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板級可靠度服務(Board Level Reliability Service)

板級可靠度概念

元件經表面貼裝製程固定於印刷電路板上後的可靠度驗證稱為板級可靠度(Board Level Reliability),板級可靠度主要是探討聯結「封裝元件」與 「電路板」之間的錫球焊點可靠度。

 

隨著科技的迅速發展,可攜式電子產品趨向於輕、薄、短小、功能多的方向,同時環保意識抬頭,導致無鉛焊料與無鹵電路板逐漸地取代有鉛焊料(又名錫鉛焊料)與有鹵電路板於電子產品上,使材料漸偏向於脆性材料。產品在使用或者搬運過程中受到碰撞或掉落時,電路板與封裝元件間的錫球(solder ball)焊點在動態荷載下極易發生破裂,由於焊點在可攜式電子產品趨勢的發展也趨於微小,對於產品焊點的可靠度越來越面臨更嚴苛的挑戰,所以板級試驗越來越受到業界的重視。

 

 

板級可靠度(Board Level Reliability)

封裝是以建立各層級間介面結合(Interconnection)為基礎的技術,如下圖所示,其製程技術以五個不同層級區分:

  • 第零層級(晶片層級介面結合):IC晶片上的電路設計與製造。
  • 第一層級(單晶片或多晶片模組):將IC晶片封裝於殼體中,並完成電路及密封保護的製程又稱為模組(Module)或晶片層級封裝(Chip-level Packages)。
  • 第二層級(印刷電路板,PCB):將第一層級封裝完成的元件組合於電路卡上的製程。
  • 第三層級(母板):將數個電路版組合於主機板(Board)上成為次系統的製程。
  • 第四層級(電子產品):將數個次系統組合成為一完整的電子產品(Gate)的製程。

圖1 電子封裝的五個層級封裝技術 

 

板級可靠度範圍屬於電子封裝的五個層級封裝技術中的第二層級組合結構的可靠度。在 IPC 9703 規範中又將板級可靠度細分為元件板級試驗系統板級試驗。其中「元件板級試驗」指的是使用一個簡化的測試板,測試板上僅包含單一種元件,分成不同的組別進行測試,而且可能在一塊電路板上含有多個相同元件,此級所使用測試板不需要與最終系統產品的電路板類似;而「系統板級試驗」則表示使用於系統板上所有主要元件的試驗,其使用驗證元件為實際元件或等效的測試元件。本標題所使用的板級可靠度為元件板級試驗。

 

 

 

菊花鏈設計(Daisy Chain Design)


圖2 菊花鏈設計線路

為了在板級可靠度試驗過程中能監測到元件中所有的焊點品質,電路設計將在元件和電路板內經由菊花鏈設計使組裝後的焊點形成網路,通過偵測網路的通斷來判斷錫球焊點是否失效。在此設計下,不管元件中哪個錫球發生斷裂,偵測設備即可發現失效產生。閎康科技可協助客戶設計符合 JESD22-B111JESD22-B111A、 JESD22-B113 與 IPC-9701 規範的測試板的設計服務。 

 

 


圖3 JESD22-B111 規範之測試公板外觀尺寸

 

 

 

上板製程 ─ 表面元件黏著技術服務(Surface Mount Technology)

板級可靠度測試必須先經過表面黏著技術將元件和測試板做連結的步驟,也就是俗稱的上板。此方法有別於傳統封裝體插孔的方式,表面黏著技術首先將在測試板銲墊表面塗佈錫膏(Solder Paste),搭配定位儀器將封裝體精確的放置在錫膏上,再經過迴焊作業將元件緊密的黏著在測試板上,如下圖所示。

 

圖4 表面黏著技術示意圖

 

為快速服務客戶並提供穩定之產品品質,閎康科技已建置一條 SMT 實驗線,可協助客戶打件組裝服務錫膏量自動檢查及進行Cpk計算迴焊爐(Reflow)更可提供氮氣與含氧量管制,使焊點品質更佳化。此外,對於晶圓級產品(WLCSP),閎康提供客戶底膠(Underfill)的加工製程服務;為了因應元件小型化的需求,閎康亦提供精度達 0.25 mm Pitch 的置件機(Mounter),領先國內同業的水準。

 


圖5 閎康科技 SMT 流程圖

 

 

板級溫度循環試驗(Board Level Thermal Cycling Test)

  • 目的:評估表面貼裝元件在溫度疲勞效應下,焊點材料潛性與塑性應變變形的情形,進而評估元件焊點的熱疲勞壽命。
  • 失效判斷準則:一般此試驗是參照 IPC-9701 規範執行,其試驗條件要求如下表所示,如果焊點阻值增加 20% 時,則判定為失效。

 

圖-6 即時阻值量測曲線

 

 

 

板級跌落試驗(Board Level Drop Test)

  • 目的:評估和比較可攜式電子產品上的表面貼裝元件應用在跌落加速環境下的性能,電路板的過度彎曲容易導致產品失效。根據 JEDEC22-B111 的標準執行掉落衝擊測試,將試片四個角落利用螺絲固定在掉落試驗機的基座(Base Plate)上,再將掉落平台(Drop Table)升高到特定高度,然後使其自由落下,撞擊到機台上的撞擊面(Strike Surface),在此同時會測量這次衝擊的最大衝擊加速度(Peak Acceleration)和速度改變量(Velocity Change)以及衝擊時間(Pulse Duration Time),常見執行條件為 1500g/0.5ms。
  • 失效判斷準則:當電阻即時監測系統(Multi Event Detector System)偵查到一個訊號大於1000歐姆後,在接下來的五次撞擊中有出現過三次電阻值大於1000歐姆,並且時間持續1毫秒或者更長,則判斷這個元件為失效。

 

 

圖7 衝擊設備與試驗曲線示意圖

 

 

 

板級單向彎曲試驗(Board Level Monotonic Bend Test)

  • 目的:確定板級元器件互連對非週期板組裝和測試操作過程中彎曲載荷的抗斷裂力。
  • 失效判斷準則:一般此試驗是參照 IPC-9702 規範去執行試驗,如果焊點阻值增加 20% 時,則判定為失效。

 

 

圖8 IPC-9702試驗測試照片

 

 

板級循環彎曲試驗(Board Level Cyclic Bend Test)

  • 目的:表面貼裝元件在實際應用中,電路板會遇到一些疲勞性彎曲效應,例如手機上按鍵動作等。板級循環彎曲試驗一般被應用來評估焊點的彎曲老化效應,此試驗是參照 JESD22-B113 規範去執行試驗,常見條件為 1Hz/2mm。
  • 失效判斷準則:當電阻即時監測系統(Multi Event Detector System)偵查到一個訊號大於1000歐姆後,若此訊號發生在1000循環則在接下來測試100循環中的再發現九次電阻值大於1000歐姆,並且時間持續1毫秒或者更長,則判斷這個元件為失效。

圖9 JESD22-B113 測試示意圖

 

 

圖10 循環彎曲測試曲線

 

 

 

應變量測(Strain Measurement)

  • 目的:對 SMT 封裝在 PWB 組裝、測試和操作中所受到的應變和應變率水準進行客觀分析。在機械工程學裡,形變定義為由於外力作用而造成的形狀改變,這外力可能是拉力、推力、剪力、彎力或扭力…等,形變時常是用應變 Strain 來描述;而應變Strain是單位長度的伸長量,因此應變為一個比值,沒有單位。

 

應變(ε):一結構物受到外力作用時,在結構物中產生很微少的伸長或壓縮變形,此變形與原始結構物長度比值。公式標記為:

 

  • 失效判斷準則:
    元件焊點也會因為電路板(PCB)的變形而使焊點開裂,為了瞭解多少電路板變形量會導致焊點失效,會使用應變規黏貼在 PCB 上去量測應變變化量。一般此量測是參照 IPC-9704 規範去律定如何黏貼應變規,如果焊點阻值增加 20% 時,則判定為失效。

圖11 受外力產生變形

 

 

圖12 應變量測示意圖

 

 

 

閎康針對板級可靠度提供了一條龍測試服務,客戶只要提供要驗證的元件,閎康科技可提供板級可靠度驗證所需的 PCB LayoutPCB 製作SMT可靠度驗證壽命估算失效分析等服務,亦能提供相關技術諮詢,幫助客戶解惑。

 

圖13 閎康科技板級可靠度一條龍服務

 

 

 

 

常見問題

Q1. Mechanical shock 可以做到幾G ?

A.  最大12000G;常見為10000G,0.2mS~0.25mS 及 1500G 0.5mS。

 

Q2. 是否可以進行 cyclic bending ?

A.  可依客戶需求進行治具設計並執行Cyclic bending,但無同步應變規量測功能。

 

Q3. 可否進行三點與四點 bending ?

A.  可以執行(特別尺寸需製作治具)IPC 9702/IPC 9704 三點或四點Bending。

 

Q4. 動態量測方式有哪些呢 ?

A.  黏貼單軸或三軸應變規量測 或以 Event detector/Data Logger 進行量測。

 

Q5. 產品失效可以做什麼樣的 FA ?

A.  3D X-Ray 或 紅墨水試驗。

 

 

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