板级可靠度服务(Board Level Reliability Service)
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板级可靠度概念 |
元件经表面贴装制程固定于印刷电路板上后的可靠度验证称为板级可靠度（Board Level Reliability）。板级可靠度主要是探讨联结 “封装元件” 与 “电路板”之间的锡球焊点可靠度。
随着科技的迅速发展，可携式电子产品趋向于轻、薄、短小、功能多的方向，同时环保意识抬头，导致无铅焊料与无卤电路板逐渐地取代有铅焊料（又名锡铅焊料）与有卤电路板于电子产品上，使材料渐偏向于脆性材料。
产品在使用或者搬运过程中受到碰撞或掉落时，电路板与封装元件间的锡球（solder ball）焊点在动态荷载下极易发生破裂，由于焊点在可携式电子产品趋势的发展也趋于微小，对于产品焊点的可靠度越来越面临更严苛的挑战，所以板级试验越来越受到业界的重视。
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板级可靠度（Board Level Reliability） |
封装是以建立各层级间介面结合（Interconnection）为基础的技术，如下图所示，其制程技术以五个不同层级区分：
- 第零层级（晶片层级介面结合）─ IC晶片上的电路设计与制造。
- 第一层级（单晶片或多晶片模组）─ 将IC晶片封装于壳体中，并完成电路及密封保护的制程又称为模组（Module）或晶片层级封装（Chip-level Packages）。
- 第二层级（印刷电路板，PCB）─ 将第一层级封装完成的元件组合于电路卡上的制程。
- 第三层级（母板）─ 将数个电路版组合于主机板（Board）上成为次系统的制程。
- 第四层级（电子产品）─ 将数个次系统组合成为一完整的电子产品（Gate）的制程。
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图-1 电子封装的五个层级封装技术
板级可靠度范围属于电子封装的五个层级封装技术中的第二层级组合结构的可靠度。
在 IPC 9703 规范中又将板级可靠度细分为元件板级试验与系统板级试验。其中元件板级试验指的是使用一个简化的测试板，测试板上仅包含单一种元件，分成不同的组别进行测试，而且可能存在在一块电路板上含有多个相同元件，此级所使用测试板不需要与最终系统产品的电路板类似；而系统板级试验则表示使用于系统板上所有主要元件的试验，其使用验证元件为实际元件或等效的测试元件。本标题所使用的板级可靠度为元件板级试验。
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菊花链设计（Daisy Chain Design） |
为了在板级可靠度试验过程中能监测到元件中所有的焊点品质，电路设计将在元件和电路板内经由菊花链设计使组装后的焊点形成网路，通过侦测网路的通断来判断锡球焊点是否失效。
在此设计下，不管元件中哪个锡球发生断裂，侦测设备即可发现失效产生。
闳康科技可协助客户设计符合 JESD22-B111、JESD22-B111A、 JESD22-B113 与 IPC-9701 规范的测试板的设计服务。
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图-2 菊花链设计线路 |
图-3 JESD22-B111规范之测试公板外观尺寸 |
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上板制程 ─ 表面元件黏着技术服务（Surface Mount Technology） |
板级可靠度测试必须先经过表面黏着技术将元件和测试板做连结的步骤，也就是俗称的上板。
此方法有别于传统封装体插孔的方式，表面黏着技术首先将在测试板焊垫表面涂布锡膏（Solder Paste），搭配定位仪器将封装体精确的放置在锡膏上，再经过回焊作业将元件紧密的黏着在测试板上，如下图所示。
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图-４ 表面黏着技术示意图 |
为快速服务客户并提供稳定之产品品质，闳康科技已建置一条SMT实验线，可协助客户打件组装服务、锡膏量自动检查及进行Cpk计算。
回焊炉（Reflow）更可提供氮气与含氧量管制，使焊点品质更佳化。
此外，对于晶圆级产品（WLCSP），闳康提供客户底胶（Underfill）的加工制程服务；为了因应元件小型化的需求，闳康亦提供精度达0.25 mm Pitch 的置件机（Mounter），领先国内同业的水准。
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图-5 闳康科技SMT流程图 |
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板级温度循环试验（Board Level Thermal Cycling Test） |
目的：
评估表面贴装元件在温度疲劳效应下，焊点材料潜性与塑性应变变形的情形，进而评估元件焊点的热疲劳寿命。
失效判断准则：
一般此试验是参照 IPC-9701 规范执行，其试验条件要求如下表所示，如果焊点阻值增加 20% 时，则判定为失效。
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图-6 即时阻值量测曲线 |
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板级跌落试验（Board Level Drop Test） |
目的：
评估和比较可携式电子产品上的表面贴装元件应用在跌落加速环境下的性能，电路板的过度弯曲容易导致产品失效。
根据JEDEC22-B111 的标准执行掉落冲击测试，将试片四个角落利用螺丝固定在掉落试验机的基座（Base Plate）上，再将掉落平台（Drop Table）升高到特定高度，然后使其自由落下，撞击到机台上的撞击面（Strike Surface），在此同时会测量这次冲击的最大冲击加速度（Peak Acceleration）和速度改变量（Velocity Change）以及冲击时间（Pulse Duration Time） ，常见执行条件为1500g/0.5ms。
失效判断准则：
当电阻即时监测系统（Multi Event Detector System）侦查到一个讯号大于1000欧姆后，在接下来的五次撞击中有出现过三次电阻值大于1000欧姆，并且时间持续1毫秒或者更长，则判断这个元件为失效。
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图-7 冲击设备与试验曲线示意图 |
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板级单向弯曲试验（Board Level Monotonic Bend Test） |
目的：
确定板级元器件互连对非周期板组装和测试操作过程中弯曲载荷的抗断裂力。
失效判断准则：
一般此试验是参照 IPC-9702 规范去执行试验，如果焊点阻值增加 20% 时，则判定为失效。
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图-8 IPC-9702试验测试照片 |
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板级循环弯曲试验（Board Level Cyclic Bend Test） |
目的：
表面贴装元件在实际应用中，电路板会遇到一些疲劳性弯曲效应，例如手机上按键动作等。板级循环弯曲试验一般被应用来评估焊点的弯曲老化效应，此试验是参照 JESD22-B113 规范去执行试验，常见条件为 1Hz/2mm。
失效判断准则：
當電阻即時監測系統（Multi Event Detector System）偵查到一個訊號大於1000歐姆後，若此訊號發生在1000循環則在接下來測試100循環中的再發現九次電阻值大於1000歐姆，並且時間持續1毫秒或者更長，則判斷這個元件為失效。
图-9 JESD22-B113测试示意图 |
图-10 循环弯曲测试曲线 |
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应变量测（Strain Measurement） |
目的：
对 SMT 封装在 PWB 组装、测试和操作中所受到的应变和应变率水准进行客观分析。
在机械工程学里，形变定义为由于外力作用而造成的形状改变，这外力可能是拉力、推力、剪力、弯力或扭力…等，形变时常是用应变Strain 来描述；而应变Strain是单位长度的伸长量，因此应变为一个比值，没有单位。
应变(ε)：一结构物受到外力作用时，在结构物中产生很微少的伸长或压缩变形，此变形与原始结构物长度比值。
公式标记为：
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失效判断准则：
元件焊点也会因为电路板（PCB）的变形而使焊点开裂，为了了解多少电路板变形量会导致焊点失效，会使用应变规黏贴在 PCB 上去量测应变变化量。一般此量测是参照 IPC-9704 规范去律定如何黏贴应变规，如果焊点阻值增加 20% 时，则判定为失效。
图-11 受外力产生变形 |
图-12 应变量测示意图 |
闳康针对板级可靠度提供了一条龙测试服务，客户只要提供要验证的元件，闳康科技可提供板级可靠度验证所需的 PCB Layout、PCB 制作、SMT、可靠度验证、寿命估算及失效分析等服务，亦能提供相关技术咨询，帮助客户解惑。
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图-13 闳康科技板级可靠度一条龙服务 |
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常见问题 |
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Q1. Mechanical shock 可以做到几G ? |
A. 最大12000G；常见为10000G，0.2mS~0.25mS 及 1500G 0.5mS。
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Q2. 是否可以进行 cyclic bending ? |
A. 可依客户需求进行治具设计并执行Cyclic bending，但无同步应变规量测功能。
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Q3. 可否进行三点与四点 bending ? |
A. 可以执行(特别尺寸需制作治具)IPC 9702/IPC 9704 三点或四点Bending。
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Q4. 动态量测方式有哪些呢 ? |
A. 黏贴单轴或三轴应变规量测 或以 Event detector/Data Logger 进行量测。
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Q5. 产品失效可以做什么样的 FA ? |
A. 3D X-Ray 或 红墨水试验。
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