系统产品PCBA制程失效模式验证对策

常見系統產品PCBA板階BLR失效模式的可靠度驗證TVC/QTR2013.07.18主題切入•1.常見的無鉛Pb-Free或RoHS焊點/PCBA失效要因分析•2.BoardLevel板階(IC上板的PCBA)可靠度驗證/分析手法(如IPC/JEDEC)•3.現行各國際網通大廠現況何為BLR(PBCA板階)系統產品的可靠度問題發生原因•1.零組件不穩定(尤其是BGA封裝的IC)•2.PCB材料的問題(化金板,OSP板或是化銀板,因為PCB搭配不同焊錫如SAC105或SAC305就呈現不同的機械性質)•3.焊點問題(焊錫,錫膏與助焊劑因素)•4.組裝問題(Assembliesprocess,如SMT溫度或冷卻速率等,將會影響焊接面IMC共晶化物層結構,進而影響系統產品強度).环保趋势对电子电器产品的挑战無鉛或RoHS焊點/PCBA失效要因•(1)由歷史來看待產品問題與主要挑戰:•2000~2006年:為無鉛Pb-Free時期,因為在焊上BAG的PCBA折彎試驗(bendingtest)發現錫鉛(PbSn)焊點的彈性是錫銀銅(SnAgCu)焊點的2倍,所以主要影響為零件,焊點,PC板&SMT製程的可靠度驗證標準都需改變.•2006~2008年:為RoHS時期,主要影響就是RoHS法規加速製程轉換,但因製程與原料忽然改變,造成RMA客退比例急速攀升,尤其2008年最嚴重.•2008~2012年:為Halogen-Free(Br,Cl)Sb2O3無鹵時期:主要影響就是PCBCrater,ECM/CAF(電遷移與孔短路).•2012之後即為PhosphorousFree無磷時期:材料技術瓶頸與可靠度驗證標準需再修訂.•而且目前也發現錫鉛焊點的錫樹枝(SnDendrite)又比錫銀銅焊點細許多,所以錫鉛焊點的耐衝擊強度遠比錫銀銅焊點好很多.Lead-Free焊點冷卻速率需比錫鉛焊點高,才不易發生錫原子結合而影響焊點強度.無鉛錫球Ag3Sn與常用2種無鹵PCB(ENIG&OSP)搭配HTSL:•HTSL(HighTemperatureStressLife)高溫應力測試發現:(1)PCB有機板OSP比化金板ENIG強度好.(2)OSP與無鉛錫球比搭配Silverimmersion在溫度衝擊後,BGA內部更不易有氣泡.無鹵HFPCB板與焊錫搭配•SAC105與HFPCB搭配時,機械性質為最佳.•低銀焊錫(SAC105)耐衝擊,適用手持式產品.•高銀焊錫(SAC305)耐溫變,適用桌上型產品.失效的关键因素-IMC共晶化合物層不良IMC層的影響造成IMC異常破裂的原因不良IMC層的影響錫銀銅SAC&錫鉛SnPb焊点差異Ag3SnPlateletConcern無鉛焊點Pb-free製程的挑战無鉛或RoHS焊點/PCBA失效要因•由Lead-Free焊點試驗結果發現:•AfterAQItest(AssemblyQualityInspection:紅墨水/染色試驗,X-Ray,超音波,切片,錫球推拉試驗)發現:17%Failure;為製程因素.表示產品經振動與落下試驗後亦很可能Fail.•AfterTCTtest(溫度循環):30%Failure•AfterShocktest:38%Failure.•AfterVibrationtest:2%Failure.•AfterHALTtest:13%Failure.(開機狀態的HALTtest).焊点异常-机械冲击试验后製程孔洞问题(25%isEnough?)25%VoidinBGA??•焊錫氣泡(void)出現在BGA球心附近,則表示與PCB板無關,SMT與錫爐製程需要調整.Void氣泡發生:•BGA內部氣泡都發生在攝氏217度.•超過攝氏217度因為Cu滲入Sn,所以將決定IMC厚度.失效關鍵因素—BGA異常失效失效焊点类型-通孔(支撑孔)通孔造成失效案例分析(HeatSink)ECM/CAF/SIR:•電遷移,孔短路與表面絕緣電阻(ECM/CAF/SIR)等間斷性失效通常發生在產品投入市場使用數月後出現.•為dendrite樹狀物短路所造成,dendrite發生率:AgCuPbSnAu=(1)注意材料與製程變更.(2)助焊劑,錫膏與製程等濕度及離子污染管理電遷移原因CAF孔短路原因CAF/SIR影響PCB可靠度的挑战零組件上PCBA板驗證平台IC晶片焊到PCB板發生翹曲疊球(Warp-Page):•避免IC晶片焊到PCB發生翹曲或疊球(Warp-Page),系統廠應該要求IC封測廠進行:(1)Solder-ability沾錫試驗(2)除菊線路試驗(daisychaintest)(3)AQI製程組裝品質試驗(AssemblyQualityInspection)a.紅墨水/染色試驗b.超音波試驗c.X-Ray試驗d.切片試驗e.錫球冷熱球推拉試驗AQIOK=表示製程OK=進行系統產品可靠度Test.建議試驗隨機抽樣數•二項式分配:(1)IAD:n=22PCS(α=10%;β=10%).(2)車電產品:n=76PCS(α=3%;β=10%).建議試驗隨機抽樣數建議試驗隨機抽樣數除菊線路試驗(daisychaintest)除菊線路試驗(daisychaintest)除菊線路試驗(daisychaintest)除菊線路試驗(daisychaintest)IPC-Std.DaisychainIPC-Std.DaisychainHASL/ENIG/OSPDaisychain零組件可靠度验证方案PCB板验证项目方案AQI製程組裝PCBA品質检验项目PCBA无铅及无卤素可靠度验证方案StressModevs.DefectDetected(系統產品)PCBATemperatureCycleQualificationTestAcceleratedLifeofThermalCycleInspectionPointforThermalCycleLongTermReliabilityonThermalCycleRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTest高可靠產品度测试要求项目現行各國際網通大廠之PCB現況•(1)CISCO:汰用化金化銀與ENIG,採用OSP(用於高頻產品)•(2)DELL:汰用化銀,Sn/Pb與BrightTin,多採用AO3PCB.而且Pb-Free產品都需做HALTTest.•(3)HP:僅化金板不建議使用.ISTI經驗:•1.如果能控制好IC(BGA與pin腳),PCB與SMT製程溫度,則能控制住系統產品80%的RMA發生率.•2.如果能解決PCBA板階可靠度問題(BoardLevelReliability,如不同BGA錫球與不同PCB搭配性問題)則可避免50%RMA的發生率.