Добрый день!
На одном из наших устройств вылезла проблема с беспричинным зависанием. Опытным путем установили, что с большой степенью вероятности вина - ненадежное паянное соединение BGA чипа (на некоторых экземплярах устройств сбой проявляется при механическом воздействии на плату/чип).
Рентген показывает, что оплавление прошло успешно (сплавление пасты и шарика, видно пятно контакта с проводником печатной платы). По крайней мере, явного криминала не видно. Я предполагаю, что проявляется какой-то эффект плохой адгезии припоя к печатной плате (я не специалист в печатном монтаже).
Проблема заключается в том, что было произведено порядка тысычи устройств, нужно отбраковать дефектные. Но сбой проявляется крайне нестабильно (плата может работать две недели без сбоев, а потом за одни сутки зависнуть 5 раз).
Подскажите пожалуйста, как можно "усугубить" плохой контакт? Что можно почитать для "чайников" по этому поводу?
Заранее спасибо!

Термоциклирование? Виброиспытания?

Да, мы думаем именно так же. Хочется узнать про методики и тд.
Насколько я понял из объяснения нашего технолога SMT, брак произошел (исследовали одну из сбойных плат) вследствии отслоения никеливой подложки от меди.

Есть два варианта, как ускорить появление потенциальных дефектов - климатика и тряска.

На низких/высоких температурах может дефект вылезать, минус данного метода в том, что долго 1000 плат так прогонять. Если, коконечно не группами. Но задача состоит в том, чтобы изделия еще были запитаны и проконтролированы на минусе и плюсе. Тут два варианта: либо ваша функциональная проверка по какому-то интерфейсу (как ваше изделие общается с ПК), либо периферийное сканирование (так как,судя по тому, что у вас BGA, изделия, я так понимаю, цифровые).

Тряска - тоже хороший вариант. Трясти можно хоть по 100 штук, сколько прикрепите к вибростенду.. Потом после тряски - контроль. Авось нехорошие соединения после тряски отвалятся.

Да, мы думаем именно так же. Хочется узнать про методики и тд.
Насколько я понял из объяснения нашего технолога SMT, брак произошел (исследовали одну из сбойных плат) вследствии отслоения никеливой подложки от меди.

Эй-эй, не спешите так сразу отправлять платы на механические испытания и климатику.
Корпуса BGA надо приклеить к платам Underfill-ом. Это специальные такие клеи, как раз для перепадов температур и демпфирования мех. нагрузок.
В этом семействе есть материалы с разными свойствами, приклеить можно и после пайки.
а то после термоциклов, тряски и ударов вообще все отвалиться может!
Покрытие площадок, скорее всего - золото по подслою никеля.
Попробуйте перейти на ПОС - он дает более пластичное и надежное соединение.

Ну да, ну да! Точно! И что же за покрытие печатных плат такое - ПОС? Более надежное и пластичное! Да еще и под BGA!

Underfill зачем? Разьве есть повышенные требования к вибростойкости?

После темо- вибро- испытаний как раз и станет ясно в чем проблема: "Где тонко там и рвется!".

Если трещина между золотом и никелем, а шарик расплылся нормально, то единственный метод обнаружения- рентгеноконтрастная жижа, которая впитывается в трещину. Например керосин с очень мелкодисперсными солями бария. порошок должен быть субмикронный. Т.е взять у медиков рентгеноконтраст для желудочных исследований и размалывать его с керосином в шариковой мельнице. Перед применением взболтать ультразвуком. Глубоко барий не залезет, но на рентгене будет виден ободок-перстень на дефектной площадке. Правда отмыть потом плату от этой мазюки- целое дело.

Не всегда пайка виновата, сам чип или партия могут быть глючными. У нас все софтом отлавливается, редко когда на климатику отдаем тем более рентген, который мало что покажет, уж это из практики. Думаю, тут вы просто денег пожалели на хороший тестовый софт. Еще вам разводу платы могли сделать так чтобы глючило. Такое много раз видели с BGA чипами на многослойках, ... Материал платы, его сертификт оч важная тема.

Дима, нестабильные отказы могут быть вызваны многими причинами, как справедливо указали выше:
- дефект компонента;
- расслоение печатной платы (перегрели плату или использовали материал не той температурной стойкости; для BGA - должен быть материал класса FR-4 HiTg или FR-5);
- дефект пайки (качество пасты или флюса, техпроцесс, термопрофиль ...);
- ошибка разводки печатной платы.

Виброиспытания вполне могут угробить всю партию ваших плат, как метод отбраковки - не годится.
Проводятся виброиспытания если есть требования к стойкости по механическим воздействиям, тогда заливать Underfill-ом, (а также приклеивать все корпуса, тяжелые элементы крепить хомутами и т.д. и т.п. - целый комплекс мероприятий, надо прерабатывать всю конструкцию) и проводить выборочно на нормально работающих платах.
Термоциклирование, как я думаю, более результативно для отбраковки. Работоспособность платы проверяют при повышенных и пониженных температурах, прямо в камере. Предварительно должно быть нанесено влагозащитное покрытие.
А как вы защищаете ваши платы от влаги ? под корпусом BGA ?

Что касается покрытия контактных площадок печатных плат, если выбирать между золотом и ГорПОС61 (ZZmey, вы уж извините, что на вашу технологическию грядку влезла), то тут советы технологов по монтажу диаметрально различаются (ZZmey, прошу, не кидайтесь на меня).
Технологи по монтажу любят работать с золотом, оно, несомненно, дает гораздо лучшую плоскость, проще работать.
В производстве печатных плат - золотое покрытие также проще. С ПОС-ом - сложнее устанавливать, но вполне можно, если шаг BGA не слишком мелкий.
(Для сведения, ZZmey, мои платы с BGA + ГорПОС61 исправно работают уже более 4 лет).
Отдаленные во времени наблюдения за изделиями приводят к выводу, что ПОС дает более надежное паяное соединение.
Кроме того, при нарушении технологии пайки, на платах с золотом спустя год или более возможен дефект типа "черная ножка".
Для ответственных применений - только ПОС - рекомендация Акулина.

Всем большое спасибо за советы!
Изделие предназначено для эксплуатации в помещении, поэтому никаких защит от влаги и тряски не предусмотрено


Да, про рентген согласен. Мне кажется, что он способен отловит толко грубые вещи - откровенный непропай, либо замыкания шаров. А что Вы подразумевате под "хорошим тестовым софтом"?

Полагаю речь идет об использовании JTAG по прямому назначению, когда все пины можно пощупать не выпаивая чип из платы и проверить на наличие обрывов и замыканий.

Для рентген контроля желательно площадки под BGA чипами делать с хвостиками как рекомендуют. Тогда хоть что-то можно понять.
Использованть JTAG, это да. С него начинают. Но он ограничен, да и не всегда можно все нужные пины пощупать. Мы столкнулись с такой проблемой давно, используя различные памяти с FPGA. В проект закладываем расходы на тестовый функциональный софт. Пишут профи, дорого, часто такой софт стоит дороже рабочей прогаммы. Но без него потери большие. Еcли интересует пишите в личку.

Проблема не в отсутствии контакта, а в его нестабильности.
Соответственно, возможны случаи, что при JTAG-тестировании все пройдет ОК, а при эксплуатации контакт не развалится.

Коллеги, давайте разграничим: что делать сейчас, и что делать на будущее, чтобы такая ситуация не повторилась.
Сейчас:
- еще раз провести рентген-контроль в другой фирме (с рентгеном все не так просто - нужен квалифицированный специалист);
- провести термоциклирование для отбраковки плат с дефектом;
- уточнить у изготовителя марку материала основания печатной платы (для определения возможности ремонта платы)

Так, к слову...

Был опыт с HDI-платами (много слоев с узкими нормами и несколькими уровнями via и микро-via), когда в результате пайки оплавлением плата приходила в негодность, причем жила в течение от нескольких дней до месяца-двух после монтажа, и потом начинали проявляться микротрещины в дорожках - именно микротрещины, а не отслоения, так как после снятия микросхем обнаруживались обрывы дорожек, причем прямо на слое top, а не в переходных отверстиях. Проблема оказалась локализована именно около КП BGA корпусов, и была решена применением более дорогого материала с более высокой температурой стеклования (правда, тут не факт, что это вся правда - это то, что я знаю, а производитель ПП мог и еще что-то подкрутить в технологии, кроме смены материала, либо в той неудачной опытной партии сэкономить на материале вообще). При этом вибро- и термоиспытания неудачных плат "рвали" дорожки буквально на глазах (термо - нагрев BGA корпусов, идентичный нагреву ремонтной станцией), а после смены материала проблем не обнаружилось.

А изначально подозревали именно отслоение в пайке шаров. Ан нет... Качественный материал залог успеха

Так вроде задача в том и состоит, чтобы потенциально дефектные сразу отвалились и "на помойку", а не пытаться замазать мылом (клеем) бензиновый бак (BGA) на всю "жизнь" железки. Вот SM про это правильно подсказывает - возможно изначально материал платы плохой - китайцы, например, частенько на этом "жулят".
IMHO - это правильно(тренировать), т.к. получать рекламации от заказчика будет дороже со всех точек зрения.
Совет насчет ПОС хорош, при условии возможности его применения. Ведь неизвестно, с какими выводами применены компоненты - может они бессвинцовые, да еще и с висмутом. Тогда смесь свинцовосодержащего припоя и висмутосодержащего покрытия на выводах приведет к негодности все печатные узлы (не сразу, месяца через два-три).
По моей практике наиболее эффективны термоудары в нескольких циклах, если говорить о "разрушающих" методах отбраковки и технологической тренировке. Но и они 100% результата не дадут. Все равно будет вероятность того, что дефектное изделие "проскочит". Другое дело, что это даст наибольший отсев дефектных изделий. Если добавите тряску - количество отсева увеличится. Но, если количство дефектных будет большое (тут уж сами прикидывайте "свой процентный пороговый барьер") - то имеет ли смысл вообще выпускать в жизнь такую партию изделий?
Как правило, если корпуса компонентов рассчитаны на хранение от минус 50 до плюс 85 и печатная плата для automotive ( по IPC ), то берете две климат-камеры, в одной - одна предельная температура (минус 50 или минус 60), в другой - другая (плюс 60). Выдерживаете два часа ПОСЛЕ установления температуры - перекидываете быстро в другую, и так трижды-четырежды. Потом тряска на 25 Гц в течении минимум 30 мин в перпендикулярном направлении к плоскости платы. Время выдержки зависит от массы изделия. Указанное время для массы не более 2 кг. Все испытания можно делать без подключения питания.
Если есть подозрения в отслоении никеля от меди - попробуйте в ДОЛОМАНТ обратиться (он же FAST) у них был очень хороший инженер по рентген-контролю и аппаратуре. Возможно и там смогут помочь отбраковать. Во что по деньгам обойдется - не знаю.
Ну, а первым-наперво нужно убедиться, что дорожки clock-сигналов (и аналогичных по требованиям) проложены корректно в pcb. Возможно, после критического анализа и климат-камер не потребуется. Только с конструктором pcb не переругайтесь сильно ;) .

По опыту с теми моими глючными образцами - трясти эффективнее в горизонтальном направлении, вдоль платы, микротрещины быстрее проявляются. Я тряс во включенном состоянии при запущенном на плате тесте, так вот вертикально можно было трясти полчаса без сбоев, а горизонтально - в секунды, а то и в десятые доли, после включения трясучки (у меня было 50 Гц смещение +-3мм) сбой выявлялся. Основная проблема такого теста, что провода, подводящие питание, отваливаются быстрее, чем время на тест, и нередко вместе с разъемом (лопаются ноги у него - был в дырки запаян, отлететь от пайки шансов не было, так ноги поотломались. так сказать побочный эффект). Эту проблему я так и не решил тогда.

тяжелые элементы должны быть предварительно закреплены на плате, например, приклеены (если нет специально предусмотренного крепежа).

Бесполезняк. Плата то не предназначена для работы в условиях такой жестокой вибрации - клей мертвому припарка, отлетает раньше перелома ног, а разъем с крепежом других денег стоит, и собственно там не нужен. Однако надо трясти плату именно при работе, чтобы выявить некачественный материал печатных плат. Наверное надо оснастку какую то делать, чтобы отлетающий разъем прижимала и фиксировала на время теста.

Такой эффект зависит от того, какие элементы (высота, вес) и какая консоль из компонента образуется при приложении усилий к компонентам или фурнитуре на плате. Есть элемент высокий - то тогда нужно до тряски предусмотреть ограничение возникающиего воздействия дополнительной оснасткой (если конечно, узел для этого не был предназначен). Иначе получается, что к узлу применяют воздействия, на которые он не рассчитан.
Часто отваливаются smd-дроссели/катушки с броневым седечником- т.к. у них сердешник держится только за счет самого ферромагнетика-стержня внутри катушки. Такие элементы, как правильно подмечено Jul, необходимо обязательно предварительно клеить (или одновременно с пайкой, если позволяет линия).
Что касается направления - выбор может быть индивидуален, кроме того, я не указал амплитуду воздействия/ускорения - а это существенный момент.
Это должен задавать конструктор узла. При неправильно выбранном можно сломать даже очень крепкую железку.
В моих случаях удвоенная амплитуда - 0,5...2мм или соответствующие ускорения (т.к. частота переходная, то может быть и так и так). 6мм -это очень сильное воздействие(я бы сказал, зверское), неудивительно, что у вас все оторвалось. Обычно 4 мм задают при испытаниях(максимум), и то на частотах ниже 16 Гц. А тут 50Гц!. Это что же за стенд у вас?! Снарядами, что ли испытывали?
В вашей ситуации, чтобы не отваливались разъемы - наверное нужно было их или отпаять совсем и испытывать с проводами, или придавить разъем к плате дополнительным креплением. Хотя, при таком перемещении на такой частоте, там вообще все поотлетать должно.

не могу сказать, опознавательных знаков не обнаружено. Уверен лишь в одном - приводится это дело электромагнитом - катушкой, прямо от сети 220 вольт, трясет он горизонтальный обрезиненный столик, в котором имеются отверстия мод винты М4 для закрепления чего либо. По принципу работы очень напоминает плоскошлифовальную машину. Смещение не 6 мм, это я ошибся. Смещение всего 3 мм, то есть +-1.5, но это тоже неслабо, и вариантов изменения как частоты, так и смещения нет (ну разве что от другой частоты запитать). И еще сверху подается воздух нужной температуры от окр. среды и до ... много в общем до..


Однако, не совсем. Модуль памяти содимм, находящийся в обычном самом что ни на есть ширпотребном содимм-разъеме, без каких либо доп оснасток, прижимов и крепежей, никуда не улетел (правда вот это очень от направления зависит - при желании "вытряхнуть" на раз можно), да и разъем целехонек. Отлетает то, к чему провода подсоединены, идущие наружу, ну и по первости SD-карта из разъема, причем метра аж на полтора-два - пока ее винтом к плате не прижал.

Однако на этой садистской машине все браки изготовления ПП обнаруживаются на раз

Смещение все же даже для 50 Гц очень большое. Скорее всего там менее 0,5мм(в пересчете с укорения) - иначе просто разнесет сам стенд.
На частотах выше 25 Гц устанавливают(и измеряют) ускорение, а не смещение.
Проверьте все же ваши данные.

Точно 3 мм, это я сам измерял первым делом, как включил эту машину. Но в первом сообщении просто перепутал размах с амплитудой.

ускорение я даже как-то и не подумал прикинуть, сейчас посчитал... Мда. Действительно должно все нахрен разнести. Однако, не разнесло

А, с другой стороны, если глянуть на параметры плоскошлифовальных машин, а они по сути тоже самое, так там 3 мм это самый средний ход платформы, при том, что частоты обычно от 100 герц и до... ужос.

Скорее всего попалась медная фольга с большими внутренними напряжениями, часто вызывается использованием позитивного процесса с очень тонкой базовой фольгой - при гальваническом наращивании иногда образуется сильно напряженный слой. Еще при электролитическом наращивании бывает наводороживание, но это редко. Мораль - по возможности использовать более грубые проектные нормы и бОльшую толщину базовой фольги (до наращивания).