某灌封产品BGA虚焊的整机筛选方法分析

李书成 邙强 刘星宇 黎旗 赵长振

（1.陕西中天火箭技术股份有限公司 陕西省西安市 710025 2.中天引控科技股份有限公司 重庆市 401120）

1 引言

随着电子产品向轻、薄和微小型化方向的发展，PBGA（塑封球栅阵列）作为一种典型的高密度封装技术，在SMT 工艺中大量使用。BGA 封装具有体积小、电性能优良、引脚数多、引脚间距大、整体成本低等优点。虽然BGA 具有这些优势，但是仍然会有潜在问题：

（1）由于BGA 焊点隐藏在芯片底部，焊接装配后不利于检测；

（2）由于焊点的表面积较小，焊点的机械强度降低，会导致断裂；

（3）受热过程中热膨胀系数的失配会导致元件和基板之间的弯曲，甚至焊盘开裂等问题[1]。

在所有工艺缺陷中，BGA 焊点因对温度应力比较敏感，其质量可靠性问题尤其突出。在某型号产品（ARM 芯片为PBGA 封装）测试过程中，发现有部分产品在某些情况下会输出突然中断，而去掉ARM 电路板螺钉或按压电路板时，产品能恢复正常工作。重复按压电路板，故障可复现。因为芯片损坏是不可逆，所以排除了产品ARM 芯片坏掉的可能性，后来通过进行三维X 光和金相切片失效分析，ARM 板失效的原因是BGA 焊球内部产生裂纹，导致在环境应力作用下接触电阻增大甚至开路所致。

环境应力筛选是可靠性试验中的一种，其采用对电子产品施加合理环境应力的方法，可将产品内部的潜在缺陷加速变成故障，并加以发现和排除，是剔除产品早期故障的重要手段[2]。

有机硅凝胶常用于电子元件、部件及整机产品中的灌封、涂覆，可起防潮、防震和绝缘等作用，保证产品在复杂环境条件下可靠。但是，由于灌注硅凝胶的电子产品在温度、振动响应特性有较大的变化，使产品可靠性存在很大的不确定性。因此，对整机灌封状态下的BGA 产品的筛选研究很有必要[3]。

2 环境应力筛选方法分析

2.1 定量环境应力筛选方法

常规环境应力筛选参考的标准是GJB 1032，但是产品的复杂程度和使用环境与产品的筛选效果密切相关，根据标准GJB/Z-34的定义，当产品中存在对某一特定筛选类型敏感的潜在缺陷时，该筛选类型将该缺陷以故障形式析出的概率称为筛选度，反映的是某种应力类型析出潜在缺陷的能力。在《电子产品定量环境应力筛选指南》中给出了温度循环应力的筛选度公式里式（1）所示。

式中：SS 为筛选度；e 为自然对数的底；R 为温度变化范围；V 为温度变化速率；N 为循环次数。

随机振动的筛选度计算公式为：

式中：SS 为筛选度；Grms为加速度均方根值；t 为振动时间。

电子产品环境应力筛选从组装等级上一般可分为整机级、单元级和组件级。由于元器件缺陷不能由整机生产厂家所解决，元器件二次筛成本高、时间长，只能通过严格控制采购渠道和抽样筛选来保证元器件的质量，通常是加强对板级和整机的筛选。本产品在生产阶段做的筛选主要包括：核心器件器件及板级高温贮存（85℃～125℃，72h），板级48h 高温老练（60℃）、整机灌封状态下温循和随机振动。

图1：温度设置历史曲线

图2：实测产品温变速率曲线

2.2 BGA焊点应力筛选方法

在环境应力筛选中，随机振动和温度循环是最常用的应力类型。焊点潜在缺陷在温度循环和随机振动载荷下被加速转化为故障的过程可归类于疲劳失效问题。通过分析不同温度循环参数对焊点疲劳寿命的影响，发现：提高温变速率会极大地提升了温度循环的速度，缩短筛选时间；提高高温端点温度可极大提高筛选效率，而低温端点温度则不能取得过低（因为低温过低时塑性应变增加不多却增加了单周期循环时间使得焊点的疲劳寿命变长）；高温保温时间的可稍大于低温保温时间，但过多的保温时间均会降低筛选效率。

由此可见，提高温变速率和高温温度可以使焊点潜在缺陷更快的暴露出来，提高筛选效率。而适当增加循环次数，则能提高筛选度。

根据分析结果可知，而随机振动选振动轴向垂直于电路板方向，可造成组件发生更大的变形和更严重的应力集中现象，使得缺陷更容易发生破坏，不仅可以提高筛选效率，还可以提高应力的筛选效果。

3 硅胶灌封对环境应力筛选的影响分析

硅凝胶的温度和振动传递性很差，即产品外部应力变化与硅凝胶内部的应力变化相差很大。

3.1 温度响应特性分析

固化后的硅凝胶是热的不良导体，热传递速度慢。完全灌注比部分灌注硅凝胶的产品温度响应速度慢。内部结构简单的比内部结构复杂的产品，温度响应速度慢。灌注硅凝胶的整机产品，当外部温变速率达到5℃/min 时，实测其内部的温变速率还不到3℃/min[4]。产品内部的温度变化是缓慢变化，产品外部在高温中已保持近2h，产品内部才刚达到温度最高点。产品内部以定变温速率下降至低温保持阶段．产品内部不但要滞后一段时间，而且也是一个慢变化过程。

表1：样品试验情况

3.2 振动响应影响分析

根据相关文献的研究结果，灌注硅凝胶后对电子产品的振动响应影响较大，振动响应显著衰减。整体或部分灌注硅凝胶均可起到较好的抗震保护作用。因此在产品内部受力易断裂的的管脚、焊接点等处部分灌注硅凝胶可以起到较好的抗震保护作用。

本产品在生产期间，由于灌封原因，硅凝胶对整机产品的温度试验和随机振动试验起到一定的减弱作用。为提高产品整机质量，应力筛选应在装配灌封之前开展，将产品板级进行筛选试验，尽可能在前期剔除缺陷和潜在故障。

4 筛选试验方案

由于灌注硅凝胶后整机产品的应力响应特性发生了较大变化，因此，现有的电子整机产品应力筛选方法不适于此类产品。为了提高产品质量可靠性，保证应力筛选试验的有效性，避免出现过应力或欠应力，需要针对灌注介质产品制定相应的应力筛选试验条件和试验方法。

通过查阅GJB 1032-90《电子产品环境应力筛选方法》和GJB/Z 34-1993《电子产品定量环境应力筛选指南》可知，温度变化率对温度循环筛选效果影响极大，应尽可能加快。以4 个循环为例，5℃/min 温变速率的筛选度为0.55，而20℃/min 温变速率的筛选度为0.94，提高了将近1 倍。可选择筛选范围为120℃，温度循环次数为10 次，温度变化率≥10℃/min，可以得到相应筛选度为0.993[5]。

温度循环中，上、下限温度的持续时间取决于产品在此温度下达到温度稳定和检测性能所需的时间。

温度循环次数也是影响筛选度的重要指标。GJB1032 中不管筛选产品的复杂程度和施加应力的大小，均规定用同一个筛选时间，总时间为80 ～120h。这一时间能基本保证所有组件级产品筛选后都能去掉其早期故障。对于组件级来说，这一时间相当于20 ～40个循环。但是产品转入批量生产后工艺、生产均趋于成熟，考虑到板级还要与系统进行大量的联调及系统级筛选试验等因素，为了提高生产效率，尽可能的提高温变速率，减少温度循环的次数。

实际调研后，普通温箱最大只能达到15℃/min 的温变能力，考虑热容温箱放满产品后，板级产品（无硅凝胶影响）内部实际只能达到10℃/min。结合图4 的筛选度，循环次数应不少于10 个循环（包括故障剔除阶段和无故障检测阶段，无故障循环次数不少于3 次）。

5 筛选试验

5.1 筛选条件验证

验证的目的：一是验证在温箱设定温变速率为15℃/min 条件下，ARM 芯片表面实际温度；二是验证在该条件下，潜在问题板子是否会出现异常，证明此筛选办法是否有效。

快速变温箱从常温→高温+80℃→低温-40℃→高温+80℃，以此循环。温箱温度设置历史曲线见图1。

如图2，从温度巡检仪检测结果可知：该温变箱具备同时筛选30 套以上产品，产品内部温度变化满足10℃/min 要求。5 套样品功能输出情况见表1。

从表1 可知：011#故障产品和按压异常的198#ARM 板在该条件下均可能出现输出异常的现象，说明该筛选方法可以对潜在缺陷的板子进行筛选。

5.2 正式产品筛选试验

针对本批已灌封完成的产品且ARM 芯片可能存在BGA 虚焊问题，在筛选试验前，打开产品上盖板，去掉ARM 板上的螺钉和硅凝胶后倾斜放置在壳体内部，以便ARM 板与温箱风有效接触，尽可能保证ARM 板与温箱温度的一致。试验过程中连续通电监测产品功能。要求试验产品电流稳定无跳动，产品功能正常，数据输出稳定、连续、无丢包现象，数据记录完整。

对150 套产品进行筛选，共发现有2 套产品串口输出异常，后经过检查，确定为BGA 芯片焊接不良，在温度循环筛选过程中暴露缺陷，即输出异常。而筛选合格的产品进行X 轴6.06grms 的随机振动未发生故障。灌封后再次进行高、低温测试，产品状态稳定，未发现问题。证明该方法对BGA 虚焊故障筛选有效。

6 结论

本文在根据BGA 焊点虚焊故障特点，结合硅凝胶罐注对应力特性影响分析，对应力条件进行优化并验证，最后对150 套产品进行筛选，筛选后产品工作状态稳定，证明该方法能够有效筛选BGA 虚焊故障产品。

为提高产品质量，一方面改进焊接工艺，提高焊接合格率，并利用三维X 光、切片金相检测进行抽样；二是加强筛选，在装配灌注整机之前开展应力筛选，电路板应进行器件高温贮存+板级大变温率筛选+板级高温老炼+整件随机振动，以剔除失效产品。