系统产品PCBA制程失效模式验证对策课件

常見系統產品PCBA板階BLR失效模式的可靠度驗證TVC/QTR2013.07.18常見系統產品PCBA板階BLR失效模式的可靠度驗證TVC/Q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主題切入1.常見的無鉛Pb-Free或RoHS焊點/PC何為BLR(PBCA板階)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).系統產品的可靠度問題發生原因1.

零組件不穩定(尤其是BG环保趋势对电子电器产品的挑战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.無鉛或RoHS焊點/PCBA失效要因(1)由歷史來看待產無鉛錫球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.無鉛錫球Ag3Sn與常用2種無鹵PCB(ENIG&OSP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.無鹵HFPCB板與焊錫搭配SAC105與HFPCB搭配時失效的关键因素-IMC共晶化合物層失效的关键因素-IMC共晶化合物層不良IMC層的影響不良IMC層的影響造成IMC異常破裂的原因造成IMC異常破裂的原因不良IMC層的影響不良IMC層的影響錫銀銅SAC&錫鉛SnPb焊点差異錫銀銅SAC&錫鉛SnPb焊点差異Ag3SnPlateletConcernAg3SnPlateletConcern無鉛焊點Pb-free製程的挑战無鉛焊點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%FailureAfterShocktest:38%Failure.

AfterVibrationtest:2%Failure.

AfterHALTtest:13%Failure.(開機狀態的HALTtest).無鉛或RoHS焊點/PCBA失效要因由Lead-Free焊焊点异常-机械冲击试验后焊点异常-机械冲击试验后製程孔洞问题(<25%isEnough?)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.25%VoidinBGA??焊錫氣泡(void)出現在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.Void氣泡發生:BGA內部氣泡都發生在攝氏217度.失效關鍵因素—BGA異常失效失效關鍵因素—BGA異常失效失效焊点类型-通孔(支撑孔)

失效焊点类型-通孔(支撑孔)

通孔造成失效案例分析(HeatSink)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:Ag>Cu>Pb>Sn>Au=>(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ECM/CAF/SIR:電遷移,孔短路與表面絕緣電阻(EC電遷移原因電遷移原因CAF孔短路原因CAF孔短路原因CAF/SIR影響CAF/SIR影響PCB可靠度的挑战PCB可靠度的挑战零組件上PCBA板驗證平台零組件上PCBA板驗證平台IC晶片焊到PCB板發生翹曲疊球(Warp):避免IC晶片焊到PCB發生翹曲或疊球(Warp),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.IC晶片焊到PCB板發生翹曲疊球(Warp):避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二項式分配:建議試驗隨機抽樣數建議試驗隨機抽樣數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)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.DaisychainIPC-Std.DaisychainIPC-Std.DaisychainHASL/ENIG/OSPDaisychainHASL/ENIG/OSPDaisychain零組件可靠度验证方案零組件可靠度验证方案PCB板验证项目方案PCB板验证项目方案AQI製程組裝PCBA品質检验项目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PCBA无铅及无卤素可靠度验证方案StressModevs.DefectDetected

(系統產品)StressModevs.DefectDetectePCBATemperatureCycleQualificationTestPCBATemperatureCycleQualifiAcceleratedLifeofThermalCycleAcceleratedLifeofThermalCyInspectionPointforThermalCycleInspectionPointforThermalCLongTermReliabilityonThermalCycleLongTermReliabilityonThermRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestRandomVibrationTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTestMechanicalShockTest高可靠產品度测试要求项目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

HALT

Test.(3)HP:僅化金板不建議使用.現行各國際網通大廠之PCB現況(1)CISCO:汰用化金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.ISTI經驗:1.如果能控制好IC(BGA與pin腳),常見系統產品PCBA板階BLR失效模式的可靠度驗證TVC/QTR2013.07.18常見系統產品PCBA板階BLR失效模式的可靠度驗證TVC/Q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主題切入1.常見的無鉛Pb-Free或RoHS焊點/PC何為BLR(PBCA板階)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).系統產品的可靠度問題發生原因1.

零組件不穩定(尤其是BG环保趋势对电子电器产品的挑战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.無鉛或RoHS焊點/PCBA失效要因(1)由歷史來看待產無鉛錫球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.無鉛錫球Ag3Sn與常用2種無鹵PCB(ENIG&OSP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.無鹵HFPCB板與焊錫搭配SAC105與HFPCB搭配時失效的关键因素-IMC共晶化合物層失效的关键因素-IMC共晶化合物層不良IMC層的影響不良IMC層的影響造成IMC異常破裂的原因造成IMC異常破裂的原因不良IMC層的影響不良IMC層的影響錫銀銅SAC&錫鉛SnPb焊点差異錫銀銅SAC&錫鉛SnPb焊点差異Ag3SnPlateletConcernAg3SnPlateletConcern無鉛焊點Pb-free製程的挑战無鉛焊點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%FailureAfterShocktest:38%Failure.

AfterVibrationtest:2%Failure.

AfterHALTtest:13%Failure.(開機狀態的HALTtest).無鉛或RoHS焊點/PCBA失效要因由Lead-Free焊焊点异常-机械冲击试验后焊点异常-机械冲击试验后製程孔洞问题(<25%isEnough?)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.25%VoidinBGA??焊錫氣泡(void)出現在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.Void氣泡發生:BGA內部氣泡都發生在攝氏217度.失效關鍵因素—BGA異常失效失效關鍵因素—BGA異常失效失效焊点类型-通孔(支撑孔)

失效焊点类型-通孔(支撑孔)

通孔造成失效案例分析(HeatSink)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:Ag>Cu>Pb>Sn>Au=>(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ECM/CAF/SIR:電遷移,孔短路與表面絕緣電阻(EC電遷移原因電遷移原因CAF孔短路原因CAF孔短路原因CAF/SIR影響CAF/SIR影響PCB可靠度的挑战PCB可靠度的挑战零組件上PCBA板驗證平台零組件上PCBA板驗證平台IC晶片焊到PCB板發生翹曲疊球(Warp):避免IC晶片焊到PCB發生翹曲或疊球(Warp),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.IC晶片焊到PCB板發生翹曲疊球(Warp):避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二項式分配:建議試驗隨機抽樣數建議試驗隨機抽樣數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)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.DaisychainIPC-Std.DaisychainIPC-Std.DaisychainHASL/ENIG/OSPDaisychainHASL/ENIG/OSPDaisychain零組件可靠度验证方案零組件可靠度验证方案PCB板验证项目方案PCB板验证项目方案AQI製程組裝PCBA品質检验项目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PCBA无铅及无卤素可靠度验证方案StressModevs.DefectDetected

(系統產品)StressModevs.DefectDetectePCBATemperatureCycleQualificationTestPCBATemperatureCycleQualifiAcceleratedLifeofThermalCy