FPGA與PCB板焊接的連接問題分析

問題描述：

81%的電子系統(tǒng)中在使用FPGA，包括很多商用產(chǎn)品和國防產(chǎn)品，并且多數(shù)FPGA使用的是BGA封裝形式。BGA封裝形式的特點(diǎn)是焊接球小和焊接球的直徑小。當(dāng)FGPA被焊在PCB板上時(shí)，容易造成焊接連接失效。焊接連接失效可以“致命“一詞來形容。當(dāng)焊接球?qū)⒎庋b有FPGA的器件連接到PCB上時(shí)，如果沒有早期檢測，由焊接失效引起的電性異常可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備的災(zāi)難性故障。為了防止關(guān)鍵設(shè)備由于焊接問題引起的災(zāi)難性故障，美國銳拓集團(tuán)公司(Ridgetop-Group)開發(fā)了SJ-BIST解決方案。作為一系列的故障預(yù)測產(chǎn)品中的一員，SJ-BIST對工作中的FPGA的焊接失效提供了實(shí)時(shí)檢測手段。

焊接點(diǎn)故障失效經(jīng)常發(fā)生在FGPA,在所有類型的商業(yè)和國防產(chǎn)品中.當(dāng)FPGA被封裝在BGA封裝件中后，F(xiàn)PGA很容易受焊接連接失效的影響。焊接失效的原因不能被孤立出來，早期檢測發(fā)現(xiàn)是非常困難的，間歇性的故障會(huì)隨著時(shí)間的升級(jí)直到設(shè)備提供不可靠的性能或無法操作。不過,正如經(jīng)常發(fā)生的情況,這個(gè)問題也是可以解決的,它就是Ridgetop-GroupSJ-BIST.

有哪些因素可造成焊接連接失效呢?

常見失效原因：

1)應(yīng)力相關(guān)的失效　--　針對工作中的器件

對工作中的器件，造成焊接連接失效的主要因素是熱-機(jī)械應(yīng)力和震動(dòng)應(yīng)力。無論是震動(dòng)，扭矩轉(zhuǎn)力，熱循環(huán)，材料膨脹，或環(huán)境中的其他應(yīng)力，其不可避免的結(jié)果是由累積損傷造成的機(jī)械故障。在焊接連接中，損傷表現(xiàn)為器件與PCB連接處的裂縫。

現(xiàn)行的預(yù)測焊接連接失效的方法是統(tǒng)計(jì)退化模型。但是，由于統(tǒng)計(jì)在大量樣品存在時(shí)才具有實(shí)際意義，基于統(tǒng)計(jì)的模型充其量也只能是一種權(quán)宜的解決辦法。銳拓集團(tuán)公司的SJ-BIST可以提供一個(gè)直接的，實(shí)時(shí)的衡量和預(yù)測焊接連接失效的手段。

2)與制造生產(chǎn)相關(guān)的故障

因?yàn)楹附狱c(diǎn)失效也發(fā)生在生產(chǎn)制造過程中.Ridegtop-GroupSJ-BIST可以監(jiān)測到未安裝好　的FPGA。這些與制造業(yè)相關(guān)的故障有它自己的一套檢測的挑戰(zhàn)。目視檢查是目前所采用的確定在制造環(huán)境中的失效的方法。主要的缺點(diǎn)是無法進(jìn)行測試和檢查焊點(diǎn)。

目視檢查僅限于FPGA的最外排的焊接點(diǎn)，而電路板尺寸和其他表面安裝元件限制了更進(jìn)一步的視野。隨著BGA封裝陣列密度的增加，焊接球的偏差變得更嚴(yán)格。在細(xì)間距的BGA封裝中，有數(shù)以千計(jì)1.0毫米間距和0.60毫米球直徑的焊接球。在這些條件下，焊盤的諧調(diào)和焊接的不充分成為焊盤的斷開和部分?jǐn)嚅_的故障的主要成因。當(dāng)焊接不浸濕焊盤時(shí),即使百分之百的x射線的檢查是不能保證找到焊點(diǎn)斷裂.涉及焊球并粘貼毛細(xì)滲透到鍍通孔的另一種缺陷是不容易識(shí)別，甚至還與X線成像。

作為一個(gè)內(nèi)嵌式軟核，Ridgetop-GroupSJ-BIST是在生產(chǎn)制造環(huán)境中真正適合PCB-FPGA監(jiān)測。

BGA封裝連接失效(用于熱循環(huán))的定義：

業(yè)界關(guān)于BGA封裝連接失效的定義是：

1.大于300歐姆的峰值電阻持續(xù)200納秒或更長時(shí)間。

2.第一個(gè)失效事件發(fā)生后在10%的時(shí)間內(nèi)發(fā)生10個(gè)或更多個(gè)失效事件。

焊接失效的類型：

1)焊接球裂縫

隨著時(shí)間的推移，焊接部位會(huì)因?yàn)槔鄯e應(yīng)力的損傷而產(chǎn)生裂縫。裂縫常見于器件與PCB焊接的邊緣。裂縫會(huì)造成焊接球與BGA封裝器件或PCB板的部分分開。一種典型的裂縫位置在BGA封裝和焊接球之間,另一種典型的裂縫在PCB和焊接球之間.對已有裂縫的焊接球的繼續(xù)損傷就會(huì)導(dǎo)致另一種類型的失效-焊接球斷裂。

2)焊接球斷裂

一旦有了裂縫，后繼的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接球斷裂。斷裂造成焊接球和PCB完全分開，從而導(dǎo)致較長時(shí)間的開路狀態(tài)，斷裂面的污染和被氧化。最終造成從退化的連接到短時(shí)間間歇性的開路一直到較長時(shí)間開路。

3)缺少焊接球

導(dǎo)致裂縫,最終形成斷裂的后續(xù)機(jī)械應(yīng)力還有可能導(dǎo)致斷裂的焊接球的錯(cuò)位。缺失的焊接球不僅使該引腳的連接永久失效，而且錯(cuò)位的焊接球可能會(huì)停留在另一個(gè)位置而導(dǎo)致另一個(gè)電路的不可想像的短路。

焊接球失效的電信號(hào)表現(xiàn)

焊接球斷裂處定期的開開合合會(huì)導(dǎo)致間歇性電信號(hào)故障。震動(dòng)，移動(dòng)，溫度變化，或其他應(yīng)力可以使斷裂的焊接球開開合合，從而導(dǎo)致電信號(hào)的間歇性故障。PCB廠使用的易彎曲的材料使這種間歇性信號(hào)也成為可能,例如震動(dòng)應(yīng)力造成的斷裂開開合合,難以預(yù)測的開開合合的焊接球電路導(dǎo)致間歇性信號(hào),這種間歇性故障很難被診斷。另外，F(xiàn)PGA周圍的I/O緩沖電路使測量焊接網(wǎng)絡(luò)的電阻值幾乎不可能。在工作的FPGA中出現(xiàn)故障的器件可能會(huì)在測試床上沒有任何故障發(fā)現(xiàn)(NTF)就通過測試,因?yàn)楹附犹帟簳r(shí)連接上了。很多用戶發(fā)現(xiàn)FPGA工作不正常,用手按一P下,FPGA就工作正常了,也是因?yàn)檫@個(gè)原因.
 

解決方案：SJ-BIST實(shí)時(shí)檢測焊接狀態(tài)

在美國銳拓集團(tuán)公司(Ridgetop-Group)的創(chuàng)新發(fā)明之前，沒有很好的,已知的辦法檢測工作中的FPGA的應(yīng)力失效。目前生產(chǎn)制造中使用的目檢，光學(xué)，X-光和可靠性測試等技術(shù)很難奏效，因?yàn)榉从碁殡娦盘?hào)失效的故障在器件沒有加電源的情況下基本上是看不到的。通過對將要發(fā)生的失效的早期檢測，SJ-BIST支持基于條件(condition-based)的設(shè)備維護(hù)并能減少間歇性失效。其卓越的靈敏度和精確度使SJ-BIST可以在兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)和報(bào)告低至100歐姆的高電阻失效而且沒有誤報(bào)警。作為一個(gè)可縮放的解決方案，它可以附加在用戶的現(xiàn)存的測試中樞，不會(huì)額外增加資源。

銳拓集團(tuán)公司的SJ-BIST是一個(gè)可以授權(quán)使用的知識(shí)產(chǎn)權(quán)內(nèi)核。它的安裝不需要工具和設(shè)備。它是一個(gè)Verilog軟內(nèi)核可以集成在用戶的FPGA中，只需在PCB上增加一個(gè)小電容以及在現(xiàn)有的測試程序中增加一小段代碼。在某些情況下，甚至電容也是不需要的。SJ-BIST會(huì)占用現(xiàn)有FPGA的門,250FPGA門就足夠了。

SJ-BIST是汽車，工業(yè)控制和航空航天市場的理想解決方案并且已經(jīng)被戴姆勒-克萊斯勒公司和美國雷神導(dǎo)彈系統(tǒng),NASA,NAVAIR等使用。醫(yī)療器械也是一個(gè)合適的應(yīng)用對象,包括起搏器,神經(jīng)刺激器和其他靠近心,腦,脊髓等可靠性要求高的設(shè)備。銳拓集團(tuán)公司的電子故障預(yù)測方案可以在故障出現(xiàn)之前就對器件進(jìn)行安全更換，提前采取措施，避免重大事故發(fā)生。