料）的可靠性选择组装工艺与结构的可靠性设计返修/返工、测试的可靠性设计,57,电路原理的可靠性设计,防浪涌设计集成电路开关工作、接通电容性负载、断开电感性负载、供电电源引起引起的浪涌电流防噪声设计接地不良、静电耦合、电磁耦合、反射、串扰等引起的噪声。.,58,PCB布线的可靠性设计,板级电磁兼容性设计可参考：电磁兼容和印刷电路板：理论、设计和布线。北京：人民邮电出版社，2002。接地设计最好是大平面接地方式热设计热场分析热设计布局设计散热结构设计,59,防静电可靠性,器件使用环境的防静电如防静电工作区及其湿度控制、防静电工作台、防静电地板、防静电工具操作者的防静电防静电服、防静电腕带器件包装、运输与储存过程中的防静电器件使用时的防静电防静电操作规范、标识、管理文件,60,元器件的选择,封装类型表面贴装元器件与通孔插装元器件的选择有引脚与无引脚表面贴装元器件的选择引脚类型的选择引线框架材料选择封装材料的选择面向清洗工艺的元器件间隙高度元器件金属化端结构与材料的选择,61,表面贴装元器件VS通孔插装元器件,一般而言，PTH焊点比SMT焊点（两者均焊接良好）的热疲劳寿命高；当元器件常常处于高于Tg以上温度的工作环境时，PTH比SMT焊点更易于失效。,62,塑封VS陶瓷封装,在全局CTE（封装体与PCB）匹配方面，塑封优于陶瓷封装；对于封装效率越高（硅芯与封装体面积之比越大）的塑封器件，如TSOP，其整体CTE更小（5.5PPM）；塑封器件吸湿性将引起器件级可靠性问题（有关湿敏器件分类及其处理参考：J-STD-020）,63,有引脚与无引脚表面贴装元器件,有引脚器件因为引脚柔性吸收一部分变形而使得焊点的疲劳寿命增强；大尺寸的无引脚器件应尽量避免使用；如果不可避免，可以考虑使用conformalcoating,64,引脚类型（刚度、高度）,65,不同引脚高度对可靠性的影响,66,引线框架材料,主要的材料是Cu与42号合金；Cu的柔性比42号合金的柔性好，相应可吸收更多的变形，焊点可靠性好；42号合金与硅芯的CTE匹配特性好；对于当前相当多的TSOP封装的存储器，组装后焊点高度很低，引线框架多采用42号合金，引脚刚度高，其可靠性问题相对有一定风险，但被过分夸大，由于热不匹配很小。,67,元器件金属化端材料与结构的选择,一般而言，引脚涂层为锡或铅锡合金；对于铜引脚，如果再流焊时间过长或温度过高，IMC（Cu3Sn、Cu6Sn5）；对于纯锡，考虑锡须问题；对于Au，在焊接时溶解到焊点中，必须控制焊点中Au的重量百分比低于35；对于如多层陶瓷电容、电阻、感应器等陶瓷器件，其金属化端常用Ag或AgPd，为了防止Ag溶解到焊料中，再其上涂Ni/Sn或Ni/Au。,68,面向清洗工艺的元器件间隙高度,对于采用水洗工艺的组装件，元器件间隙高度（元器件底面与PCB表面之间的高度）最小保证0.20.25mm;如果间隙高度太小，由于表面张力作用难以进入器件底部清洗，同时难以烘干；对于高挥发性的CFC，元器件间隙高度不是主要问题；对于免清洗工艺，自然不存在该问题，但一定要进行SIR测试。,69,关于封装可靠性考虑小结,引脚形状引脚材料引脚高度引脚厚度引脚涂层封装体材料,70,PCB材料选择的可靠性考虑,基底材料主要特性参数：热特性、CTE（Z轴、X-Y平面）、Tg、介电常数对于PTH，低的Z轴CTE，高Tg部分PCB基底材料特性：,71,Tg对Z轴CTE的影响,72,不同Tg的基底材料对可靠性的影响,73,X-Y平面低CTE的PCB材料与结构,对于SMT焊点，尽可能使最容易热疲劳破坏的器件（如大尺寸的无引脚器件）与PCB在X-Y平面的CTE相匹配。为了实现低的XY平面CTE，典型的方法是采用金属芯的PCB结构，共有两种结构形式。,74,X-Y平面低CTE的金属芯机构,75,金属芯与常规FR-4PCB的CTE对比,76,阻焊膜考虑,技术要求：IPC-SM-840,基本原则：能形成一致性很好、与PCB表面黏附力强的致密保护膜，与组装工艺过程的热、焊剂等工艺相兼容；对于需要掩蔽通孔的情况（防止抽芯），选用干膜；阻焊膜厚度不能太厚，否则容易形成微缝，从而诱导污染物而加速腐蚀。,77,焊盘金属化考虑,主要三种：OSP、HASL、化学镀NiAuHASL由于其严重的热冲击对焊点可靠性带来较大影响；OSP能提供均一、平整、可焊性良好的金属涂层。在高温高湿储存的SIR测试表明OSP能达到HASL相比拟甚至更好的性能；Cu厚度对可靠性影响很大，而OSP、HASL工艺会使Cu溶解到焊料中，从而降低PTH的可靠性；化学镀Ni与Au能显著提高PTH的可靠性。主要基于以下几点：一是Ni阻止Cu在焊接时溶解到焊料中；二是Ni能使镀层更均匀；三是Ni的弹性模量大，在相同应力下应变小，从而提高PTH的可靠性；,78,镀金的应用及其对可靠性的影响,为了良好的电接触、引线键合以及可焊性保护等，在镀Ni后镀各种厚度的Au；由于Au在焊料中具有较高的溶解度，PCB焊盘与元器件引脚上的Au在焊接时完全溶解到焊点中，形成脆性的IMC，降低焊点的可靠性；对于波峰焊，一定监控熔池中Au的浓度，重量百分比低于35，特别是细间距器件或厚镀金层PCB；Au浓度计算：对于其它Au在其中溶解度很低的焊料，自然不用考虑该问题。,79,焊点材料,当前最主要的还是共晶与准共晶锡铅焊料；尚未得到一致认可的比锡铅焊料更好力学特性同时具有良好工艺特性的替代材料；共晶焊料中含2的Ag提高高温热循环寿命；常用金属化端材料如Ag、Au、Cu在共晶焊料中快速溶解，特别是陶瓷电容与电阻，一旦金属化层完全溶解到焊料中，失去浸润能力。采用63Sn36Pb2Ag可以减缓该问题。,80,IMC：金属间化合物,微焊接：形成IMC；溶解的金属化材料与焊料形成IMC：Cu：Cu3Sn、Cu6Sn5Ni：Ni3Sn4、Ni3Sn2、Ni3Sn上述IMC硬、脆，尤其是NiSnIMC特别脆；如果太厚，将降低焊点可靠性，特别是在张应力状态下容易产生微裂纹；应当最小化焊接时焊料熔融态的时间以及焊后高于150C的时间。,81,其它焊料,其它焊料的特定应用（如CBGA的高温焊料球、低温焊料、In焊料等）无铅焊料导电胶在LCD等少量的应用，一旦突破，是否引起电子装联技术的革命？,82,组装工艺与结构参数的可靠性设计,焊盘的设计（形状与参数：IPC-7351）网板的设计与制作（厚度、制作方法、开口形状与大小）印刷参数获得无缺陷的理想体积的焊膏贴片（贴片精度与贴片压力）再流焊温度曲线获得无缺陷的理想结构与形态的焊点,83,焊料体积对可靠性的影响,焊点高度焊点形状焊点刚度热容量，从而影响IMC的厚度对于某一特定的元器件，获得均一的理想焊料体积是可靠设计的重要一环。,84,影响焊料体积的相关参数,模板特性模板厚度模板开口模板开口的表面特性模板的表面特性印刷参数刮刀类型刮刀压力速度,85,如何确定最“可靠”的焊料体积,实验成本太高，时间太长，通用性不强，对一般生产企业而言可操作性差分析计算通过仿真计算对比每一特定类型不同型号的器件在一定焊料体积范围内的焊点的疲劳寿命，确定其工艺范围内的最佳量。问题：对于不同的元器件，不同的厂家，不同的型号，其公差范围相差比较远，优化结果不一定能直接应用。对策：严格控制供应商，并掌握其公差实际分布状况，特别是0201、CSP器件，其引脚的小变化对可靠性有较大影响。,86,如何保证最“可靠”的焊料体积,模板设计与制作焊盘的设计与定义印刷参数的控制印刷机的高重复精度焊膏印刷量的3-D检测工艺参数的实时控制(SPC),87,模板的可靠性设计,加工方法材料选择厚度选择开口设计形状（开口形状、孔壁锥度4-9）尺寸：宽度（三球定律）、宽厚比（大于1.5）、面积比（大于0.6）孔壁粗糙度,88,阶梯板,89,通孔回流焊模板,要求在通孔及其焊盘位有最多锡膏量时使用，采用二次重印技术；THDStencil应有至少0.25mmRelief-EtchTHDStencil一般0.4-0.75mm厚,90,我们的工作思路,SMT焊点结构与设计参数,成型建模,成型预测,应力解析,疲劳寿命分析,修正相关设计与工艺参数,优化参数,91,举例,92,温度曲线,焊膏的理想温度曲线炉腔的温度曲线焊点的温度曲线挑战：不可能实现一块板上所有焊点都经历最理想的温度曲线对策：让最危险的器件焊点经历最理想的温度曲线，其它元器件的焊点在通用的可靠温度工艺窗口（范围)之内难点：如何判断所有的焊点中温度最高与最低的焊点？,93,通用可靠的温度曲线要求,防止热冲击，升温率不高于4C/S；防止冷焊，所有焊点都要保证在熔点温度15C以上几秒的时间；防止过热，引起过厚的IMC；防止IMC的生长，降低在焊后150C以上的时间；防止过大的残余应力，降温速率不高于4C/S；,94,如何确定“最可靠”的温度曲线,温度曲线测试测试点包括最高点、最低点、最危险的器件的焊点；难点：如何判断出最高点与最低点？对策：反复多次测试、仿真计算如何完成上述理想温度曲线的设置各温区设置温度与温度曲线之间的对应关系工程师按照积累经验进行挑战；测试与仿真一体化的工具（KIC）专业的仿真分析,95,波峰焊工艺对可靠性的影响,波峰焊工艺主要的可靠性问题问题之一：热冲击预热：焊料的温度与器件之间的温差不高于100C，典型的预热温度为150C；问题之二：过热，特别是对于SMT与THT混合组装情况下，在波峰焊时，SMT焊点再次加热，在部分熔融的情况下易形成热裂（hotcracking），在在线测试时可能没有问题；问题之三：焊料池的污染，主要是器件引脚的金属化涂层（如Au）等溶解到焊料池中，形成脆性的IMC,96,清洗工艺对可靠性的影响,污染来源：焊剂与粘结剂残留物、手印组装板上离子污染（如：K、Na、卤化物离子）将降低SIR，引起电化学失效问题；对于免清洗工艺，一定要注意测试SIR；此外注意焊珠问题；对于对于水洗工艺，保证最低的焊点间隙高度，一方面保证能清洗到任何地方，同时保证要完全烘干；对于返修，注意选用无卤素焊剂或正确清洗同样很重要；溶剂清洗要考虑与阻焊膜、PCB基底、保行涂覆等材料的兼容性；对于超声清洗，一是注意对器件内部键合焊盘的损伤；而是注意能量不能太高，对LED、SOT-23，其引脚的固有频率与超声波发生器的频率接近。,97,返修工艺对可靠性的影响,热冲击问题：对于陶瓷器件，温升率不高于4C/S；对于大的通孔器件（如PGA、连接器），PHT的热循环次数很有限，注意通孔的微裂纹；预热：100C；注意通孔Cu的减薄，一是从器件去除到替换低于25S时，很少溶解；而是采用NiAu镀层，Ni溶解非常缓慢；对周边器件的影响，一定注意热屏蔽，使周边器件温度低于150C，否则IMC生长很快；对于湿敏器件的返修，前烘去湿，最小化峰值温度与高温时间。,98,BGA类器件的焊点可靠性,BGA类器件封装基础BGA类器件对可靠性的影响BGA类器件的DFRBGA类器件的可靠性有限元分析BGA类器件的可靠性评价,99,标准,IPC-7095:DesignandAssemblyProcessImplementationforBGAs,100,PlasticBallGridArray,ChipWireBonded,101,Thetransitionofchipbondinglandsthatareinanarrayformatpermitsthemountingofthedieinflipchipconfigurations.Inthisinstance,thedieismountedoppositetothatwhichiswire-bondedandthebumpsofthediecomeintodirectcontactwiththesubstratebeingusedtoconvertthediepatterntotheBGApattern.,FlipChipConfigurations,102,BallGridArray,FlipChipBonded,103,CrossSectionofaPlasticBallGridArray(PBGA)Package,104,TheresinsusedinPBGAshaveTg(glasstransitiontemperature)necessaryforhightemperaturestability.BT(bis-maleimidetriazene)resinisthemostcommonlyusedresinforPBGA.ThereareotherproprietaryresinmaterialsalsousedforPBGAs.ThesematerialshaveCTEverysimilartothatofcommonlyusedFR-4laminate(16-20ppm)andhencedonotposeanysolderjointreliabilityconcerns.DricladismoreresistanttomoisturebutallPBGApack-agesareconsideredtobeextremelymoisturesensitive.HenceallPBGApackagesaresusceptibletothepopcorneffect(likeanyplasticpackage).Thefailureisgenerallyseenasacrackinthepackageordelaminationinthedieattachregion.,105,CeramicBallGridArrays(CBGA),TheCeramicBGA(CBGA)isalsocalledSBC(solderballconnection)byIBM.Theinternalconnectioninthepackagecanbeeitherwithconventionalwirebondingorbyflip-chip.ThepackagecanbeeithercavityuporcavitydownasintheLCCC.Thesolderballsarehightemperaturesolder(90%leadand10%tin)withameltingpointof302C.Theballsareattachedtothepackagewitheutecticsolder(63%Sn,37%Pb).ThebodysizeofCBGAisfrom18to32mm.,106,HighLeadandEutecticSolderBallandJointComparison,107,TheCBGAsarehermetic(donotabsorbmoisture)andhencearenotsubjecttothepopcorneffectasarePBGAs.Also,sincethesolderballshaveahighmeltingpoint,theydonotmeltduringreworkand,unlikePBGAs,canbereballedforreuse.Theballsare1.25mmindiameterandprovidesufficientstand-offforreliabilityandcleaning.,108,Ceramiccolumngridarray,isusedforlargerpackages(32to45mm).LikeCBGAs,andPBGAs,theyalsousemultilayerceramicpackages.TheyareverymuchlikePGAsbutwithlowerpitchandmorefragileleads(columns).,109,TapeBallGridArrays(TBGA),Tapeballgridarray(TBGA),isanotherlowcostlowpro-filepackage.Itusesalowdielectricsubstrate(polyimide)andatwometallayerTAB-typesubstrate(onesignalandoneground).InTBGA,theCTEmismatchissuesarenon-existentsinceadhesiveandflexiblesubstratestakeupstrains.,110,StaggeredandDepopulationCharacteristics,111,BGA类器件组装的DFR,产品的实际使用环境,112,BGA的镜面布局,113,镜面布局对可靠性的影响（1）,114,镜面布局对可靠性的影响（2）,115,镜面布局对可靠性的影响（3）,结论：镜面布局严重降低BGA的可靠性达50，应当尽可能避免；如果无法避免，采用准镜面布局，并在其重叠部分无通孔。避免大的BGA器件布置在大PCB的中央，尽可能降低由于板的变形对组装质量与焊点可靠性的影响。,116,高密度布局,在薄的PCB一侧布置大量的BGA器件，引起可靠性的下降。,117,高密度布局的主要可靠性问题,问题：由于CTE的不匹配，由于器件的CTE相对较小，在焊后收缩过程中焊点的约束，板发生翘曲（凸起的）引起的可靠性问题板的翘曲，甚至引起焊点裂纹硅芯片与封装的应力问题背侧器件的可靠性问题焊点的变形问题,118,封装设计参数,封装体尺寸（L*W*H）:长宽超过50mm，层数快速增加；DNP:DistanceFromNeutralPoint,119,BallPitch,BallGridArraysaredividedupintototwogroupsofpitches.Thefirstgroupisregularwhichis1.50,1.27,and1.00mm.Thesecondgroupisthefinepitch,whichhasthefollowingpitches0.80,0.75,0.65,0.50,0.40,0.30and0.25mm.Thepresentusageshowsthatthe1.27asbeingthemostpopularfollowedbythe1.00,0.80,0.75,and0.50mm.Atthemoment,veryfewcomponentmanufacturersareprovidingpartswith1.5mmpitch,asthepressureisonformfactorinordertokeepBGAsassmallaspossible.Pitchplaysalargeroleinthedeterminationofwhatballdiameterscanbeusedinvariouscombinations.,120,BallDiameterSizesforPBGAs,121,焊点高度对可靠性的影响,122,焊点排列方式对可靠性的影响,123,散热垫与加强环,散热垫与加强环主要用于热管理，加强散热，从而提高可靠性；加强环提高封装体的刚度，同时强化尺寸稳定性，降低封装体在回流焊过程中的热变形。,124,LandPatternsandCircuitBoardConsiderations,Componentsaresolderedtotheprintedboardonthesurfacemountlands.Landsareareasofcopperapproximatelytheshapeandsizeoftheleadorterminationfootprint.Thelandpatterndesigniscriticalformanufacturability,becauseitaffectsthesolderdefectrate,cleanability,testability,repair/reworkandthesolderjointsreliability.,125,LandApproximation,Ineachinstance,componentmanufacturersandboarddesignersareencouragedtoreducethelandsizebysomepercentageofthenominalballdiameter.Theamountofreductionisbasedontheoriginalballsize,whichisusedtodeterminetheaverageland.Indeterminingtherelationshipbetweennominalcharacteristics,amanufacturingallowanceforlandsizehasbeendeterminedtobe0.1mmbetweentheMaximumMaterialCondition(MMC)andLeastMaterialCondition(LMC).,126,LandSizeApproximation,127,Futurelandsizeapproximations.Theseindicationsareforballsizesfrom0.25mmto0.15mm.Thesamerelationshipsforasoldermask-definedlandappliesasstated.,128,SMDvs.NSMD,TherearetwobasictypesofsolderlandsusedforBGApackages.Thesearenonsoldermaskdefined(NSMD)andsoldermaskdefined(SMD).NSMDlandsarecopperdefinedasthereissoldermaskclearancearoundthelands,similartomostsurfacemountlands.SMDlandshavesoldermaskoverlappingthecopperland(seeFigure32).Bothlandtypeshaveadvantagesanddisadvantages.AlthoughtherearesomeadvantagesofSMDlands,themajordisadvantageisthatthisapproachislessreliablethanwhenusingNSMDlands.Anareaofhighstressiscreatedatthesoldermaskopening.,129,SMDvs.NSMD,130,Coplanarity,Anothercriticalissueinsurfacemountpackagesisthecoplanarityoftheleads.AndthecoplanarityrequirementsinBGAareverydifferentfromothersurfacemountcomponentsandhenceareofgreatconcerntopeoplewhohavetoassemblethesepackagesontheboard.TherearedifferentcoplanarityrequirementsfordifferenttypesofBGAs.ThefollowingisasummaryofJEDECspositiononcoplanarity.CeramicBGA0.15mmCeramicCGA0.15mmFinePitchBGA0.08mmPlasticBGA0.2mm,131,FlatnessRequirements,FlatnessrequirementsforBGAsubstratesmustbemaintainedtoassurethatthecomponentswillnotbeexcessivelywarpedorbowedafterpackageassembly.Suchconditionscouldmaketestingandtheassemblytothenextleveldifficult.Thepackageassemblyprocesswillcompensatesomeoftheeffectsoncethedieisattached,especiallyifthedieisofsubstantialsizerelativetothepackage.Therecommendedflatnessnumberis0.3%.,132,ImportanceofPasteVolume,ForplasticBGAsmuchoftheirsoldervolumeissuppliedbythesolderballonthepartitselfandthepastevolumeisnotallthatcritical.ForBGAsabove0.80mmpitch,stencilthicknesswillbedictatedbytheothercomponenttypesusedontheprintedboardassembly.Soldervolumeandstencilthicknessbecomemorecriticalforceramicandfine-pitchBGAsuchasCSP.ThesolderballsusedonceramicBGAsarenoteutecticanddonotcollapseduringthereflowprocess.,133,StencilThicknessandApertureDesign,Asisthecaseforallcomponents,asthepitchofthepartdecreasesitbecomesnecessarytodecreasethestencilthickness.ForBGAcomponentsintherangeof1.5mmto0.80mmastencilcanbeanywherebetweentherangeof0.2to0.15mm.Forchipscalepackages(CSP)orfinepitchBGAswithpitcheslessthan0.80mmastencilthicknessof0.1to0.125isrecommended.Itisveryimportanttodesignthestencilaperturethatwillprovidegoodpasterelease.Inordertoinsurecorrectpasterelease,anaspectratioof1.5isrecommended.Aspectratioistheratiobetweenstencilaperturewidthandthestencilthickness.,134,ViaSizeandLocation,ViascanbeplacedbetweenBGAsolderlandsonthelandpattern.Vialandsshouldbekeptsmallenoughtoprovideclearancebetweenitandadjoiningsolderlands.Themaximumviasizethatcanbeuseddependsuponthesizeandtype(SMDvs.NSMD)ofsolderlandused.However,itisrecommendedthatthesmalleststandardvialand/drillsizebeutilizedfortheboardthickness.Viaswith0.6mmlandsand0.35mmdrilledholesarecommonfor1.5mmand1.27mmpitchBGAs,while0.5mmlands/0.25mmdrilledholesareusedfor1.0mmand0.75mmpitchpackages.,135,基底材料的选择,与前述一致，重点关注以下特性参数：介电常数CTE（X-Y平面、Z轴）Tg弹性模量屈服强度吸湿性,136,CTE对可靠性的影响,137,塑封VS陶瓷封装,陶瓷封装：陶瓷与芯片之间CTE匹配良好，因此一级互连失效风险很小；但封装体与PCB之间的CTE不匹配严重，对二级互连（焊点）可靠性影响很大，因而限制了CBGA的尺寸（3232mm），更大尺寸可以采用CCGA；塑封：封装体与PCB之间的CTE匹配良好，但基底与芯片之间的CTE不匹配相对严重，需要考虑一级互连可靠性问题；对于塑封，需要考虑吸湿以及由此引起的器件可靠性、工艺可靠性以及PCA可靠性。,138,MoistureSensitivity,TheplasticBGApackagesaremoisturesensitive.Thismakesthemsusceptibletowarpage,swelling,popcorning,orcrackingifthepackagesarenotproperlybakedandkeptdrypriortopackageassembly.ComponentstorageandhandlingproceduresarecriticalforanymoisturesensitivecomponentincludingleadedsurfacemounteddevicesbutitiscriticalforBGAs/FBGAs.,139,MoistureSensitivity(Baking,Storage,Handling,Re-baking),MoisturesensitivityrequirementsaredefinedbyJ-STD-020andJ-STD-033.TheJ-STD-033providesinformationonhandlingmoisturesensitivecomponents.Componentsaresegregatedintoeightlevels.Theseclassesdefinehowlongacomponentcanbeleftoutontheproductionflooronceremovedfromitssealedshippingbag.Partsexposedtoambientairforlongerthanthespecifiedtimemustbere-bakedpriortouse,todriveoutexcessabsorbedmoisture.,140,MoistureClassificationLevelandFloorLife,141,可靠性实验与分析可靠性实验有限元仿真分析,142,可靠性实验步骤,明确实验目的确定加速实验项目实验设计与实验样件制作实验测试实验结果分析（统计、回归、方差分析）可靠性分析评价,143,可靠性实验项目,最典型的加速实验项目热循环热冲击机械冲击与振动焊球剪切与拉拔实验,144,典型的热循环条件,145,热循环的局限性,热循环的时间较长；热循环时在高温或低温时由于最大的CTE热不匹配产生微裂纹，但在室温时无法观测到，因此当在室温时观测到明显的裂纹时实际上其循环数远远大于实际产生微裂纹的循环数；对策：实时检测,146,热冲击,以相当快的时间进行高低温的转换，实验装备一般采用两个隔离的高低温区相互切换；热冲击时间短（热循环：“月”；热冲击：“天”）；热冲击有可能引入与实际使用环境条件下不一致的失效机理；难以将热冲击实验结果转换为实际使用寿命，主要用于相对比较。,147,机械振动与冲击,机械振动与冲击实验用于仿真在运输、使用过程中的振动与冲击；难以将实验结果与实际使用载荷状况对应起来，即很难将实验结果转换为使用寿命，主要用于老化筛选工具,148,SomeFacts,ImpactDroptestingisgettingincreasedattentionintheindustryStronglyrelatedwiththeintroductionofPB-freesoldersExcellentworkd