FPGA与PCB板焊接连接的问题

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问题描述:

 

81%的电子系统中在使用FPGA,包括很多商用产品和国防产品,并且多数FPGA使用的是BGA封装形式。BGA封装形式的特点是焊接球小和焊接球的直径小。当FGPA被焊在PCB板上时,容易造成焊接连接失效。焊接连接失效可以“致命“一词来形容。当焊接球将封装有FPGA的器件连接到PCB上时,如果没有早期检测,由焊接失效引起的电性异常可能会导致关键设备的灾难性故障。为了防止关键设备由于焊接问题引起的灾难性故障,美国锐拓集团公司(Ridgetop-Group)开发了SJ-BIST解决方案。作为一系列的故障预测产品中的一员,SJ-BIST对工作中的FPGA的焊接失效提供了实时检测手段。

 

焊接点故障失效经常发生在FGPA,在所有类型的商业和国防产品中.当FPGA被封装在BGA封装件中后,FPGA很容易受焊接连接失效的影响。焊接失效的原因不能被孤立出来,早期检测发现是非常困难的,间歇性的故障会随着时间的升级直到设备提供不可靠的性能或无法操作。不过,正如经常发生的情况,这个问题也是可以解决的,它就是Ridgetop-GroupSJ-BIST.

 

有哪些因素可造成焊接连接失效呢?

 

常见失效原因:

 

1)应力相关的失效 -- 针对工作中的器件

 

对工作中的器件,造成焊接连接失效的主要因素是热-机械应力和震动应力。无论是震动,扭矩转力,热循环,材料膨胀,或环境中的其他应力,其不可避免的结果是由累积损伤造成的机械故障。在焊接连接中,损伤表现为器件与PCB连接处的裂缝。

 

现行的预测焊接连接失效的方法是统计退化模型。但是,由于统计在大量样品存在时才具有实际意义,基于统计的模型充其量也只能是一种权宜的解决办法。锐拓集团公司的SJ-BIST可以提供一个直接的,实时的衡量和预测焊接连接失效的手段。

 

2)与制造生产相关的故障

 

因为焊接点失效也发生在生产制造过程中.Ridegtop-GroupSJ-BIST可以监测到未安装好 的FPGA。这些与制造业相关的故障有它自己的一套检测的挑战。目视检查是目前所采用的确定在制造环境中的失效的方法。主要的缺点是无法进行测试和检查焊点。

 

目视检查仅限于FPGA的最外排的焊接点,而电路板尺寸和其他表面安装元件限制了更进一步的视野。随着BGA封装阵列密度的增加,焊接球的偏差变得更严格。在细间距的BGA封装中,有数以千计1.0毫米间距和0.60毫米球直径的焊接球。在这些条件下,焊盘的谐调和焊接的不充分成为焊盘的断开和部分断开的故障的主要成因。当焊接不浸湿焊盘时,即使百分之百的x射线的检查是不能保证找到焊点断裂.涉及焊球并粘贴毛细渗透到镀通孔的另一种缺陷是不容易识别,甚至还与X线成像。

 

作为一个内嵌式软核,Ridgetop-GroupSJ-BIST是在生产制造环境中真正适合PCB-FPGA监测。

 

BGA封装连接失效(用于热循环)的定义:

 

业界关于BGA封装连接失效的定义是:

 

1.大于300欧姆的峰值电阻持续200纳秒或更长时间。

 

2.第一个失效事件发生后在10%的时间内发生10个或更多个失效事件。

 

焊接失效的类型:

 

1)焊接球裂缝

 

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随着时间的推移,焊接部位会因为累积应力的损伤而产生裂缝。裂缝常见于器件与PCB焊接的边缘。裂缝会造成焊接球与BGA封装器件或PCB板的部分分开。一种典型的裂缝位置在BGA封装和焊接球之间,另一种典型的裂缝在PCB和焊接球之间.对已有裂缝的焊接球的继续损伤就会导致另一种类型的失效-焊接球断裂。

 

2)焊接球断裂

 

一旦有了裂缝,后继的应力会导致焊接球断裂。断裂造成焊接球和PCB完全分开,从而导致较长时间的开路状态,断裂面的污染和被氧化。最终造成从退化的连接到短时间间歇性的开路一直到较长时间开路。

 

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