PCB部落格 - FPGA與PCB板焊接連接失效分析

FPGA用於大多數電子產品 PCB電路板 系統, 包括許多商業和國防領域, 大多數FPGA使用BGA封裝. BGA一出現, 它成為高密度的選擇, 高性能, 多功能高I/超大規模集成電路晶片（如CPU和南北橋）的引脚封裝. Its features are:
1. 雖然我的數量/O引脚新增, 引脚間距遠大於QFP, thus improving the assembly yield;
2. 儘管其功耗新增, BGA可以通過受控折疊晶片方法進行焊接, 稱為C4焊接, which can improve its electrothermal performance:
3. 厚度减少1以上/2與QFP相比, 重量減輕了3倍多/4;
4. 寄生參數降低, 訊號傳輸延遲小, and the frequency of use is greatly improved;
5. 共面焊接可用於裝配, with high reliability;
6. BGA包仍然與QFP和PGA相同, which occupies too much substrate area;

Solder joint failure failures frequently occur in FGPAs, 在所有類型的商業和國防產品中. 當FPGA封裝在BGA封裝中時, FPGA容易發生焊接故障. 無法隔離焊接故障的原因, 早期檢測非常困難, 間歇性故障可能會隨著時間的推移而陞級，直到設備效能不可靠或無法操作為止. 然而, 就像經常發生的那樣, 這個問題可以解决, 它是Ridgetop群SJ-BIST. 一般來說, welding failure means that the welded joint breaks under certain conditions due to various factors (such as: stress, 溫度, 布料, 焊接質量和實際工作條件, 等.). 一旦接頭失效, 相互緊密連接的部件將部分分離, 撕裂和膨脹, 導致焊接結構損壞, 造成設備停機，影響正常生產.

什麼因素會導致焊接連接失敗?
Common failure reasons:
1) Stress-related failures-for devices in operation
Usually, the defects of the 布料 itself (such as chemical composition inhomogeneity, local micro-cracks), 熱裂紋和冷裂紋, 未完全穿透, 夾渣, 由於各種原因導致的焊縫中的氣孔和咬邊, 等., 焊接過程中. The high residual stress in the near seam area (including the structural stress of the phase transformation of the weld and the heat affected zone), 以及焊接過程中高溫下的結構軟化和冷卻後的脆化, 是接頭故障的根本原因嗎, 也會導致關節失效. 接頭的脆性斷裂或膨脹提供了條件. 當前預測焊接接頭失效的方法是統計退化模型. 然而, 因為只有當存在大量樣本時，統計才有意義, 基於統計的模型充其量只是權宜之計. Raytor Group的SJ-BIST可以提供直接的, 實时量測和預測焊接接頭失效的方法.

2) Failures related to manufacturing production
Because solder joint failures also occur during the manufacturing process. Ridegtop組SJ-BIST可以檢測未安裝的FPGA. 這些與製造相關的故障都有自己的檢測挑戰. 目視檢查是現時用於確定製造環境中故障的方法. 主要缺點是無法測試和檢查焊點. 目視檢查僅限於FPGA外部行上的焊點, 而電路板尺寸和其他表面安裝組件限制了進一步的可見性. 隨著BGA封裝陣列密度的新增, 錫球偏差變得更加嚴格. 在細間距BGA封裝中, 有數千個帶有1個.0毫米間距和0.60mm球直徑. 在這些條件下, 焊盤調諧和焊接不足成為焊盤斷開和部分斷開故障的主要原因. 即使是100% x射線檢查也不能保證在焊料未潤濕焊盤時發現焊點斷裂. 另一個涉及焊球和毛細管滲透到電鍍通孔的缺陷不容易識別, 即使使用X射線成像. 作為嵌入式軟核, Ridgetop Group SJ-BIST確實適用於 PCB板-製造環境中的FPGA監控.
Definition of BGA package connection failure (for thermal cycling):

The industry's definition of BGA package connection failure is:
1) Peak resistance greater than 300 ohms for 200 ns or more.
2) 10 or more failure events occur 10% of the time after 1 failure event.

Types of Weld Failures:
1) Solder ball crack
Real-time failure detection of soldered connections between a working FPGA and a PCB板. 隨著時間的推移, 由於累積應力的損壞，焊縫可能會出現裂紋. 在器件焊接到PCB的邊緣，裂紋很常見. 裂紋會導致焊球與BGA封裝或PCB的零件分離. 典型的裂紋位置在BGA封裝和焊球之間, 另一個典型的裂縫是 PCB板 還有錫球. 裂紋焊球的持續損壞可能會導致另一種類型的故障-焊球斷裂.
2) Solder ball breakage
Real-time failure detection of soldered connections between a working FPGA and a PCB板. 一旦出現裂縫, 隨後的應力會導致焊球破裂. 斷裂導致焊球和 PCB板 完全分離, 導致長時間處於斷路狀態, 斷裂表面的污染和氧化. 最終結果是連接劣化，形成間歇性短路，直至形成更長的開路.
3) Missing solder balls
Subsequent mechanical stresses that lead to cracks, 最終導致骨折, 也可能導致斷裂的焊球錯位. 不僅是一個缺失的焊球使引脚的連接失效, 但放錯位置的焊球可能會卡在另一個位置，導致另一個電路中出現無法想像的短路.

錫球故障的電力迹象：定期打開和關閉錫球斷裂可能導致間歇性電信號故障. 振動, 移動, 溫度變化, 或其他應力會導致破裂的錫球打開和關閉, 導致電信號間歇性故障. 製造商使用的柔性資料 PCB板 工廠也使這種間歇性訊號成為可能, 如振動應力引起的斷開和閉合, 焊球電路的不可預測的打開和關閉會導致間歇性訊號. 這種間歇性故障很難診斷. 此外, I/O FPGA周圍的緩衝電路幾乎不可能量測焊接網絡的電阻值. A device that fails in a working FPGA may pass without any fault finding (NTF) on the test bed because the solder joints are temporarily connected. 許多用戶發現FPGA工作不正常, 正是由於這個原因，通過手動按P鍵，FPGA將正常工作.

FPGA和FPGA之間焊接連接的實时故障檢測 PCB板 工作中：SJ-BIST實时檢測焊接狀態. 現時, 目視檢查等科技, 視力的, 製造業中使用的X射線和可靠性測試很難進行，因為反射是電性的. 當設備未通電時，訊號故障在很大程度上是不可見的. 通過早期檢測即將發生的故障, SJ-BIST支持基於狀態的設備維護，减少間歇性故障. 其優越的靈敏度和靈敏度允許SJ-BIST在兩個時鐘週期內檢測並故障高電阻，低至100歐姆，無假警報. 作為可擴展的解決方案, 它可以連接到用戶現有的測試中心，而無需添加額外的資源.

FPGA用於大多數電子系統, 包括許多商業和國防領域, 大多數FPGA使用BGA封裝. BGA一出現, 它成為高密度的選擇, 高性能, 多功能高I/超大規模集成電路晶片（如CPU和南北橋）的引脚封裝. Its features are:
1. 雖然我的數量/O引脚新增, 引脚間距遠大於QFP, thus improving the assembly yield;
2. 儘管其功耗新增, BGA可以通過受控折疊晶片方法進行焊接, 稱為C4焊接, which can improve its electrothermal performance:
3. 厚度减少1以上/2與QFP相比, 重量減輕了3倍多/4;
4. 寄生參數降低, 訊號傳輸延遲小, and the frequency of use is greatly improved;
5. 共面焊接可用於裝配, with high reliability;
6. BGA包仍然與QFP和PGA相同, which occupies too much substrate area;

Solder joint failure failures frequently occur in FGPAs, 在所有類型的商業和國防產品中. 當FPGA封裝在BGA封裝中時, FPGA容易發生焊接故障. 無法隔離焊接故障的原因, 早期檢測非常困難, 間歇性故障可能會隨著時間的推移而陞級，直到設備效能不可靠或無法操作為止. 然而, 就像經常發生的那樣, 這個問題可以解决, 它是Ridgetop群SJ-BIST. 一般來說, welding failure means that the welded joint breaks under certain conditions due to various factors (such as: stress, 溫度, 材料, 焊接質量和實際工作條件, 等.). 一旦接頭失效, 相互緊密連接的部件將部分分離, 撕裂和膨脹, 導致焊接結構損壞, 造成設備停機，影響正常生產.

什麼因素會導致焊接連接失敗?
Common failure reasons:
1) Stress-related failures - for devices in operation
Usually, the defects of the 材料 itself (such as chemical composition inhomogeneity, local micro-cracks), 熱裂紋和冷裂紋, 未完全穿透, 夾渣, 由於各種原因導致的焊縫中的氣孔和咬邊, 等., 焊接過程中. The high residual stress in the near seam area (including the structural stress of the phase transformation of the weld and the heat affected zone), 以及焊接過程中高溫下的結構軟化和冷卻後的脆化, 是接頭故障的根本原因嗎, 也會導致關節失效. 接頭的脆性斷裂或膨脹提供了條件. 當前預測焊接接頭失效的方法是統計退化模型. 然而, 因為只有當存在大量樣本時，統計才有意義, 基於統計的模型充其量只是權宜之計. Raytor Group的SJ-BIST可以提供直接的, 實时量測和預測焊接接頭失效的方法.

2) Failures related to manufacturing production
Because solder joint failures also occur during the manufacturing process. Ridegtop組SJ-BIST可以檢測未安裝的FPGA. 這些與製造相關的故障都有自己的檢測挑戰. 目視檢查是現時用於確定製造環境中故障的方法. 主要缺點是無法測試和檢查焊點. 目視檢查僅限於FPGA外部行上的焊點, 而電路板尺寸和其他表面安裝組件限制了進一步的可見性. 隨著BGA封裝陣列密度的新增, 錫球偏差變得更加嚴格. 在細間距BGA封裝中, 有數千個帶有1個.0毫米間距和0.60mm球直徑. 在這些條件下, 焊盤調諧和焊接不足成為焊盤斷開和部分斷開故障的主要原因. 即使是100% x射線檢查也不能保證在焊料未潤濕焊盤時發現焊點斷裂. 另一個涉及焊球和毛細管滲透到電鍍通孔的缺陷不容易識別, 即使使用X射線成像. 作為嵌入式軟核, Ridgetop Group SJ-BIST確實適用於 PCB板-製造環境中的FPGA監控.
Definition of BGA package connection failure (for thermal cycling):

The industry's definition of BGA package connection failure is:
1) Peak resistance greater than 300 ohms for 200 ns or more.
2) 10 or more failure events occur 10% of the time after 1 failure event.

Types of Weld Failures:
1) Solder ball crack
Real-time failure detection of soldered connections between a working FPGA and a PCB板. 隨著時間的推移, 由於累積應力的損壞，焊縫可能會出現裂紋. 在器件焊接到PCB的邊緣，裂紋很常見. 裂紋會導致焊球與BGA封裝或PCB的零件分離. 典型的裂紋位置在BGA封裝和焊球之間, 另一個典型的裂縫是 PCB板 還有錫球. 裂紋焊球的持續損壞可能會導致另一種類型的故障-焊球斷裂.
2) Solder ball breakage
Real-time failure detection of soldered connections between a working FPGA and a PCB板. 一旦出現裂縫, 隨後的應力會導致焊球破裂. 斷裂導致焊球和 PCB板 完全分離, 導致長時間處於斷路狀態, 斷裂表面的污染和氧化. 最終結果是連接劣化，形成間歇性短路，直至形成更長的開路.
3) Missing solder balls
Subsequent mechanical stresses that lead to cracks, 最終導致骨折, 也可能導致斷裂的焊球錯位. 不僅是一個缺失的焊球使引脚的連接失效, 但放錯位置的焊球可能會卡在另一個位置，導致另一個電路中出現無法想像的短路.

錫球故障的電力迹象：定期打開和關閉錫球斷裂可能導致間歇性電信號故障. 振動, 移動, 溫度變化, 或其他應力會導致破裂的錫球打開和關閉, 導致電信號間歇性故障. 製造商使用的柔性資料 PCB板 工廠也使這種間歇性訊號成為可能, 如振動應力引起的斷開和閉合, 焊球電路的不可預測的打開和關閉會導致間歇性訊號. 這種間歇性故障很難診斷. 此外, I/O FPGA周圍的緩衝電路幾乎不可能量測焊接網絡的電阻值. A device that fails in a working FPGA may pass without any fault finding (NTF) on the test bed because the solder joints are temporarily connected. 許多用戶發現FPGA工作不正常, 正是由於這個原因，通過手動按P鍵，FPGA將正常工作.

FPGA和FPGA之間焊接連接的實时故障檢測 PCB板 工作中：SJ-BIST實时檢測焊接狀態. 現時, 目視檢查等科技, 視力的, 製造業中使用的X射線和可靠性測試很難進行，因為反射是電性的. 當設備未通電時，訊號故障在很大程度上是不可見的. 通過早期檢測即將發生的故障, SJ-BIST支持基於狀態的設備維護，减少間歇性故障. 其優越的靈敏度和靈敏度允許SJ-BIST在兩個時鐘週期內檢測並故障高電阻，低至100歐姆，無假警報. 作為可擴展的解決方案, 它可以連接到用戶現有的測試中心，而無需在上添加額外資源 PCB板.