CN104360187A - 一种bga焊点环境应力筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种BGA焊点环境应力筛选方法，包括以下步骤：a)随机选取n个BGA焊点样品，其中n≥5，对所述BGA焊点样品进行环境应力筛选处理；b)对经步骤a)处理的样品进行综合应力处理，包括：对经步骤a)处理的样品进行进行第二温度循环处理、随机振动处理和电应力处理，并记录样品的失效时间，根据所述平均失效前处理时间，对所述BGA焊点进行筛选。本发明还提供了一种所述的方法在制备电子产品和机械设备中的应用。

Description

一种BGA焊点环境应力筛选方法

技术领域

本发明涉及电子产品的封装，具体涉及一种BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)焊点环境应力筛选方法。

背景技术

随着电子产品向便携式、小型化，网络化和多媒体方向的迅速发展，对多芯片组件的封装技术提出了更高要求，新的高密度封装技术不断涌出，BGA(BallGrid Array，球栅阵列)就是近年来兴起的新型高密度封装工艺。BGA改变传统封装采用的周边引线方式，变成在基板下面面阵排列引出脚，并将引出脚改为Pb/Sn焊料凸点。与传统的封装形式相比，BGA具有单位面积上的I/O数多，引线电感和电容小，散热效果好、对位要求低等优点，从而使其逐渐成为现代封装技术的主流。由此可见，BGA焊点的使用寿命已成为影响电子产品质量与可靠性的关键因素。因此，对电路板BGA焊点进行环境应力筛选也变得尤为重要。

近年来，随着可靠性试验技术的发展，加速寿命试验逐渐成为鉴定产品的可靠性寿命的主要手段之一。所谓加速寿命试验，即是在不引入新的失效机理的前提下，通过采用加大应力的方法促使样品在短期内失效，以预测产品在正常工作条件或储存条件下的可靠性的试验。它以实验为手段，通过记录分析高应力下试验样本的失效数据，得到该应力下的样本总体的寿命特征，再外推样本使用应力下的寿命特征。加速试验一般有两种用途，其一是定性加速试验，主要用于确认产品的失效模式和失效机理；其二是定量加速试验，亦即加速寿命试验，主要用于预测产品在使用条件下的寿命特征。对于前者而言，加速寿命试验无疑是十分有效的，因为在加速条件下，较高的应力能使产品的薄弱环节尽快地暴露出来，从而发现设计生产环节的缺陷；而对第二种用途而言，情况比较复杂，因为很难建立起加速条件和使用条件下产品失效特征的对应关系，并且也没有任何一种加速寿命模型能够精确的描述产品的寿命-应力关系，也没有一种加速模型能够适用于多种产品。同时，BGA焊点的制造工艺和方法很多，难以确定一种合适的方法对其进行环境应力筛选，使得不仅能够恰当地筛选出处于早期失效期的BGA焊点，又不至于给其他焊点带来过多的疲劳损伤。

目前，BGA焊点的寿命参数评估有两种方法：1)现场数据统计法；2)利用加速寿命试验获取试验数据，然后进行统计分析。现场数据统计法是通过收集现场使用的故障数据，然后对数据进行统计处理，进而实现对BGA焊点寿命评估。但现场数据分布区域广，数据收集周期长，因此通过现场数据对BGA焊点的寿命进行评估比较困难。利用加速寿命试验获取试验数据，可以弥补上述缺点。但目前常用的3种加速寿命试验方法，即恒定应力加速寿命试验方法、步进应力加速寿命试验方法和序进应力加速寿命试验方法，均不能实现快速获得BGA焊点寿命数据的目的，主要原因是：恒定应力加速寿命试验需要分组试验，试验周期长；步进应力和序进应力加速试验数据不适用于最佳BGA焊点的寿命估计模型—Engelmaier-Wild模型。

发明内容

针对以上不足，本发明提供了一种BGA焊点环境应力筛选方法，包括：综合应力试验、快速温度循环试验和寿命回归等试验步骤，在较短时间内快速激发出样品的潜在缺陷，从而能迅速优选出最佳BGA焊点工艺方法。本发明还涉及选取合适数量的最佳BGA焊点样品，通过快速温度循环试验在短时间内获取足够的样品寿命数据，并应用Engelmaier-Wild模型估算出BGA焊点的平均失效前时间(平均寿命)。

本发明的第一个实施方式涉及一种BGA焊点环境应力筛选方法，包括：

a)随机选取n个BGA焊点样品，其中n≥5，对所述BGA焊点样品进行环境应力筛选处理，包括对所述样品进行第一温度循环处理，所述第一温度循环处理为以将样品加热至温度T_e-max并保持时间t_e-u，随后以Re(℃/min)速度将样品温度冷却至T_e-min并保持时间t_e-d为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录样品失效前的处理时间；

b)对经步骤a)处理的样品进行综合应力处理，包括：对经步骤a)处理的样品进行进行第二温度循环处理、随机振动处理和电应力处理，并记录样品的失效时间；其中所述第二温度循环处理为以将样品加热至温度T_c-max并保持时间t_c-u，随后以R_c(℃/min)速度将样品温度冷却至T_c-min并保持时间t_c-d为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～n号样品失效前的处理时间t₁、t₂、…、t_n，以式(I)计算得到平均失效前处理时间；

${\mathrm{MTTR}}_c=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i---I$

根据所述平均失效前处理时间，对所述BGA焊点进行筛选。

在本发明的一个优选实施方式中，所述T_e-max在70～85℃的范围内，T_e-min在-45～-25℃的范围内，R_e在15～25℃/min的范围内，t_e-u在10～30min的范围内，t_e-d在10～30min的范围内。

在本发明的一个优选实施方式中，所述T_c-max在95～125℃的范围内，T_c-min在-55～-35℃的范围内，R_c在25～60℃/min的范围内，t_c-u在10～30min的范围内，t_c-d在10～30min的范围内。

在本发明的一个优选实施方式中，所述随机振动处理在5Hz～500Hz的范围内随机振动，ASD(加速度谱密度)量级为11.83～545.2(m/s²)²/Hz。

在本发明的一个优选实施方式中，所述综合应力实验是将所述BGA焊点样品安装在振动平台上，且使所述振动平台的振动方向垂直所述样品。

在本发明的一个优选实施方式中，所述电应力处理为：在整个试验过程中给试品上电，并全程进程测试，其上电电压为试品的额定电压。

在一些方法中，还可对本发明的方法筛选得到的BGA焊点进行寿命预测，具体方法如下：

c)对经步骤b)处理的样品进行第三次温度循环处理，其中所述第三温度循环处理为以将样品加热至温度T_q-max并保持时间t_q-u，随后以R_q(℃/min)速度将样品温度冷却至T_q-min并保持时间t_q-d为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～n号样品失效周期循环次数N_f1、N_f2、…、N_fn，以式(II)计算得到平均失效周期循环次数

${\stackrel{\‾}{N}}_f=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{fi}}---\mathrm{II};$

d)使用式(III)所示模型计算加速因子，

AF＝N_f-use/N_f-test＝(ΔT_use/ΔT_test)^-1.9×(f_use/f_test)^1/3×[exp(1414/T_use-max-1414/T_use-min)]

                     III

式(III)中：

AF表示加速因子(循环数-焊点循环疲劳寿命)；

N_f-use表示使用循环次数；N_f-test表示试验循环次数；

ΔT_use表示使用温度变化值(℃)；ΔT_test表示试验温度变化值(℃)；

f_use表示使用循环频率；f_test表示试验循环频率；

T_use-max表示现场最高温度；T_test-max表示试验最高温度；

其中，N_f-test为步骤c)中计算得到的

ΔT_test＝T_q-max-T_q-min；

f_test＝525600/[t_q-u+t_q-d+2(T_q-max-T_q-min)/R_q](循环次数/年)

T_use-max＝T_q-max；

最后，利用式(IV)来计算使用平均失效前时间MTTR_use；

MTTR_use＝AF×MTTR_test(IV)

其中，式(IV)中 ${\mathrm{MTTR}}_{\mathrm{use}}={\stackrel{\‾}{N}}_f\×[t_{q-u}+t_{q-d}+2(T_{\text{q-max}}-T_{q-\min })/R_q].$

在本发明的一个优选实施方式中，所述T_q-max在95～125℃的范围内，T_q-min在-55～-35℃的范围内，R_q在15～35℃/min的范围内，t_q-u在10～30min的范围内，t_q-d在10～30min的范围内。

在本发明的式III中，T_use-max、ΔT_use和N_f-use可根据BGA焊点的实际情况从表1中获取。

在本发明的一个优选实施方式中，所述n≥32。

表1

在本发明的方法中，仅选取经步骤b)处理后筛选得到的最佳BGA生产工艺生产的BGA焊点样品进行步骤c)的处理并预测其使用平均失效前时间，即预测期使用寿命。

本发明的第二个实施方式还涉及一种上述任一项所述的方法在制备电子产品和机械设备中的应用。具体涉及消费电子产品、计算机及外围设备、电信设备、汽车、军用品(海陆)、航空器等。

本发明的有益效果：

本发明所述试验方法具有简单可靠，可操作性强，通过本发明的方法，筛选了最佳工艺的BGA焊点。另外通过预测寿命，还同时获得了所述BGA焊点的预测寿命。

本发明的另外一个优点是筛选效率高，得到的样品的回归寿命数据精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的第一温度循环处理的温度/时间示意图。

图2为本发明的综合应力处理的第二温度循环处理的温度/时间、随机振动以及电应力示意图。

图3为本发明的综合应力处理的随机振动的ASD/频率示意图。

图4为本发明的第三温度循环处理的温度/时间示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

在本发明的实施例中使用的设备如下：

用于进行温度循环处理的温度试验箱：型号：EVH360、品牌：美国Envirotronics，

技术指标：

1.温度范围：-70℃～+200℃

2.温度波动度：±1℃

3.温度均匀度：2℃

4.温度变化速率：30℃/min(机械制冷+液氮制冷)

5.湿度范围：30％～98％RH(+20℃～+80℃范围内可控)

振动台面：型号：D335、品牌:美国Ling、技术指标：

1.频率范围：2～2000Hz

2.额定推力：80kN

3.最大加速度：980m/s2

4.最大速度：2m/s

5.最大连续位移：51mm(P-P)

电应力设备：型号：E3612A、品牌：Agilent

主要特性与技术指标：

额定输出(最大电流从40°至55℃每℃降低1％)

·量程1：0至60V，0至0.5A

·量程2：0至120V，0至0.25A

·功率(最大值)：30W

波动和噪声(20Hz至20MHz)

·电压rms：200μV

·电压峰峰值：2mV

负载和线路调节率

·0.01％+2mV

仪表分辨率

·电压：100mV

·电流：1mA

额定输出(最大电流从40°至55℃每℃降低1％)

·量程1：0至60V，0至0.5A

·量程2：0至120V，0至0.25A

·功率(最大值)：30W

波动和噪声(20Hz至20MHz)

·电压rms：200μV

·电压峰峰值：2mV

负载和线路调节率

·0.01％+2mV

仪表分辨率

·电压：100mV

·电流：1mA额定输出额定输出：0～120V

电压峰峰值；2mv

负载调节率：0.01％+2mv

仪表分辨率：电压100mv，电流1mA

实施例1

a)随机选取32个语音装置(属于消费类电子产品)的BGA焊点样品，对所述BGA焊点样品进行环境应力筛选处理，包括对所述样品进行第一温度循环处理，所述第一温度循环处理为以将样品加热至温度70℃并保持时间10min，随后以15(℃/min)速度将样品温度冷却至-45℃并保持时间10min为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录样品失效前的处理时间；(本部分为环境应力筛选内容)

b)对经步骤a)处理的样品进行综合应力处理，包括：对经步骤a)处理的样品进行进行第二温度循环处理、随机振动处理和电应力处理，并记录样品的失效时间；其中所述第二温度循环处理为以将样品加热至温度95℃并保持时间10min，随后以25℃/min速度将样品温度冷却至-55℃并保持时间10min为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～32号样品失效前的处理时间t₁、t₂、…、t_n，以式(I)计算得到平均失效前处理时间；

${\mathrm{MTTR}}_c=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i---I$

c)将所述BGA焊点样品安装在振动平台上，且使所述振动平台的振动方向垂直所述样品，对经步骤b)处理的样品进行第三次温度循环处理，其中所述第三温度循环处理为以将样品加热至温度95℃并保持时间10min，随后以15℃/min速度将样品温度冷却至-55℃并保持时间10min为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～32号样品失效周期循环次数N_f1、N_f2、…、N_fn，以式(II)计算得到平均失效周期循环次数，如表1所示。

${\stackrel{\‾}{N}}_f=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{fi}}---\mathrm{II};$

表1

所述随机振动处理在5Hz～500Hz的范围内随机振动，ASD量级为11.83(m/s²)²/Hz。

在实施例中，所述电应力处理为：在整个试验过程中给试品上电，并全程进程测试，其上电电压为试品的额定电压12v。

d)使用式(III)所示模型计算加速因子AF，

AF＝N_f-use/N_f-test＝(ΔT_use/ΔT_test)^-1.9×(f_use/f_test)^1/3×[exp(1414/T_use-max-1414/T_test-max)]   III

式(III)中：

N_f-use＝365；N_f-test＝1041；

ΔT_use＝35℃；ΔT_test＝150℃；

f_use＝365循环次数/年；f_test＝1314循环次数/年；

T_use-max＝333K；T_test-max＝368K；

其中，N_f-test为步骤c)中计算得到的

ΔT_test＝150℃；

f_test＝525600/[t_q-u+t_q-d+2(T_q-max-T_q-min)/R_q]＝1314

T_test-max＝T_q-max＝95℃；

计算AF≈15.78

最后，利用式(IV)来计算使用平均失效前时间MTTR_use；

MTTR_use＝AF×MTTR_test(IV)

其中，式(IV)中 ${\mathrm{MTTR}}_{\mathrm{use}}={\stackrel{\‾}{N}}_f\×[t_{q-u}+t_{q-d}+2(T_{\text{q-max}}-T_{q-\min })/R_q].$

通过本实施例筛选的焊点的寿命长，由本实施例的方法预测都得到的MTTR_use是10951小时，实际平均使用的寿命为10000小时，二者相对误差为9.51％，也说明本发明的方法预测准确，误差小。

实施例2

a)随机选取40个列车运行地面信号系统电路板(属于电信设备)的BGA焊点样品，对所述BGA焊点样品进行环境应力筛选处理，包括对所述样品进行第一温度循环处理，所述第一温度循环处理为以将样品加热至温度85℃并保持时间30min，随后以25℃/min速度将样品温度冷却至-25℃并保持时间30min为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录样品失效前的处理时间；环境应力筛选部分

b)对经步骤a)处理的样品进行综合应力处理，包括：对经步骤a)处理的样品进行进行第二温度循环处理、随机振动处理和电应力处理，并记录样品的失效时间；其中所述第二温度循环处理为以将样品加热至温度125℃并保持时间20min，随后以30℃/min速度将样品温度冷却至-35℃并保持时间30min为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～40号样品失效前的处理时间t₁、t₂、…、t_n，以式(I)计算得到平均失效前处理时间；

${\mathrm{MTTR}}_c=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i---I$

c)将所述BGA焊点样品安装在振动平台上，且使所述振动平台的振动方向垂直所述样品，对经步骤b)处理的样品进行第三次温度循环处理，其中所述第三温度循环处理为以将样品加热至温度125℃并保持时间30min，随后以30℃/min速度将样品温度冷却至-35℃并保持时间30min为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～40号样品失效周期循环次数N_f1、N_f2、…、N_fn，以式(II)计算得到平均失效周期循环次数，如表2所示。

${\stackrel{\‾}{N}}_f=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Σ}{N}_{\mathrm{fi}}---\mathrm{II};$

表2

所述随机振动处理在5Hz～500Hz的范围内随机振动，ASD量级为545.2(m/s²)²/Hz。

在本发明的一个优选实施方式中，所述电应力处理为额定电压110V，保持试验过程中全程通电测试。

d)使用式(III)所示模型计算加速因子AF，

AF＝N_f-use/N_f-test＝(ΔT_use/ΔT_test)^-1.9×(f_use/f_test)^1/3×[exp(1414/T_use-max-1414/T_test-max)]   III

式(III)中：

N_f-use＝365；N_f-test＝2066；

ΔT_use＝35℃；ΔT_test＝160℃；

f_use＝365循环次数/年；f_test＝812循环次数/年；

T_use-max＝333K；T_test-max＝398K；

其中，N_f-test为步骤c)中计算得到的

ΔT_test＝150℃；

f_test＝525600/[t_q-u+t_q-d+2(T_q-max-T_q-min)/R_q]

T_test-max＝T_q-max＝125℃；

计算AF≈27.63

最后，利用式(IV)来计算使用平均失效前时间MTTR_use；

MTTR_use＝AF×MTTR_test(IV)

其中，式(IV)中 ${\mathrm{MTTR}}_{\mathrm{use}}={\stackrel{\‾}{N}}_f\×[t_{q-u}+t_{q-d}+2(T_{\text{q-max}}-T_{q-\min })/R_q].$

通过本实施例筛选的焊点的寿命长，由本实施例的方法预测都得到的MTTR_use是57718小时，实际平均使用的寿命为53000小时，二者相对误差为8.9％，也说明本发明的方法预测准确，误差小。

Claims (8)

1.一种BGA焊点环境应力筛选方法，包括以下步骤：

a)随机选取n个BGA焊点样品，其中n≥5，对所述BGA焊点样品进行环境应力筛选处理，包括对所述样品进行第一温度循环处理，所述第一温度循环处理为以将样品加热至温度T_e-max并保持时间t_e-u，随后以Re(℃/min)速度将样品温度冷却至T_e-min并保持时间t_e-d为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录样品失效前的处理时间；

b)对经步骤a)处理的样品进行综合应力处理，包括：对经步骤a)处理的样品进行进行第二温度循环处理、随机振动处理和电应力处理，并记录样品的失效时间；其中所述第二温度循环处理为以将样品加热至温度T_c-max并保持时间t_c-u，随后以R_c(℃/min)速度将样品温度冷却至T_c-min并保持时间t_c-d为一个周期循环，对所述样品进行多次周期循环处理直至样品失效，并记录1～n号样品失效前的处理时间t₁、t₂、…、t_n，以式(I)计算得到平均失效前处理时间；

${\mathrm{MTTR}}_c=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i---I$

根据所述平均失效前处理时间，对所述BGA焊点进行筛选。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述T_e-max在70～85℃的范围内，T_e-min在-45～-25℃的范围内，R_e在15～25℃/min的范围内，t_e-u在10～30min的范围内，t_e-d在10～30min的范围内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述T_c-max在95～125℃的范围内，T_c-min在-55～-35℃的范围内，R_c在25～60℃/min的范围内，t_c-u在10～30min的范围内，t_c-d在10～30min的范围内。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述随机振动处理在5Hz～500Hz的范围内随机振动，ASD量级为11.83～545.2(m/s²)²/Hz。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述综合应力实验是将所述BGA焊点样品安装在振动平台上，且使所述振动平台的振动方向垂直所述样品。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述电应力处理为：在试验过程中全程通电测试，其通电电压为所选焊点的额定电压。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述n≥32。

8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的方法在制备电子产品和机械设备中的应用。