Dati PCB - Analisi di guasto del collegamento di saldatura tra FPGA e scheda PCB

Gli FPGA sono utilizzati nella maggior parte dei sistemi elettronici di schede PCB, compresi molti campi commerciali e di difesa, e la maggior parte degli FPGA utilizzano pacchetti BGA. Non appena il BGA è apparso, è diventato la scelta per l'imballaggio ad alta densità, ad alte prestazioni, multi-funzione e pin I/O ad alta densità di chip VLSI come CPU e ponte nord-sud. Le sue caratteristiche sono:1. Anche se il numero di pin I/O aumenta, la spaziatura dei pin è molto più grande di quella di QFP, migliorando così la resa del montaggio; 2. Sebbene il suo consumo energetico aumenti, BGA può essere saldato dal metodo controllato del chip di collasso, denominato saldatura C4, che può migliorare la sua prestazione elettrotermica: 3. Lo spessore è ridotto di più di 1/2 rispetto a QFP e il peso è ridotto di più di 3/4; 4. i parametri parassitari sono ridotti, il ritardo di trasmissione del segnale è piccolo e la frequenza di utilizzo è notevolmente migliorata; 5. la saldatura complanare può essere utilizzata per il montaggio, con alta affidabilità; 6. il pacchetto BGA è ancora lo stesso di QFP e PGA, che occupa troppa area del substrato;

I guasti alle giunture di saldatura si verificano frequentemente nelle FGPA, in tutti i tipi di prodotti commerciali e di difesa. Quando l'FPGA è confezionato in un pacchetto BGA, l'FPGA è suscettibile di guasti di connessione alla saldatura. La causa del guasto della saldatura non può essere isolata, la rilevazione precoce è molto difficile e i guasti intermittenti possono aumentare nel tempo fino a quando l'apparecchiatura fornisce prestazioni inaffidabili o diventa inoperabile. Tuttavia, come spesso accade, questo problema può essere risolto, ed è Ridgeop-Group SJ-BIST. In generale, il guasto della saldatura significa che il giunto saldato si rompe in determinate condizioni a causa di vari fattori (quali: stress, temperatura, materiale, qualità della saldatura e condizioni di lavoro effettive, ecc.). Una volta che il giunto si guasta, i componenti strettamente collegati tra loro saranno parzialmente separati, strappati ed espansi, con conseguente danneggiamento della struttura saldata, causando tempi di inattività delle apparecchiature e influenzando la normale produzione. Quali fattori possono causare il guasto di una connessione saldata? Motivi comuni di guasto:1) Guasti correlati allo stress-per i dispositivi in operazioneDi solito, i difetti del materiale stesso (come l'disomogeneità della composizione chimica, micro-crepe locali), crepe calde e fredde, penetrazione incompleta, inclusioni di scorie, pori e sottosuoli nella saldatura a causa di vari motivi, ecc., durante il processo di saldatura. L'elevata sollecitazione residua nella zona vicina della cucitura (compreso lo sforzo strutturale della trasformazione di fase della saldatura e della zona interessata dal calore), così come l'ammorbidimento della struttura ad alta temperatura durante il processo di saldatura e la fragilità dopo il raffreddamento, sono le cause profonde del guasto del giunto e contribuiscono anche al fallimento del giunto. La frattura fragile o l'espansione dell'articolazione fornisce le condizioni. Il metodo attuale per prevedere il guasto delle connessioni saldate è il modello di degradazione statistica. Tuttavia, dato che le statistiche sono significative solo quando esistono un gran numero di campioni, i modelli basati su statistiche rappresentano nel migliore dei casi una soluzione temporanea. SJ-BIST di Raytor Group può fornire un mezzo diretto e in tempo reale per misurare e prevedere i guasti delle connessioni saldate. Ridegtop-Group SJ-BIST può rilevare FPGA non montati. Questi guasti legati alla produzione hanno il proprio set di sfide di rilevamento. L'ispezione visiva è il metodo attualmente utilizzato per determinare i guasti in un ambiente di produzione. Lo svantaggio principale è l'incapacità di testare e ispezionare i giunti di saldatura. L'ispezione visiva è limitata ai giunti di saldatura sulla fila esterna del FPGA, mentre le dimensioni della scheda e altri componenti di montaggio superficiale limitano ulteriormente la visibilità. Man mano che la densità del pacchetto BGA aumenta, la deviazione della sfera di saldatura diventa più rigorosa. Nei pacchetti BGA del passo fine, ci sono migliaia di sfere di saldatura con passo 1.0mm e diametro della palla di 0.60mm. In queste condizioni, l'insufficiente sintonizzazione del pad e la saldatura diventano le cause principali della disconnessione del pad e dei guasti di disconnessione parziale. Anche un'ispezione a raggi X al 100% non è garantita per trovare una rottura del giunto di saldatura quando la saldatura non bagna il pad. Un altro difetto che coinvolge sfere di saldatura e penetrazione capillare in fori placcati non è facile da identificare, anche con immagini a raggi X. Come soft core incorporato, Ridgetop-Group SJ-BIST è davvero adatto per il monitoraggio di schede PCB-FPGA in un ambiente di produzione. Definizione di guasto del collegamento del pacchetto BGA (per il ciclo termico):La definizione del settore di guasto del collegamento del pacchetto BGA è:1) Resistenza di picco superiore a 300 ohm per 200 ns o più.2) 10 o più eventi di guasto si verificano il 10% del tempo dopo 1 evento di guasto. Tipi di guasti della saldatura: 1) Crack della sfera di saldatura Rilevazione di guasti in tempo reale delle connessioni saldate tra un FPGA funzionante e una scheda PCB. Nel tempo, le saldature possono sviluppare crepe a causa di danni da stress accumulato. Le crepe sono comuni sul bordo in cui il dispositivo è saldato al PCB. Le crepe possono causare la separazione delle sfere di saldatura da parti del pacchetto BGA o PCB. Una tipica posizione di fessura è tra il pacchetto BGA e le sfere di saldatura, e un'altra fessura tipica è tra la scheda PCB e le sfere di saldatura. Danni continui a una sfera di saldatura incrinata possono portare a un altro tipo di guasto - frattura della sfera di saldatura.2) Rottura della sfera di saldatura Rilevazione di guasti in tempo reale delle connessioni saldate tra un FPGA funzionante e una scheda PCB. Una volta che c'è una crepa, lo stress successivo può causare la rottura della palla di saldatura. La frattura fa sì che la sfera di saldatura e la scheda PCB si separino completamente, con conseguente stato di circuito aperto per lungo tempo, contaminazione e ossidazione della superficie di frattura. Il risultato finale è da una connessione degradata a un circuito aperto intermittente corto fino a un circuito aperto più lungo.3) Sfere di saldatura mancanti Le sollecitazioni meccaniche successive che portano a crepe e, infine, fratture, possono anche portare alla dislocazione delle sfere di saldatura fratturate. Non solo una palla di saldatura mancante fallisce la connessione di quel pin, ma una palla di saldatura mal posizionata potrebbe rimanere bloccata in un'altra posizione causando un corto inimmaginabile in un altro circuito. Segni elettrici di guasto della sfera di saldatura: l'apertura e la chiusura periodica delle fratture della sfera di saldatura possono portare a guasti intermittenti del segnale elettrico. Vibrazioni, movimenti, cambiamenti di temperatura o altre sollecitazioni possono causare l'apertura e la chiusura di sfere di saldatura rotte, con conseguente guasti intermittenti dei segnali elettrici. I materiali flessibili utilizzati dalla fabbrica di schede PCB rendono possibile anche questo segnale intermittente, come rottura e chiusura causata da stress di vibrazione e l'apertura e chiusura imprevedibili dei circuiti a sfera di saldatura causano segnali intermittenti. Questi difetti intermittenti sono difficili da diagnosticare. Inoltre, il circuito buffer I/O intorno al FPGA rende quasi impossibile misurare il valore di resistenza della rete di saldatura. Un dispositivo che non funziona in un FPGA funzionante può passare senza alcun errore di individuazione (NTF) sul