Thông tin PCB - Sự phân tích hỏng của kết nối tại các đài chỉ huy bảng mạch PCB

FPGA được sử dụng trong hầu hết các hệ thống bảng mạch PCB, bao gồm nhiều lĩnh vực thương mại và quốc phòng, và hầu hết các FPGA sử dụng gói BGA. Ngay khi BGA xuất hiện, nó đã trở thành sự lựa chọn cho việc đóng gói chân I / O mật độ cao, hiệu suất cao, đa chức năng và cao của các chip VLSI như CPU và cầu nối bắc-nam. Các tính năng của nó là:
1. Mặc dù số lượng chân I / O tăng lên, khoảng cách giữa các chân lớn hơn nhiều so với QFP, do đó cải thiện năng suất lắp ráp;
2. Mặc dù mức tiêu thụ điện năng tăng lên, BGA có thể được hàn bằng phương pháp chip thu gọn có kiểm soát, được gọi là hàn C4, có thể cải thiện hiệu suất nhiệt điện của nó:
3. Độ dày giảm hơn 1/2 so với QFP và trọng lượng giảm hơn 3/4;
4. Các thông số ký sinh giảm, độ trễ truyền tín hiệu nhỏ, tần suất sử dụng được cải thiện đáng kể;
5. Hàn đồng quang có thể được sử dụng để lắp ráp, với độ tin cậy cao;
6. Gói BGA vẫn giống như QFP và PGA, chiếm quá nhiều diện tích đế;

Các lỗi hỏng hóc liên kết hàn thường xuyên xảy ra trong FGPA, trong tất cả các loại sản phẩm thương mại và quốc phòng. Khi FPGA được đóng gói trong gói BGA, FPGA dễ bị lỗi kết nối hàn. Nguyên nhân của sự cố mối hàn không thể được xác định, việc phát hiện sớm là rất khó khăn và các hư hỏng liên tục có thể leo thang theo thời gian cho đến khi thiết bị cung cấp hiệu suất không đáng tin cậy hoặc không thể hoạt động được. Tuy nhiên, như thường lệ, vấn đề này có thể được giải quyết, và đó là Ridgetop-Group SJ-BIST. Nói chung, hư hỏng khi hàn có nghĩa là mối hàn bị gãy trong một số điều kiện nhất định do các yếu tố khác nhau (chẳng hạn như: ứng suất, nhiệt độ, vật liệu, chất lượng hàn và điều kiện làm việc thực tế). Một khi mối nối bị lỗi, các thành phần được kết nối chặt chẽ với nhau sẽ bị tách rời từng phần, bị rách và giãn nở, dẫn đến hư hỏng kết cấu hàn, gây ra thời gian ngừng hoạt động của thiết bị và ảnh hưởng đến sản xuất bình thường.

Những yếu tố nào có thể khiến mối hàn bị hỏng?
Các lý do hỏng hóc thường gặp:
1) Các hư hỏng liên quan đến căng thẳng - đối với các thiết bị đang hoạt động
Thông thường, các khuyết tật của bản thân vật liệu (chẳng hạn như thành phần hóa học không đồng nhất, vết nứt nhỏ cục bộ), vết nứt nóng và lạnh, độ xuyên thấu không hoàn toàn, lẫn xỉ, lỗ rỗng và vết cắt trong mối hàn do các nguyên nhân khác nhau, v.v., trong quá trình hàn . Ứng suất dư cao ở khu vực gần đường nối (bao gồm ứng suất kết cấu của sự chuyển pha của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt), cũng như sự mềm hóa của kết cấu ở nhiệt độ cao trong quá trình hàn và hiện tượng lún sau khi làm mát, là nguyên nhân gốc rễ của sự hỏng khớp, và cũng góp phần vào sự thất bại của khớp. Sự nứt gãy hoặc giãn nở giòn của khớp cung cấp các điều kiện. Phương pháp hiện tại để dự đoán sự cố của các kết nối hàn là mô hình suy giảm thống kê. Tuy nhiên, vì số liệu thống kê chỉ có ý nghĩa khi tồn tại một số lượng lớn các mẫu, nên các mô hình dựa trên thống kê tốt nhất là một giải pháp ngăn chặn. SJ-BIST từ Tập đoàn Raytor có thể cung cấp một phương tiện trực tiếp, thời gian thực để đo lường và dự đoán sự cố của các kết nối hàn.

2) Các lỗi liên quan đến sản xuất sản xuất
Bởi vì các hỏng hóc mối hàn cũng xảy ra trong quá trình sản xuất. Ridegtop-Group SJ-BIST có thể phát hiện các FPGA chưa được gắn kết. Những lỗi liên quan đến sản xuất này có những thách thức phát hiện riêng. Kiểm tra bằng mắt là phương pháp hiện đang được sử dụng để xác định hư hỏng trong môi trường sản xuất. Nhược điểm chính là không có khả năng thử nghiệm và kiểm tra các mối nối hàn. Việc kiểm tra bằng mắt được giới hạn ở các mối hàn trên hàng ngoài của FPGA, trong khi kích thước bo mạch và các thành phần gắn kết bề mặt khác hạn chế khả năng hiển thị hơn nữa. Khi mật độ mảng gói BGA tăng lên, độ lệch bi hàn trở nên nghiêm ngặt hơn. Trong các gói BGA cao độ mịn, có hàng nghìn viên bi hàn với đường kính bóng 1,0mm và 0,60mm. Trong những điều kiện này, việc điều chỉnh và hàn không đủ đệm trở thành nguyên nhân chính gây ra lỗi ngắt kết nối đệm và ngắt kết nối một phần. Ngay cả khi kiểm tra bằng tia X 100% cũng không đảm bảo tìm thấy vết đứt mối hàn khi vật hàn không làm ướt tấm đệm. Một khiếm khuyết khác liên quan đến bóng hàn và sự thâm nhập của mao mạch vào lớp mạ qua các lỗ không dễ xác định, ngay cả khi chụp X-quang. Là một lõi mềm nhúng, Ridgetop-Group SJ-BIST thực sự phù hợp để giám sát bảng mạch PCB-FPGA trong môi trường sản xuất.
Định nghĩa về lỗi kết nối gói BGA (đối với chu trình nhiệt):

Định nghĩa của ngành về lỗi kết nối gói BGA là:
1) Điện trở đỉnh lớn hơn 300 ohms cho 200 ns trở lên.
2) 10 sự kiện thất bại trở lên xảy ra 10% thời gian sau 1 sự kiện thất bại.

Các loại hư hỏng mối hàn:
1) Vết nứt bóng hàn
Phát hiện lỗi thời gian thực của các kết nối được hàn giữa FPGA đang hoạt động và bảng mạch PCB. Theo thời gian, các mối hàn có thể phát triển các vết nứt do bị hư hại do ứng suất tích lũy. Các vết nứt thường gặp ở mép nơi thiết bị được hàn vào PCB. Các vết nứt có thể khiến bóng hàn tách ra khỏi các phần của gói BGA hoặc PCB. Vị trí nứt điển hình là giữa gói BGA và bóng hàn, và một vết nứt điển hình khác là giữa bảng PCB và bóng hàn. Việc tiếp tục làm hỏng viên bi hàn bị nứt có thể dẫn đến một dạng hư hỏng khác - gãy bi hàn.
2) Vỡ bi hàn
Phát hiện lỗi thời gian thực của các kết nối được hàn giữa FPGA đang hoạt động và bảng mạch PCB. Một khi có vết nứt, ứng suất tiếp theo có thể làm vỡ bi hàn. Việc đứt gãy khiến bóng hàn và bảng mạch PCB tách rời hoàn toàn, lâu ngày dẫn đến trạng thái hở mạch, bề mặt đứt gãy bị nhiễm bẩn và oxy hóa. Kết quả cuối cùng là từ một kết nối bị suy giảm thành một mạch hở ngắn không liên tục đến một mạch hở dài hơn.
3) Thiếu bóng hàn
Các ứng suất cơ học tiếp theo dẫn đến các vết nứt, và cuối cùng là gãy xương, cũng có thể dẫn đến sự trật khớp của các viên bi hàn bị gãy. Một viên bi hàn bị thiếu không chỉ làm hỏng kết nối của chân đó, mà một viên bi hàn không đúng vị trí có thể bị mắc kẹt ở một vị trí khác gây ra sự cố ngắn không thể tưởng tượng được ở một mạch khác.

Dấu hiệu điện của hỏng bi hàn: Việc đóng mở định kỳ vết nứt bi hàn có thể dẫn đến hỏng tín hiệu điện không liên tục. Rung động, chuyển động, thay đổi nhiệt độ hoặc các ứng suất khác có thể khiến các viên bi hàn bị hỏng để mở và đóng, dẫn đến lỗi tín hiệu điện không liên tục. Các vật liệu linh hoạt được sử dụng bởi nhà máy sản xuất bảng mạch PCB cũng làm cho tín hiệu không liên tục này có thể xảy ra, chẳng hạn như việc đóng mở do ứng suất rung gây ra, và việc đóng mở không thể đoán trước của mạch bi hàn gây ra tín hiệu gián đoạn. Lỗi gián đoạn này rất khó chẩn đoán. Ngoài ra, mạch đệm I / O xung quanh FPGA khiến việc đo giá trị điện trở của mạng hàn gần như không thể thực hiện được. Một thiết bị bị lỗi trong FPGA đang hoạt động có thể vượt qua mà không có bất kỳ phát hiện lỗi nào (NTF) trên giường thử nghiệm vì các khớp hàn được kết nối tạm thời. Nhiều người dùng thấy rằng FPGA không hoạt động bình thường, và chính vì lý do này mà FPGA sẽ hoạt động bình thường bằng cách nhấn P bằng tay.

Phát hiện lỗi thời gian thực của kết nối hàn giữa FPGA và bảng mạch PCB tại nơi làm việc: SJ-BIST phát hiện trạng thái hàn trong thời gian thực. Hiện nay, các kỹ thuật như kiểm tra bằng mắt, quang học, tia X và kiểm tra độ tin cậy được sử dụng trong sản xuất rất khó hoạt động vì phản xạ là điện. Lỗi tín hiệu phần lớn không thể nhìn thấy khi thiết bị không được cấp nguồn. Thông qua việc phát hiện sớm các lỗi sắp xảy ra, SJ-BIST hỗ trợ bảo trì thiết bị dựa trên điều kiện và giảm các lỗi gián đoạn. Độ nhạy và độ nhạy vượt trội của nó cho phép SJ-BIST phát hiện và đánh bại các điện trở cao xuống đến 100 ohms trong vòng hai chu kỳ đồng hồ mà không có báo động sai. Là một giải pháp có thể mở rộng, nó có thể được gắn vào trung tâm kiểm tra hiện có của người dùng mà không cần thêm tài nguyên bổ sung.

FPGA được sử dụng trong hầu hết các hệ thống điện tử, bao gồm nhiều lĩnh vực thương mại và quốc phòng, và hầu hết các FPGA sử dụng gói BGA. Ngay khi BGA xuất hiện, nó đã trở thành sự lựa chọn cho việc đóng gói chân I / O mật độ cao, hiệu suất cao, đa chức năng và cao của các chip VLSI như CPU và cầu nối bắc-nam. Các tính năng của nó là:
1. Mặc dù số lượng chân I / O tăng lên, khoảng cách giữa các chân lớn hơn nhiều so với QFP, do đó cải thiện năng suất lắp ráp;
2. Mặc dù mức tiêu thụ điện năng tăng lên, BGA có thể được hàn bằng phương pháp chip thu gọn có kiểm soát, được gọi là hàn C4, có thể cải thiện hiệu suất nhiệt điện của nó:
3. Độ dày giảm hơn 1/2 so với QFP và trọng lượng giảm hơn 3/4;
4. Các thông số ký sinh giảm, độ trễ truyền tín hiệu nhỏ, tần suất sử dụng được cải thiện đáng kể;
5. Hàn đồng quang có thể được sử dụng để lắp ráp, với độ tin cậy cao;
6. Gói BGA vẫn giống như QFP và PGA, chiếm quá nhiều diện tích đế;

Các lỗi hỏng hóc liên kết hàn thường xuyên xảy ra trong FGPA, trong tất cả các loại sản phẩm thương mại và quốc phòng. Khi FPGA được đóng gói trong gói BGA, FPGA dễ bị lỗi kết nối hàn. Nguyên nhân của sự cố mối hàn không thể được xác định, việc phát hiện sớm là rất khó khăn và các hư hỏng liên tục có thể leo thang theo thời gian cho đến khi thiết bị cung cấp hiệu suất không đáng tin cậy hoặc không thể hoạt động được. Tuy nhiên, như thường lệ, vấn đề này có thể được giải quyết, và đó là Ridgetop-Group SJ-BIST. Nói chung, hư hỏng khi hàn có nghĩa là mối hàn bị gãy trong một số điều kiện nhất định do các yếu tố khác nhau (chẳng hạn như: ứng suất, nhiệt độ, vật liệu, chất lượng hàn và điều kiện làm việc thực tế, v.v.). Một khi mối nối bị lỗi, các thành phần được kết nối chặt chẽ với nhau sẽ bị tách rời từng phần, bị rách và giãn nở, dẫn đến hư hỏng kết cấu hàn, gây ra thời gian ngừng hoạt động của thiết bị và ảnh hưởng đến sản xuất bình thường.

Những yếu tố nào có thể khiến mối hàn bị hỏng?
Các lý do hỏng hóc thường gặp:
1) Các hư hỏng liên quan đến căng thẳng - đối với các thiết bị đang hoạt động
Thông thường, các khuyết tật của bản thân vật liệu (chẳng hạn như thành phần hóa học không đồng nhất, vết nứt nhỏ cục bộ), vết nứt nóng và lạnh, độ xuyên thấu không hoàn toàn, lẫn xỉ, lỗ rỗng và vết cắt trong mối hàn do các nguyên nhân khác nhau, v.v., trong quá trình hàn . Ứng suất dư cao ở khu vực gần đường nối (bao gồm ứng suất kết cấu của sự chuyển pha của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt), cũng như sự mềm hóa của kết cấu ở nhiệt độ cao trong quá trình hàn và hiện tượng lún sau khi làm mát, là nguyên nhân gốc rễ của sự hỏng khớp, và cũng góp phần vào sự thất bại của khớp. Sự nứt gãy hoặc giãn nở giòn của khớp cung cấp các điều kiện. Phương pháp hiện tại để dự đoán sự cố của các kết nối hàn là mô hình suy giảm thống kê. Tuy nhiên, vì số liệu thống kê chỉ có ý nghĩa khi tồn tại một số lượng lớn các mẫu, nên các mô hình dựa trên thống kê tốt nhất là một giải pháp ngăn chặn. SJ-BIST từ Tập đoàn Raytor có thể cung cấp một phương tiện trực tiếp, thời gian thực để đo lường và dự đoán sự cố của các kết nối hàn.

2) Các lỗi liên quan đến sản xuất sản xuất
Bởi vì các hỏng hóc mối hàn cũng xảy ra trong quá trình sản xuất. Ridegtop-Group SJ-BIST có thể phát hiện các FPGA chưa được gắn kết. Những lỗi liên quan đến sản xuất này có những thách thức phát hiện riêng. Kiểm tra bằng mắt là phương pháp hiện đang được sử dụng để xác định hư hỏng trong môi trường sản xuất. Nhược điểm chính là không có khả năng thử nghiệm và kiểm tra các mối nối hàn. Việc kiểm tra bằng mắt được giới hạn ở các mối hàn trên hàng ngoài của FPGA, trong khi kích thước bo mạch và các thành phần gắn kết bề mặt khác hạn chế khả năng hiển thị hơn nữa. Khi mật độ mảng gói BGA tăng lên, độ lệch bi hàn trở nên nghiêm ngặt hơn. Trong các gói BGA cao độ mịn, có hàng nghìn viên bi hàn với đường kính bóng 1,0mm và 0,60mm. Trong những điều kiện này, việc điều chỉnh và hàn không đủ đệm trở thành nguyên nhân chính gây ra lỗi ngắt kết nối đệm và ngắt kết nối một phần. Ngay cả khi kiểm tra bằng tia X 100% cũng không đảm bảo tìm thấy vết đứt mối hàn khi vật hàn không làm ướt tấm đệm. Một khiếm khuyết khác liên quan đến bóng hàn và sự thâm nhập của mao mạch vào lớp mạ qua các lỗ không dễ xác định, ngay cả khi chụp X-quang. Là một lõi mềm nhúng, Ridgetop-Group SJ-BIST thực sự phù hợp để giám sát bảng mạch PCB-FPGA trong môi trường sản xuất.
Định nghĩa về lỗi kết nối gói BGA (đối với chu trình nhiệt):

Định nghĩa của ngành về lỗi kết nối gói BGA là:
1) Điện trở đỉnh lớn hơn 300 ohms cho 200 ns trở lên.
2) 10 sự kiện thất bại trở lên xảy ra 10% thời gian sau 1 sự kiện thất bại.

Các loại hư hỏng mối hàn:
1) Vết nứt bóng hàn
Phát hiện lỗi thời gian thực của các kết nối được hàn giữa FPGA đang hoạt động và bảng mạch PCB. Theo thời gian, các mối hàn có thể phát triển các vết nứt do bị hư hại do ứng suất tích lũy. Các vết nứt thường gặp ở mép nơi thiết bị được hàn vào PCB. Các vết nứt có thể khiến bóng hàn tách ra khỏi các phần của gói BGA hoặc PCB. Vị trí nứt điển hình là giữa gói BGA và bóng hàn, và một vết nứt điển hình khác là giữa bảng PCB và bóng hàn. Việc tiếp tục làm hỏng viên bi hàn bị nứt có thể dẫn đến một dạng hư hỏng khác - gãy bi hàn.
2) Vỡ bi hàn
Phát hiện lỗi thời gian thực của các kết nối được hàn giữa FPGA đang hoạt động và bảng mạch PCB. Một khi có vết nứt, ứng suất tiếp theo có thể làm vỡ bi hàn. Việc đứt gãy khiến bóng hàn và bảng mạch PCB tách rời hoàn toàn, lâu ngày dẫn đến trạng thái hở mạch, bề mặt đứt gãy bị nhiễm bẩn và oxy hóa. Kết quả cuối cùng là từ một kết nối bị suy giảm thành một mạch hở ngắn không liên tục đến một mạch hở dài hơn.
3) Thiếu bóng hàn
Các ứng suất cơ học tiếp theo dẫn đến các vết nứt, và cuối cùng là gãy xương, cũng có thể dẫn đến sự trật khớp của các viên bi hàn bị gãy. Một viên bi hàn bị thiếu không chỉ làm hỏng kết nối của chân đó, mà một viên bi hàn không đúng vị trí có thể bị mắc kẹt ở một vị trí khác gây ra sự cố ngắn không thể tưởng tượng được ở một mạch khác.

Dấu hiệu điện của hỏng bi hàn: Việc đóng mở định kỳ vết nứt bi hàn có thể dẫn đến hỏng tín hiệu điện không liên tục. Rung động, chuyển động, thay đổi nhiệt độ hoặc các ứng suất khác có thể khiến các viên bi hàn bị hỏng để mở và đóng, dẫn đến lỗi tín hiệu điện không liên tục. Các vật liệu linh hoạt được sử dụng bởi nhà máy sản xuất bảng mạch PCB cũng làm cho tín hiệu không liên tục này có thể xảy ra, chẳng hạn như việc đóng mở do ứng suất rung gây ra, và việc đóng mở không thể đoán trước của mạch bi hàn gây ra tín hiệu gián đoạn. Lỗi gián đoạn này rất khó chẩn đoán. Ngoài ra, mạch đệm I / O xung quanh FPGA khiến việc đo giá trị điện trở của mạng hàn gần như không thể thực hiện được. Một thiết bị bị lỗi trong FPGA đang hoạt động có thể vượt qua mà không có bất kỳ phát hiện lỗi nào (NTF) trên giường thử nghiệm vì các khớp hàn được kết nối tạm thời. Nhiều người dùng thấy rằng FPGA không hoạt động bình thường, và chính vì lý do này mà FPGA sẽ hoạt động bình thường bằng cách nhấn P bằng tay.

Phát hiện lỗi thời gian thực của kết nối hàn giữa FPGA và bảng mạch PCB tại nơi làm việc: SJ-BIST phát hiện trạng thái hàn trong thời gian thực. Hiện nay, các kỹ thuật như kiểm tra bằng mắt, quang học, tia X và kiểm tra độ tin cậy được sử dụng trong sản xuất rất khó hoạt động vì phản xạ là điện. Lỗi tín hiệu phần lớn không thể nhìn thấy khi thiết bị không được cấp nguồn. Thông qua việc phát hiện sớm các lỗi sắp xảy ra, SJ-BIST hỗ trợ bảo trì thiết bị dựa trên điều kiện và giảm các lỗi gián đoạn. Độ nhạy và độ nhạy vượt trội của nó cho phép SJ-BIST phát hiện và đánh bại các điện trở cao xuống đến 100 ohms trong vòng hai chu kỳ đồng hồ mà không có báo động sai. Là một giải pháp có thể mở rộng, nó có thể được gắn vào trung tâm thử nghiệm hiện có của người dùng mà không cần thêm tài nguyên trên bảng mạch PCB.