โครงสร้างของความล้มเหลวของ BGA

บอร์ดต้นแบบมาถึงแล้ว ซึ่งไร้ชีวิตและไร้ประโยชน์ สำหรับทีมพัฒนาผลิตภัณฑ์ นี่ไม่ใช่แค่ความล่าช้า แต่เป็นวัฏจักรของการดีบักที่น่าหงุดหงิด ข้อมูลที่ถูกบีบอัด และต้นทุนที่เพิ่มขึ้น ใต้พื้นผิวของอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ แพ็คเกจ Ball Grid Array (BGA) เป็นตัวแทนของความตึงเครียดที่คงที่ มันเป็นความมหัศจรรย์ของการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูงที่บรรจุอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็ก แต่ก็เป็นผู้ต้องสงสัยหลักในความล้มเหลวที่เงียบงันนี้ รอยร้าวขนาดจิ๋วที่ซ่อนอยู่ใต้ BGA สามารถทำให้การประกอบทั้งชุดไร้ค่า และการเข้าใจฟิสิกส์ที่ละเอียดอ่อนของความล้มเหลวเหล่านี้เป็นเส้นทางเดียวที่เชื่อถือได้สู่การป้องกัน

ความท้าทายอยู่ที่ความทึบแสงของ BGA จุดเชื่อมต่อบัดกรีที่สำคัญที่สุดของมันถูกสร้างขึ้นในโลกที่ซ่อนอยู่ ซึ่งเป็นพื้นที่ที่ความผิดพลาดร้ายแรงสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่มีหลักฐานที่มองเห็นได้ ในขณะที่หลายสิ่งอาจผิดพลาด ความล้มเหลวที่ทำให้การทดสอบต้นแบบล้มเหลวมักอยู่ในช่วง ตั้งแต่ที่เห็นได้ชัดเจนทันที ไปจนถึงที่ซ่อนอยู่ในระดับอันตราย

ด้านหนึ่งคือการลัดวงจรที่ชัดเจนและไม่คลุมเครือ การเชื่อมต่อบัดกรีที่ผิดพลาด ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่ไม่ได้ตั้งใจระหว่างลูกบอลบัดกรีที่อยู่ติดกัน เป็นภัยพิบัติที่ตรงไปตรงมาซึ่งมักเกิดจากการใช้บัดกรีมากเกินไปหรือการวางผิดตำแหน่งเล็กน้อย เช่นเดียวกับการเปิดวงจรอย่างสมบูรณ์ ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อที่ล้มเหลวอย่างสมบูรณ์ของลูกบอลบัดกรีที่ไม่เชื่อมต่อกับแผ่นรองรับของมัน สิ่งเหล่านี้เป็นความล้มเหลวที่น่าหงุดหงิดแต่ซื่อสัตย์ ซึ่งประกาศตัวเองอย่างชัดเจนในการทดสอบเบื้องต้น

ปัญหาที่ยากกว่าคือปัญหาที่ทำให้การเชื่อมต่อเสื่อมคุณภาพมากกว่าที่จะตัดขาด มวลอากาศที่ถูกกักไว้ภายในบัดกรี ซึ่งเป็นการจับก๊าซภายในบัดกรี ไม่สร้างวงจรเปิดทันที แต่สร้างจุดอ่อนซ่อนอยู่ ซึ่งอาจทำให้การระบายความร้อนของการเชื่อมต่อเสียหาย ซึ่งเป็นหน้าที่สำคัญสำหรับ BGAs หลายตัว และลดความแข็งแรงทางกลของมัน แผ่นบอร์ดอาจทำงานได้ในระยะเวลาหนึ่ง แต่ก็มีข้อบกพร่องทางโครงสร้างที่ทำให้มันเสี่ยงต่อความล้มเหลวจากแรงกระแทก การสั่นสะเทือน หรือความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ มันเป็นนาฬิกาที่กำลังเตือน

ธรรมชาติที่เป็นอันตรายของหัวในหมอน (Head-in-Pillow)

จากนั้นก็มีข้อบกพร่องที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด ซึ่งมีชื่อเรียกเฉพาะว่า Head-in-Pillow (HiP) เกิดขึ้นเมื่อบัดกรีบนบอร์ดและลูกบอลบัดกรีบน BGA ละลายระหว่างกระบวนการ reflow แต่ที่สำคัญคือ ล้มเหลวในการรวมกันเป็นการเชื่อมต่อเดียวกัน ลูกบอล BGA วางอยู่ในร่องลึกของบัดกรีเหมือนหัวบนหมอน การเชื่อมต่อเปิดที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง มองไม่เห็นด้วยการตรวจสอบด้วยแสง และอาจผ่านการทดสอบไฟฟ้าเบื้องต้นก่อนที่จะล้มเหลวอย่างไม่คาดคิดในสนาม

ความล้มเหลวนี้ไม่ได้เกิดจากความผิดพลาดเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากความขัดแย้งที่พลวัตในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่บอร์ดอยู่ในเตา reflow เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แพ็คเกจ BGA และ PCB เองอาจบิดเบี้ยวในอัตราที่แตกต่างกัน การบิดเบี้ยวที่แตกต่างกันนี้อาจทำให้ส่วนประกอบยกขึ้นจากบอร์ชั่วคราว ในช่วงเวลานั้น พื้นผิวที่เปิดเผยของลูกบอลบัดกรีที่ละลายและบัดกรีด้านล่างสามารถเกิดออกซิไดซ์ได้ เมื่อการประกอบเย็นลงและเรียบในภายหลังในรอบการ reflow ส่วนประกอบจะลงจอดกลับ แต่ชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นใหม่ทำหน้าที่เป็นอุปสรรค ป้องกันไม่ให้ปริมาณบัดกรีทั้งสองรวมกัน พวกมันแตะกัน แต่ไม่เชื่อมต่อกัน

ดังนั้น การป้องกันจึงเริ่มต้นก่อนที่บอร์ดจะเข้าสู่เตา reflow มันเริ่มต้นด้วยการควบคุมความชื้น เนื่องจากความชื้นที่ดูดซับอย่างมากจะทำให้บิดเบี้ยวมากขึ้น การเก็บรักษาและการจัดการส่วนประกอบอย่างถูกต้องตามระดับความไวต่อความชื้น (MSL) ไม่ใช่ขั้นตอนธรรมดา แต่เป็นการป้องกันพื้นฐานต่อ HiP การป้องกันหลักอีกอย่างคือโปรไฟล์ reflow ที่ได้รับการปรับแต่งอย่างรอบคอบ ช่วงการอุ่นล่วงหน้าที่ค่อยเป็นค่อยไปเป็นสิ่งสำคัญเพื่อช่วยลดความช็อกทางความร้อนที่ทำให้เกิดการบิดเบี้ยว และให้เวลาให้ฟลักซ์ในบัดกรีทำงานเพื่อทำความสะอาดพื้นผิวโลหะและป้องกันการออกซิไดซ์ บัดกรีที่มีแพ็คเกจฟลักซ์ที่แข็งแรง ซึ่งออกแบบให้ยังคงทำงานตลอดการเดินทางทางความร้อน ให้ช่วงเวลาการทำงานที่กว้างขึ้นและเป็นกันชนสำคัญต่อฟิสิกส์ที่อ่อนแอนี้

ธรรมชาติที่เป็นอันตรายของ Head-in-Pillow คือมันหลบเลี่ยงการตรวจสอบอย่างเข้มงวดที่สุดเท่านั้น จากภายนอก การเชื่อมต่อดูสมบูรณ์แบบ อาจสร้างการเชื่อมต่อแบบ “จูบ” ที่มีความจุเพียงพอที่จะผ่านการสแกนขอบเขต วิธีเดียวที่เชื่อถือได้ในการค้นหามันคือการใช้การตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์อัตโนมัติ (AXI) ในขณะที่รังสีเอกซ์ 2 มิติสามารถเปิดเผยข้อบกพร่องอย่างคร่าว ๆ เช่น การเชื่อมต่อข้ามกัน แต่ต้องใช้ AXI 3 มิติในการเปิดเผย HiP อย่างแท้จริง ระบบ 3 มิติสร้างภาพตัดขวางของการเชื่อมต่อบัดกรี ทำให้เห็นชัดเจนว่าพื้นผิวที่ไม่เชื่อมต่อกันระหว่างลูกบอลและบัดกรีเป็นอย่างไร เป็นวิธีเดียวที่จะตรวจสอบความสมบูรณ์ทางกายภาพของการเชื่อมต่ออย่างแท้จริง

แบบแผนสำหรับการป้องกัน: จุดที่การออกแบบและกระบวนการบรรจบกัน

แรงผลักดันที่ทรงพลังที่สุดที่ทีมพัฒนามีต่อคุณภาพของ BGA คือการดำเนินการก่อนที่จะวางชิ้นส่วนใด ๆ การออกแบบที่ไม่คำนึงถึงความเป็นจริงของการผลิตเป็นแผนแม่บทสำหรับความล้มเหลว

รากฐานคือแผนผังพื้นทองแดงบน PCB แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในอุตสาหกรรมสนับสนุนอย่างมากให้ใช้แผ่นรองที่ไม่กำหนดด้วยบัดกรี (NSMD) ซึ่งช่องเปิดของแผ่นบัดกรีมีขนาดใหญ่กว่าพื้นทองแดง การออกแบบนี้อนุญาตให้บัดกรีเหลวพันรอบด้านของแผ่นรอง ทำให้เป็นการเชื่อมต่อที่แข็งแรงทางกลและมีรูปร่างคล้ายลูกบอลและเบ้าหลอม การพึ่งพาตัวอย่างข้อมูลจาก datasheet ของส่วนประกอบเก่าแทนมาตรฐานสมัยใหม่เช่น IPC-7351 เป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อยและสามารถหลีกเลี่ยงได้ ระหว่างแผ่นรองเหล่านี้ ควรมีแนวกันน้ำบัดกรีบาง ๆ อย่างน้อย 4 mils (0.1mm) เพื่อป้องกันไม่ให้บัดกรีไหลระหว่างแผ่นรองที่อยู่ติดกันและสร้างสะพานเชื่อม

กฎการออกแบบที่สำคัญที่สุดอาจเป็นเรื่องของการวางเส้นทาง การวาง vias ตรงในแผ่นรอง BGA เป็นเทคนิคที่นิยมใช้ในดีไซน์ที่หนาแน่น แต่ต้องปฏิบัติตามข้อบังคับอย่างเคร่งครัด: via ต้องถูกเติมเต็มและเคลือบด้วยทองแดง ในกรณีของ via ที่เปิดในแผ่นรอง จะทำหน้าที่เหมือนหลอดดูดเล็ก ๆ ในระหว่าง reflow ซึ่งดูดซับบัดกรีลงไปในรู การขโมยบัดกรีนี้จะทำให้ปริมาณของการเชื่อมต่อเสียไป ส่งผลโดยตรงต่อการเกิด voids มากเกินไปหรือการเปิดวงจรอย่างสมบูรณ์ นี่เป็นตัวอย่างคลาสสิกของการเลือกดีไซน์ง่าย ๆ ที่ส่งผลโดยตรงและคาดการณ์ได้บนโรงงาน

แม้แต่การออกแบบที่สมบูรณ์แบบก็สามารถถูกทำลายได้ด้วยกระบวนการประกอบที่ไม่แม่นยำ บทบาทของผู้ประกอบคือการดำเนินการด้วยความเข้มงวด และเริ่มต้นด้วยขั้นตอนที่ถือว่าเป็นสิ่งสำคัญที่สุดในเทคโนโลยีการติดตั้งบนพื้นผิว: การพิมพ์บัดกรี การใช้แม่พิมพ์เลเซอร์ที่มีคุณภาพสูงต้องวางปริมาณบัดกรีที่สม่ำเสมอและแม่นยำบนทุกแผ่นรอง จากนั้น เครื่องวางชิ้นส่วนต้องใช้ระบบนำทางด้วยวิสัยทัศน์เพื่อวาง BGA ด้วยความแม่นยำเกือบสมบูรณ์แบบ

ขั้นตอนเหล่านี้นำไปสู่เตาอบรีฟโลว์ ซึ่งโปรไฟล์ความร้อน—สูตรอุณหภูมิที่เฉพาะเจาะจงสำหรับการประกอบนั้น—เป็นตัวกำหนดผลลัพธ์สุดท้าย โปรไฟล์ต้องปรับให้เหมาะสมกับมวลความร้อนของบอร์ดและโลหะบัดกรีที่เลือก ตัวอย่างเช่น โลหะบัดกรี SAC305 ที่ไม่มีตะกั่วมาตรฐาน ต้องการอุณหภูมิสูงสุดประมาณ 245°C ซึ่งเพิ่มความเครียดทางความร้อนที่อาจนำไปสู่การบิดงอและ HiP การใช้โลหะบัดกรีที่อุณหภูมิต่ำกว่าสามารถลดความเสี่ยงนี้ได้อย่างมากโดยการรีฟโลว์ใกล้เคียงกับ 180°C แต่ก็มีข้อแลกเปลี่ยน จุดเชื่อมต่อที่อุณหภูมิต่ำกว่ามักจะแตกหักง่ายกว่า ซึ่งเป็นความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นกับผลิตภัณฑ์ที่ต้องเผชิญกับแรงกระแทกหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกว้างขวาง นี่ไม่ใช่แค่การเลือกทางเทคนิคเท่านั้น แต่เป็นการตัดสินใจทางธุรกิจเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือและต้นทุน

การนำทางความเสี่ยง การแก้ไขซ้ำ และความเป็นจริง

ในโลกในอุดมคติ prototype BGA ทุกชิ้นจะได้รับการตรวจสอบด้วย 3D X-ray อย่างไรก็ตาม สำหรับทีมที่มีงบประมาณจำกัด การเลือกไม่ใช้ AXI หมายความว่าคุณยอมรับความเสี่ยงที่สูงขึ้น ความเสี่ยงนี้สามารถลดลงได้โดยการพึ่งพาการทดสอบไฟฟ้าเช่น JTAG/Boundary Scan และการออกแบบจุดทดสอบที่เข้าถึงได้สำหรับสัญญาณสำคัญ การทดสอบฟังก์ชันอย่างเข้มงวดในช่วงอุณหภูมิการทำงานเต็มรูปแบบของอุปกรณ์บางครั้งอาจทำให้ข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่แสดงออกมา แต่สิ่งสำคัญคือการเข้าใจว่าวิธีเหล่านี้เป็นเพียงตัวแทน พวกมันยืนยันการเชื่อมต่อ ไม่ใช่คุณภาพ และไม่สามารถมองเห็นข้อบกพร่องโครงสร้างที่ซ่อนอยู่ซึ่งเป็นภัยคุกคามต่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว

แล้วเกิดอะไรขึ้นเมื่อ BGA ล้มเหลว? การซ่อมแซมเป็นไปได้ แต่เป็นทางเลือกสุดท้ายที่เฉพาะเจาะจง มีราคาแพง และมีความเสี่ยง กระบวนการนี้ต้องการสถานีเฉพาะทางเพื่อให้ความร้อนในพื้นที่และนำชิ้นส่วนที่เสียออกอย่างระมัดระวัง ทำความสะอาดตำแหน่งอย่างละเอียด ประยุกต์โลหะบัดกรีใหม่ และรีฟโลว์ชิ้นส่วนใหม่โดยไม่ทำลายส่วนอื่นของบอร์ด ความเครียดทางความร้อนในพื้นที่สามารถยกแผ่นพิมพ์วงจรพิมพ์หรือทำลายชั้นภายในของ PCB ได้ง่าย ประสบการณ์ในโรงงานสอนให้รู้ว่า การป้องกันด้วยการออกแบบและการควบคุมกระบวนการอย่างรอบคอบนั้นถูกกว่ามากและน่าเชื่อถือกว่าการซ่อมแซม