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2012年11-12月

asia 中 国 电 子 制 造 技 术 的 权 威 杂 志

16

专题文章

可提高细间距 WLCSP 可靠性的底部填充剂

22

专访

Dynamo™——引领便携式产品的全新制造理念

24

测试与测量

应用片上DFT提高DDR存储器的测试效率

封面特写

大尺寸FC BGA焊盘缩 孔的声发射技术研究 P09

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asia 中 国 电 子 制 造 技 术 的 权 威 杂 志

Contents

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目录

2012年11-12月

asia

09 COVER STORY 封面特写

中 国 电 子 制 造 技 术 的 权 威 杂 志

16

大尺寸FC BGA焊盘缩孔的声发射技术研究

专题文章

在大尺寸倒装芯片BGA(FC BGA)的电子组装中,过大的印制电路板 弯曲容易造成焊盘缩孔或者导致金属间化合物(IMC)的脆性失效。电 气测试或者非破坏性检测方法并不能检出焊盘缩孔的裂纹,这些裂纹 构成了长期可靠性上的风险,因其会在随后的负载中逐步扩大而最终 引起电气失效。由于焊盘缩孔最初不会导致即时失效的电信号,因此 对该失效的定位检测具有极大的挑战性。近来,本文作者开发了一种 利用声发射方法来检测焊盘缩孔的肇端。在存在内部裂纹的情况下, 弹性能量的瞬间释放,也就是声发射(AE),就可以准确地侦测到焊 盘缩孔和IMC的脆性失效。

可提高细间距 WLCSP 可靠性的底部填充剂

22

专访

Dynamo™——引领便携式产品的全新制造理念

24

测试与测量

应用片上DFT提高DDR存储器的测试效率

封面特写

大尺寸FC BGA焊盘缩 孔的声发射技术研究

Anurag Bansal、Cherif Guirguis、Kuo-Chuan Liu — Cisco Systems, Inc.

P09

FEATURES 专题文章

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16

可提高细间距WLCSP可靠性的底部填充剂 Brian J. Toleno, Stanley Hu, Hoseung Yoo, Rong Zhang — 汉高电子 材料有限公司

20

混装工艺条件下BGA应力断裂问题研究 贾忠中 — 中兴通讯股份有限公司

20 24 T&M 测试与测量

BST: 1.6s (4*10E7/25M)

BST: 0.25s (500000/2M)

应用片上DFT提高DDR存储器的测试效率

测试时间 / 秒

ICT: 10ms (20000/2M)

ICT: 0.14ms (286/2M)

24

测试电路板上的DDR内存已经愈加困难了,它们中的大部分并不具备 片上可测试性设计(on-chip DFT)的特性,缺少足够的测试通道。 为DDR内存提供正常运行所必需的精准定时信号以及应用在测试中就 是一个极大的挑战。虽然内存控制器中的边界扫描技术有助于解决通 道问题,但在边界扫描的串行环境中实现所要求的信号协议的困难程 度却在不断上升。 John Pendlebury — Agilent Technologies, Inc. EM Asia-China is published six times a year by Contineo Media Pte Ltd, located at 67 Ubi Avenue 1, #06-06 StarHub Green, North Wing, Singapore 408942. All rights reserved. Please address all subscription mail to EM ASIA-China at the above address, or Fax (65) 6521 9766. Annual air-speeded subscriptions for non-qualified subscribers is US$125. Single copies are available for US$25. EM ASIA-China Volume 9, Number 6.

2012年11-12月

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Contents

目录

03 Comment 评论 量与质

04 NEWS China 中国新闻 22

• • • • • • • • •

信息产业实现“中国崛起” 中国光通信市场将保持稳健增长 我国3G用户数快速增长达到2.1亿户 国家针对光伏产业的鼓励政策密集出台 工信部正式发布中国半导体照明综合标准化技术体系 中国液晶电视消费量急剧回落 2012全年空调销量预计降10.5% 库存量激增 我国物联网应用领域芯片80%来自国外 我国元器件产业在逆势中稳定发展

06 Industry Information 业界动态 28

• • • • • • • • •

今年全球光伏市场增速将放缓 全球电视出货量年同比下降7% 今年第三季度全球PC芯片出货下滑 Gartner看淡半导体成长 下修半导体产值年增率 2013年全球智能机出货量同比将增长30% 2013年智能机和平板销量将达12亿部 明年平板出货量将达2.1亿台 2013年芯片市场可成长6% 2017年新兴市场光伏需求达12GW

22 Interview 专访 Dynamo™——引领便携式产品的全新制造理念 ——访BTU国际亚太区销售总经理 郑泽平

28 Latest PRODUCTS & EQUIPMENT 近期新品

28 02

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2012年11-12月


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Comment

评论

ISSN 2010-4243

量与质

asia

Associate Publisher Kenny Fu, kenny.fu@contineomedia.com

EM Asia 执行主编 陈燕鹏

不久,大学同学聚会,回忆起30年前上学期间某某用粮票与小贩换鸡 蛋,违反校规用电炉子在宿舍里煮方便面(很让其他人流口水);某 某的一台夏普“板砖”录音机被来访的不良老乡窃走,全班男生出动

到车站进行堵截(个人唯一的高价值财物实在丢不起);实习课用散件焊接的14 寸电视机,调好后全部被学校老师买走(一般人根本搞不到电视机票),等等一 件件往事时,感慨良多。 因为1978年开始改革开放和1979年中美建交的缘故,那时已经可以从电视 报道中了解西方发达国家的社会经济生活了——高楼耸立的城市、车水马龙的街 道、琳琅满目的商场,丰富多彩的生活……,巨大的反差对生活在那个时代的人 们心理上的冲击无疑非常强烈。 之后是十年意识形态领域的激烈冲突;到1992年邓小平南巡讲话为“社会主 义市场经济”定调,推动中国经济快速增长;再到2010年中国超过日本成为世界 第二大经济体,超过美国成为全球第一制造业大国。凡是中国这30年来发展的亲 历者,无不有沧海桑田之感,更遑论那些从建国后前30年走过来的人们。 从1953年开始实施第一个五年计划,苏联援建的156个项目建成,初步奠定 国家工业化基础算起,中国用了近60年的时间初步实现了工业化。但是,由于 2008年后世界政治经济形势急剧变化,靠“量”来带动经济增长的模式已经越来 越难以持续,“质”就成为了必然的选择,这从中共十八大后媒体的各种报道和 解读中可见一斑,只是“质”的路走起来要艰难得多。 首先,虽然依靠农民工无限供给为依托的低成本加工业难以为继,招工难就 是直接的反应;可是,企业(尤其是中小企业)的经营者仍然难以摆脱靠低成本 劳力获利的经营惯性。 第二,这些年来,首先由一家企业简单仿制国外产品进行“创业”,在市场

EDITORIAL Executive Editor Chen Yan Peng, yanpeng.chen@contineomedia.com SALES & AD ADMIN Account Manager Caroline Yee, caroline.yee @contineomedia.com Marketing Manager (Beijing) Jenny Chen, jenny.chen@contineomedia.com Admin Executive Lim Yann Ming; yannming.lim@contineomedia.com Finance & Admin Executive (Beijing) Carol Xue, carol.xue@contineomedia.com Publishing Support Production Manager Pauline Goh, pauline.goh@contineomedia.com Design Manager Honess Ho, honess.ho@contineomedia.com Graphic Designer Olive Chan, olive.chan@contineomedia.com Database & Web Manager Lim Keng Boon, kengboon.lim@contineomedia.com Circulation Executive Levi Cheng, levi.cheng@contineomedia.com Circulation Assistant Tan Siok Hwa, siokhwa.tan@contineomedia.com Web Operations Executive Franco Nelo M. Sevilleja, franco@contineomedia.com Ellyshia Suciawan, ellyshia@contineomedia.com Web Developer Roger Tan, roger.tan@contineomedia.com FINANCE Finance Manager Lim Ai Ling, ailing.lim@contineomedia.com CEO Raymond Wong, raymond.wong@contineomedia.com

上获得成功后,其主要技术人员“出走”再去“创立”一家同质企业,然后是这 个过程不断重复,由此引发的恶性竞争快速压低利润,直至做烂一类产品甚至一 个行业。由于缺少对知识产权的尊重,大都抱着捞一把就走的心态,导致视创新 为畏途。 第三,现代工业的高端产品往往是高科技的综合体现,例如工业母机、成套 设备、航空发动机、超大规模集成电路等等;在缺乏基础材料、精细化工、关键 工艺方面长期研发和积累的情况下,很难在短期内形成突破。 第四,因为缺乏对知识产权尊重的意识和氛围,致使创新的核心要素——人 才——缺少健康成长和创业的土壤。 第五,由上述问题及其衍生出的种种弊端,导致很难形成工业现代化所依仗 的创新哲学和行之有效的制度。 尽管艰难,但中国经济只有实现从“量”到“质”的转变,才会有光明的未 来!EM

Published by: Contineo Media Pte Ltd SINGAPORE: 67 Ubi Avenue 1, #06-06 StarHub Green, North Wing, Singapore 408942 • Tel (65) 6521 9777 | Fax (65) 6521 9788 Advertising Agency: Contineo Media (Beijing) Co., Ltd BEIJING: Room 024, Building 8, Qijiayuan Diplomatic Compound, No.9 Jianguomenwai Street, Chaoyang District 100600, China • TEL: +8610 8532 5073 | FAX: +8610 8532 5293 Shanghai: Room 2553, The Headquarters Building, No.168 Central XiZang Road, Shanghai 200001, China TEL: +8621-5179 8360 | FAX: +8621-5179 8360 2012年11-12月 | www.emasia-china.com 03


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News China

信息产业实现“中国崛起”

标题新闻 行业要闻 前三季度电子信息制造业产销增 速趋稳 工信部印发电子认证服务业规划 工信部敲定民资进电信业细则

虚拟运营商重被提及 我国首个掺稀土光纤国家标准发 布 从跟随者到规则制定者

中国新闻

我国欲出台光伏标准 广州从信息城市向智慧城市迈进 陕西重振信息产业雄风 中国废弃电子电器产品逐年增长 或引发环保问题

示,各家3G用户规模增长跃上新台

2002年到2011年,我国规模以上

阶:中国移动3G用户数逼近8000万

电子信息制造业销售收入从1.3万亿元

户;中国联通3G用户数突破7000万

增至7.5万亿元,年均增速21.4%,产

户;中国电信3G用户数突破6000万

业规模居全球第一位。电子信息产品出

户。

口额从920亿美元增至6612亿美元,年

数据显示,10月份,中国联通当

均增速24.5%;计算机、手机、彩电等

月新增3G用户320.4万户,累计用户

主要产品产量年均增速分别达32.0%、

达7006.7万户;中国移动新增用户496

28.5%和10.1%,均占全球总产量的

万户,其中3G用户371.7万户。今年

40%以上,居世界第一,电子信息制

前10个月,中国移动累计新增用户数

造大国的地位日益突出。

5390万户,用户总数达7.03亿户,其

工业和信息化部部长苗圩指出,

中3G用户数为7931万户;中国电信10

电子信息产业是国民经济的战略性、

月份当月新增3G用户302万户,累计

基础性和先导性支柱产业,对于拉动

3G用户数突破6000万大关,达6274万

经济增长、促进产业升级、转变发展

户。10月份新增CDMA用户290万户,

方式和维护国家安全具有重要作用。

累计用户总数1.56亿户;本月中国电信

在我国向工业化、城镇化和农业现代

原有2G用户继续向3G用户转移。

化快速推进时期,信息技术和产业对

我国集成电路芯片仍待掌握核心

经济社会发展的引领支撑作用将更加 突出。

技术 杜比实验室和工信部电子知识产 权中心达成战略性合作 Flurry认为中国智能手机总量明年 一季度将超美国 中国Q3平板电脑市场增幅近63% iPad仍傲视群雄 触控屏成最新热点 市场规模将达 160亿美元 2012中国高端SMT学术会议11月 21日在桂林举办

我国物联网应用领域芯片 80%来自国外 物联网产业是当今世界经济和科

中国光通信市场将保持稳健 增长

技发展的战略制高点之一,作为新一

在数据流量快速激增、宽带提速

快速发展阶段。2011年,全国物联网

需求日渐旺盛的背景下,虽然全球经济

产业规模超过了2500亿元,预计2015

环境不太稳定,但是我国乃至全球的光

年将超过5000亿元。

代信息技术应用的重要方向,正处于

通信市场仍然保持稳健增长。随着中国

在物联网发展特别是应用领域,

电信市场投资额在全球市场中占比不断

芯片占据重要地位。目前我国物联网

攀升,在移动互联网、三网融合以及新

领域应用的芯片约80%源自国外,

型应用对带宽需求的推动下,中国光通

芯片已成为制约我国物联网快速发展

信市场开始进入新一轮高速发展期。

的瓶颈,加快芯片技术的研发和产业

“我国的光纤需求仍然旺盛”,

化,打造“中国芯”已经迫在眉睫。

中国工程院院士赵梓森预测,2020年 济发达地区仍未实现大规模的光纤网络

国家针对光伏产业的鼓励政 策密集出台

覆盖,未来光纤还将进一步走入家庭。

9月12日,国家能源局印发《太

预计到2020年,光纤网络将覆盖大部

阳能发电发展“十二五”规划》,提

分农村。据统计,在2011年全球光纤

出到2015年,中国太阳能发电装机容

安装量上,我国最多。另据ITU-T的预

量达到21GW以上,其中光伏分布式

测,2012年全球FTTx线路长度上,我

发电占据10GW。两天之后,国家能

国最长。

源局印发《关于申报分布式光伏发电

光纤市场需求仍将旺盛。目前,很多经

制造商信息 华为中兴或遭印方刁难 愿意向对 方开放源代码 中兴面临第三次危机 断臂求生再 卖子公司 联想控股十年谋动定战略:三大 板块联动

规模化应用示范区的通知》,鼓励分

联芯获9000万TD芯片研发资金 中芯国际驶入上升轨道

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400亿元投北京项目

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2012年11-12月

我国3G用户数快速增长达到 2.1亿户

布式发电项目申报。10月26日,国家

据中国联通、中国移动、中国电

式光伏发电并网服务工作的意见》,

信近日陆续公布的10月份运营数据显

大幅度降低光伏发电入网门槛,入网

电网公司向社会发布《关于做好分布


中国新闻

电压小于等于10千伏、装机容量不超

年情况有望改善。预计明年本地电视

过6兆瓦的光伏电站,全都可以申请接

市场消费量增长7%,达到4350万台。

入大电网,由国家电网公司提供全过

除非经济形势出现意外变故,否则中

程免费接入服务。

国市场将继续扩张,到2016年国内液

全球市场需求萎缩带来的产能

并网难”被认为是制约应用市场全面

2012全年空调销量预计降 10.5% 库存量激增

打开的瓶颈之一。近来一系列利好政

2012年空调销售大滑坡已经确

策,在明确发展分布式发电的同时,

定。中怡康最新发布数据显示,预计

力图突破并网瓶颈,调动投资主体的

2012全年空调销量下降10

积极性。

售额下降6.4%。由于销售低于预期及

.5%、销

部分企业为保证业绩等,目前空调市

工信部正式发布中国半导体 照明综合标准化技术体系 近日,工业和信息化部正式发布

制造商信息 鸿海巴西投资案再次启动

场库存量仍比较大,甚至某些企业的 库存量(工厂+渠道)超过了1000万

宣布砸3.6亿扩厂 传富士康将在美建制造工厂

晶电视消费量将达到5300万台。

相对过剩,打开国内应用市场被视为 突破困局的重要途径,而长期以来“

News China

以缓解缺货压力 夏普向鸿海转让三家彩电工厂 中国全通控股中兴通讯旗下移动 终端研发生产企业 高通联发科抢平板厮杀新晶片 中国龙芯将成为英特尔同级竞争 对手 中国英特尔物联技术研究院正式 投入运营

台。

了中国半导体照明综合标准化技术体

2012年的空调库存创了新纪录,

系,已经发布实施的标准54项、正在

销售下滑,企业经营陷入困境。据中

研究制定的标准73项、待研究制定的

怡康研究数据显示,前三季度,空调

标准66项,整个标准体系涉及标准已

零售总规模为2777万台和913亿元,

经达到193项。

相比2011年同期分别下降13.3%和

供应商动态 立台积电难抵苹果诱惑砸30亿美 元扩产能

业内表示,从制造技术上来

9.0%。从大盘走势来看,第一季度下

讲,LED灯具产品本身比传统灯具要

降幅度最大,零售量同比下降29.4%、

复杂许多,涵盖了半导体、灯具结构

零售额同比下降23.7%,此后市场降

和散热材料等多个行业,从上游的衬

幅逐步收窄,并在第三季度成功转

底材料、外延、芯片到器件封装以及

正。但被寄予了希望的国庆市场却未

应用,涵盖了半导体工业和照明工

能延续第三季度的回暖态势,预计

楠梓电将斥资33亿元兴建新厂

业,是各学科交叉融合的产业。中国

2012全年空调销量下降10 .5%、销售

三星选定展讯作为GPRS手机芯

的LED制造设备主要在低端领域,高

额下降6.4%。

端领域依赖进口。中国还急需制定完 善的产业标准体系,为产业的发展提 供强大的推动力。

我国元器件产业在逆势中稳 定发展 受国际金融危机的深层次影响,

中国液晶电视消费量急剧回 落 据IHS

全球经济复苏乏力。国际需求持续 低迷让国内的电子元器件产业受到拖

iSuppli公司的中国研究专

累。据权威数据显示,今年1-8月,

题报告,动荡的全球经济正在拖累中

我国电子元件行业实现销售产值9261

国国内液晶电视市场,导致该市场今

亿元,增长7.3%。半导体分立器件

年增长极其乏力。

2604.9亿只,下降4.4%;电子元件

预计今年中国国内液晶电视消费

安富利电子元件亚洲与北京市政 府签署谅解备忘录 安富利获中兴通讯授予杰出供应 商奖

片供应商 PCB厂巨橡10月营收略减 IPC中国手工焊接竞赛“OK国 际”总决赛圆满结束 IPC手工焊接竞赛“QUICK杯” 深圳分赛区报名 加大中国西部客服力度,安捷伦 建立成都开放实验室 2012 Siemens PLM Software技 术论坛在深圳成功召开

16919.6亿只,下降4.0%。

量将达到4050万台,仅比2011年的

虽然电子元器件产业增速明显放

4020万台增长1%。与2011年同比增

缓,业内人士却仍持乐观态度看待。预

长15%相比,今年的增长幅度非常可

计到2015年,我国电子元器件总产量将

怜。2010年中国内电视消费量大增至

达到5万亿只,销售收入达到5万亿元。

欲知详情,请浏览

3510万台。

电子元器件国际市场占有率达到50%,

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但是,增速下滑将是暂时的,明

国内市场占有率达到70%。EM 2012年11-12月 | www.emasia-china.com 05

asia


asia

Industry Information

业界动态

今年全球光伏市场增速将放 缓

标题新闻 数据 • 预测

IHS公司的太阳能光伏需求市场追

Gartner:三季度全球智能机份额

踪报告显示,今年全球光伏(PV)安

达39.6%

装容量增长速度将低于2011年。经济

三季度全球服务器出货增至246

不确定性和全球太阳能市场降温,导

万部 营收下滑2.8%

致市场需求走软。

三季度全球总WDM市场同比增 长14% 三季度东南亚TCG市场创新高 10月份全球平板电脑显示屏出货 量超过笔记本 第四季度PCB材料产值将季增5% 全球50寸以上面板出货量预估同 比增长约167% 台湾IC设计今年产值估4106亿 新台币 IC Insights 预估2012年全球 Top20晶片厂商营收排行 2016年智能手机总销量预达50 亿台

OEM • EMS 爱立信完成非洲电信史上最大的 网络改造项目 诺基亚西门子宣布关闭德国工厂 苹果收购逾1000项专利 应对 Android阵营挑战 英特尔5000万美元收购ZiiLabs专 利及工程资产 传英特尔高通拟向夏普注资3亿美 元 研究称高通销售额增30%将成第 四大半导体供应商 AMD遇双重夹击全球再裁员15% 传三星砸18亿美元扩充OLED产 能 三星对iPhone处理器加价 苹果被 迫接受 LED巨头欧司朗拟裁员4700人

大尺寸屏幕的增势继续强劲,平均出 货电视尺寸增长超过6%至35.8”, 达历史最高。

今年第三季度全球PC芯片出 货下滑 第三季度全球PC芯片出货量大幅

报告称,2012年全球光伏安装

下跌,英特尔在市场份额方面继续蚕

容量预计为31.12GW,比2011年的

食AMD所占比例。Mercury Research

27.98GW增长11%。尽管今年增幅达

首席分析师迪恩·麦克卡隆(Dean

到两位数,但与2011年的大增55%

McCarron)说,第三季度全球PC芯片

相形见绌,甚至逊于2009年的36%。

出货量下跌约9%,是自2001年第一

2009年正值全球经济衰退低谷,对于

季度以来PC芯片市场表现第二差的季

光伏产业来说是最困难的一年,但当

度。

年仍然意外实现强劲增长。

第三季度英特尔PC芯片市场份额

各季度的数据可以更详细地反映

由去年同期的80.6%增长至83%,AMD

市场形势。今年第二季度全球光伏安

市场份额由18.8%下跌至16%,威盛市

装容量增长,但第三季度出现萎缩。

场份额为0.6%。麦克卡隆表示,不确

欧洲需求减弱,亚洲市场不振,尤其

定的经济环境和PC需求放缓影响了PC

是中国市场,导致第三季度市场表现

芯片出货量。主要计算机厂商减少了PC

不如人意。第四季度安装容量预计高

元器件采购量,英特尔和AMD的芯片

于第三季度,但预计将仅略高于第二

出货量均出现下滑。

季度的水平,在8.7GW左右。

全球电视出货量年同比下降 7%

Gartner看淡半导体成长 修半导体产值年增率

Gartner是目前第一家两度下调

根据NPD DisplaySearch研究显

2012年和2013年全球半导体成长率

示,尽管全球电视出货量年同比下降

预期的机构。今年上半年,Gartner原

7%,北美市场的零售销售仍趋于稳

本预估今、明年全球半导体营收年成

定。北美于2012上半年小幅下滑后,

长率为4%与8.6%,10月首度下修为

第三季度的出货量增长近3%。美国消

0.6%至6.9%,近期再修正为负3%与

费者偏好更大尺寸和价格便宜的电视

4.2%,修正后预估今、明两年全球半

机,预计今年感恩节后黑色星期五销

导体产值为2,980亿美元与3,100亿美

售季的亮点将着重于此。

元。

全球第三季液晶电视的整体销售

Gartner执行副总裁JohnBarber

量下降,较去年下滑1%。这标志着连

指出,受到PC需求延后不如预

续三个季度年同比出货量下降。即使

期、DRAM产业供过于求持续压抑价

市场份额有所扩大,但2012年全球整

格、加上发展中国家对手机需求趋缓

体需求水平有所下降,影响了液晶电

影响,今年半导体营收将不如预期。

视出货量。LED背光液晶电视出货量继 及80%的营收。LED和3D出货在北美

2013年全球智能机出货量同 比将增长30%

市场的渗透率最低,可能是因为的消

台湾电子时报研调机构得出的调

费者对于屏幕尺寸和价格更为看重。

查结果称,2013年全球智能机出货量

续攀升,占全球电视70%以上出货以

欲知详情,请浏览 www.emasia-china.com 06

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2012年11-12月


EM China-12-12 Ad-04.pdf

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11/28/12

6:46 PM

Dynamo Pyramax 十八般武艺

www.btu.com


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Industry Information

供应商 • 产品 BTU International推出新型回流 焊炉平台---Dynamo™ OK国际推出Metcal MX-5200 双路同时输出焊接/返修系统 Europlacer推出ii-Feed供料器 ATMI发布eVOLV™电子废品再 循环解决方案 MICROCARE®推出业界首款即 用型台式清洗系统 奥宝科技推出新一代畅销全球 的 PCB-AOI 系统

业界动态

将增长30%,有望达到8.65亿台,将

所占份额将由2012年的60%以上滑落

在所有手机总出货量中占据43.9%。

至55.6%,它在全球平板电脑出货量中

电子时报研调机构认为,造成 主要有以下几个方面:系统供应商与

2013年芯片市场可成长6%

硬件制造商之间的关系、来自电信运

市场研究机构IC Insights预测,

营商对新型号智能机的支持、一些供

受益于全球GDP改善,芯片市场 2013

货商的发展及作出的决定等。

年将而出现6%的成长率。以更长期 的观点来看,预期在2011至2016年

2013年智能机和平板销量将 达12亿部

之间,芯片市场的复合平均年成长

市场研究机构Gartner发布报告

2011年芯片市场CAGR值3.3%的近

率(CAGR)可达7.4%,是2006至 一倍。

VIGON® PM 105-最新一代水

称,预计2013年全球智能手机和平板

基型功率模块助焊剂清洗剂

电脑销量将达到12亿部;今年销量或

IC Insights表示,2013年全球

迈思肯发布超紧凑型双视野镜

将达到8.21亿部,约占全年移动设备

GDP 成长率预测为3.2%,主要动力来

头二维读码引擎

总销量的70%。

自于中国与美国经济状况改善,包括

Gartner报告称,尽管过去企业

美国房市需求以及就业市场用人需求

发布

在新设备的采用方面落后于个人消费

转强,以及中国的工厂产能与零售业

安捷伦推出用于电子测量的高

市场,未来几年对企业用户的平板电

销售额加速成长。

精度 PXI 频率参考模块

脑销量将大幅增加。报告预计到2016

在各主要类别电子装置销售情况

泰克公司推出更易于使用的

年企业用户的平板电脑采购量将增加

方面,通讯领域预期是 2012年表现最

AFG3000C系列任意波形/函数

3倍,达到5300万部,今年采购量约

强的,成长率可达6%;同时间电脑领

发生器

1300万部。

域销售额则估计仅成长1%,而该领域

Asscon Q300台式气相焊接机

福禄克推出多款业内首创新品

分析师预计,到2016年微软

CSA集团收购Orb Optronix公司

Windows

极特先进科技公司收购Twin

的占有率将升至第三位,落后于苹果

Creeks Technologies资产

和谷歌Android。报告称,到2016年

RF MICRO DEVICES®收购

Windows

AMALFI SEMICONDUCTOR

业用户市场的份额预计将达到39%。

8平板电脑和超级手机在企

据市场研究公司Digitimes

协会 • 培训 IPC宣布Phil Carmichael先生就 任中国区总裁 IPC中国EMS理事会会议圆满召 开 中文版IPC-9252A《未组装印 制板的电气测试要求》最新发布 IPC发布最新设计标准 IPC2222A中文版

欲知详情,请浏览 www.emasia-china.com www.emasia-china.com |

2012年11-12月

2017年新兴市场光伏需求达 12GW 市场研究机构IHS将最新光伏市 场报告的研究重心从成熟市场移至 新兴市场。据该报告预测,未来四

明年平板出货量将达2.1亿台

位产品市场

在2012年的成长率达到11%。

8平板电脑在企业用户市场

u-blox 收购 Fastrax 以扩展定

08

所占份额为37.4%。

2013年全球智能机出货量增加的因素

年,新兴市场累计光伏需求量将达 30GW。

Research的高级分析师James Wang

尽管德国这类成熟市场补贴削减

预计,2013年全球平板电脑出货量将

需求下滑,但新兴市场日益增多的行

达到2.1亿台,比2012年增长38.3%,

动仍给光伏产业带来曙光。IHS最新公

并且首次超过同期笔记本电脑出货

布的名为《IHS新兴市场研究》就对此

量。James Wang还预计,其中带有品

类趋势做出量化研究。

牌的平板电脑出货量将达到1.4亿台。

通过对四十个国家光伏市场发展

预计谷歌将在2013年凭借其Nexus

潜力的研究,IHS表示,新兴市场光伏

系列产品保持它在平板电脑市场的增长

年需求量将从2012年的1.6GW增长至

态势,并且成为全球第二大平板电脑品

2017年的12GW。该报告预测,2013

牌厂商,谷歌的平板电脑出货量将达到

年新兴市场需求量介于2.1-3.5GW之

1900万台。苹果将继续引领平板电脑市

间,年增幅跨度较大,从2.9GW增至

场,但它在全球品牌平板电脑出货量中

12.2GW。 EM


封面特写

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asia

大尺寸FC BGA焊盘缩孔的 声发射技术研究 摘要: 在大尺寸倒装芯片BGA(FC BGA)的电子组装中,过大的印制电路板弯曲容 易造成焊盘缩孔或者导致金属间化合物(IMC)的脆性失效。电气测试或者非破 坏性检测方法并不能检出焊盘缩孔的裂纹,这些裂纹构成了长期可靠性上的风 险,因其会在随后的负载中逐步扩大而最终引起电气失效。由于焊盘缩孔最初不 会导致即时失效的电信号,因此对该失效的定位检测具有极大的挑战性。近来, 本文作者开发了一种利用声发射方法来检测焊盘缩孔的肇端[1,2]。在存在内部裂 纹的情况下,弹性能量的瞬间释放,也就是声发射(AE),就可以准确地侦测到 焊盘缩孔和IMC的脆性失效。 在这项研究中,AE技术被用来系统地研究FC BGA的焊盘缩孔,该封装具有 菊花链结构,尺寸为40 x 40毫米,焊锡球合金为无铅SAC305,球间距为1毫米。 AE传感器被连到一个四点弯曲试验板上以确定焊盘缩孔的位置或IMC的脆性失效 点。一个二维AE源定位方法被用来确定测试板上的平面失效位置。设计的测试矩 阵旨在探讨各因素的影响,如正常或对角线应变方向、NSMD或SMD PCB焊盘、单 个或多个回流焊接周期等,并应用物理失效分析方法来验证测试结果与失效模式 之间的关联。

Anurag Bansal、Cherif Guirguis、Kuo-Chuan Liu — Cisco Systems, Inc.

盘缩孔是指在BGA焊盘下形成的粘性细裂纹,

被采用以及板上细间距焊盘的应用,对焊盘缩孔的关注已

且发生在有机基板或印刷电路板的压合材料中

经逐渐增多。此外,研究表明,与传统的锡铅合金焊料相

(图1)。在印制电路板的组装、测试、运输过

比,无铅组装工艺中焊盘缩孔发生的风险更高,这是因为

程中易产生过大的机械弯曲或冲击负载,这就容易产生裂

使用了更硬更脆的锡银铜(SAC)合金使得BGA焊盘下的

纹[3-6]。研究还表明,在高的热应力下焊盘缩孔也会发生,

集中应力更高;此外,在回流焊接中更高的焊接温度也是

如在SMT回流焊过程中、在较宽温度范围内的热循环实验

一个原因[4],与无铅组装兼容的酚醛类压合材料要比传统锡

中或在热冲击的条件下 。随着越来越多的大尺寸FC

铅工艺中使用的双氰胺压合材料更脆[8]。

[7]

BGA

近年来,为了提高我们对于焊盘缩孔的认知,业界在 开发其检测方法上取得了显著进步。一种在焊盘平面上的 拉力测试方法被开发出来,用以识别不同压合材料的变化 趋势以及焊盘设计上的差异 [8] 。这种方法现在已经被纳入 IPC-9708标准。然而,除了焊盘级测试,用以开发PCBA 在测试和搬运操作中的应变极限的板级测试也是十分必要 的。对于板级测试,传统上行业是在具有菊花链设计的测 试板上执行4点弯曲试验或球形弯曲试验,通常测出电气连 续性有损失则被定义为失效 [9,10]。然而,在存在焊盘缩孔 时,这种测试方法是有缺陷的,因为在细裂纹刚形成时并 不会立刻破坏菊花链的电气连续性。通过对菊花链的电检 图1:焊盘缩孔的结构示意图

测只能探测到焊盘缩孔形成后的后期状态,此时该内部裂 2012年11-12月 | www.emasia-china.com

09


asia

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封面特写

纹已变得足够大并导致了电路链接断裂。为了规避这个问 题,笔者近期已开发并验证了一种新的检测方法,即采用 声发射来检测焊盘缩孔的失效[1,2]。 这种AE检测方法是独特的,因为它并不是靠电信号来 检测失效点;取而代之的是依靠安装在测试板上的压电传 感器,在焊盘缩孔突然发生时能够侦测到其产生的弹性应 力波。我们最新的研究表明,在四点弯曲试验中AE测试的

图3:测试板A面,0°方向

案例中,我们能够准确地侦测到焊盘缩孔和焊点中的脆性 IMC的断裂缺陷 [1,2] 。除了可以检测缺陷的发生,利用两 个AE传感器以及预知的声音在PCB板材中的速度,在弯曲 测试中根据AE侦测到的信号来精确定位失效的位置是可能 的。这种方法已被验证,在弯曲试验过程中检测到的AE失 效案例源自BGA封装的边缘,而焊盘缩孔一般最先发生在 这个位置。 此外,对物理结构的分析也验证了这点。焊点横截面

图4:测试板B面,45°方向

显示,没有AE反应的样品切片就没有任何焊盘缩孔的现

BGA是0°方向,如图3所示,而在B面的FC BGA则是45°

象,而有AE反应的焊点切片就显示有明显的焊盘缩孔。使

方向,如图4所示。

用这种方法,我们就能够确定PCB产生焊盘缩孔失效的应

40×40毫米的菊花链封装分别在0°方向,即器件边缘

变极限值,而且发现这些应变极限值远远低于那些由菊花

与板边平行的方向和45°方向,即器件边缘与板边成45°

链的电失效测出的值。在这项研究中,AE方法被应用于一

角的方向进行了测试。0°板表示的情形是弯曲轴是正常沿

个设计有大尺寸FC BGA的测试板上来评估其产生焊盘缩孔

着该器件的边缘方向,而45°板表示的情形是弯曲轴线沿

的应变极限。在四点弯曲试验的过程中,AE检测方法可以

着该组件的对角线方向。可以说,45°的方向可能更能代

进一步延伸,应用四个传感器来确定缺陷的平面位置。本

表功能性PCB组装时实际的操作情形。

次研究涉及多种设计变量和工艺变量的影响,如NSMD或

除了器件的方向,在测试板焊盘设计上或者全部采

SMD焊盘设计、正常或对角应变方向以及单次或多次回流

用非阻焊层定义的焊盘(NSMD),或者仅在BGA四个边

等。

角上的6个焊盘采用阻焊层定义的(SMD)焊盘。NSMD PCB焊盘的直径跟BGA基板上的阻焊膜开孔相同。而在板

测试板

上BGA各边角的SMD焊盘,其焊盘直径要稍大,而且阻焊

测试是在具有菊花链的40×40毫米FC BGA封装上进行

膜开孔和对应的BGA基板的阻焊膜开孔相同。为了模拟功

的,该封装采用有机的堆叠基板,全部焊盘都植有SAC305

能性的PCB板,测试板上最好应该设计有电镀通孔(PTH)

的焊锡球,且球间距为1毫米(图2)。测试板被设计成双

并连接到所有的BGA焊盘。由于BGA在测试板的A面和B

面的,A面和B面任何一面都可以组装FC BGA。在A面,FC

面有重叠,因此这是不可能实现的,只有在BGA角上的焊 盘被设计为连接到PTH通孔。图5显示出印刷电路板上BGA 最边角的6个SMD焊盘的布线图。注意:PTH的通孔是向 内的,并朝向器件的中心,这是为了防止PTH的通孔在弯曲 试验时会保护焊点而干扰试验结果。 BGA边角 SMD 焊盘

NSMD 焊盘

SMD 焊盘

NSMD 焊盘

BGA边角

0°方向 图2:FC BGA 图示, 40×40 mm,球间距1毫米 10

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图5:PCB板上器件边角SMD焊盘的布线图

45°方向


封面特写

这些测试板在器件组装好之后,无论是A面(0°)还 (共计3次回流)。我们之前的研究表明,多次回流更容易 产生焊盘缩孔 [2],因此在本研究中加入了3次回流的试验,

封装

以模拟一个更现实的组装过程,其中包括双面电路板组装 的两次回流焊和一次额外的波峰焊。

测试步骤 根据IPC-9702对采用了菊花链BGA设计的测试板

PCB

进行了四点弯曲试验。进行测试的应变速率为5,500微应 变/秒。根据IPC-9702的要求,脆性IMC的焊点断裂很可能 只发生在高应变速率的情形下。需要注意的是,最近研究 中的实验结果表明,焊盘缩孔在慢速和快速应变率时都有

组装

可能发生,但在高应变速率下产生焊盘缩孔所需的应力反

弯曲 试验

而更低[1,2]。图6给出了弯曲测试的设置。表1则详细地列出 了测试矩阵以及在本研究中考虑的变量等。 应变计

asia

表1:测试板和弯曲试验的详表

是B面(45°),在某些情况下又进行了两次额外的回流

AE传感器 1和2

Cover Story

球数量 球间距 尺寸 BGA 焊盘 BGA表面处理 焊球合金 球直径 PCB 尺寸 表面处理 基材 BGA方向 PCB堆叠及厚度 焊盘设计 NSMD焊盘尺寸及 SMD阻焊膜开孔直径 回流次数 负载范围 支持范围 应变速率 AE传感器数量

1,521 1.0mm 40×40mm 0.48mm SMD 焊盘上锡(SOP) SAC305 0.6mm 220mm×75mm×2.36mm 有机可焊保护膜(OSP) 无铅兼容,Tg=180° 0°或45° 8层,93 mil 全部NSMD焊盘或角上6个为SMD焊盘 0.48mm 1次及3次 90mm 140mm 5,500微应变/秒 4

传感器对相同的AE检测结果之间的时间差 [1]。在本

AE传感器 3和4

研究中,考虑了压合材料的正交各向异性的性质以 及声音速度的不同值(vx和vy),其中X是沿测试板 的长度方向,Y是沿测试板的宽度方向。对vx和vy 的值进行微调后,进行了一系列的“铅笔芯折断” (PLB,pencil lead break)测试来校准声发射源位 置的准确性。 这是一个简单的模拟AE失效的过程,在测试板 表面上以大约60°的接触角度来折断一个0.5毫米的

前置放大器

前置放大器

自动铅笔尖。由于该“笔芯断裂测试”(PLB)在预 知的位置上进行,由AE系统中检测到的AE失效的位

AE系统

置提供了一种方法来评估,并反复改进源位置的准

图6:弯曲试验用AE传感器设置图

确性。图7示出了在0°组装的测试板上以铅笔芯分 传感器 2

传感器 3

别在封装的中心、边角以及靠近器件装配区域的位 置测出的AE源位置的结果。

实际铅笔芯折断的位置 侦测位置

通过比较实际PLB位置及检测到AE失效的位 置,估计源位置是在离FC BGA的中心和边缘约5毫 米的附近,离装配区域约7毫米的附近。检测声发

传感器 4

图7:0°组装板上铅笔芯折断的测试结果

四个声发射(AE)传感器被连接到测试板上用以侦测

传感器 1

射位置的能力显著加强了测试效果,通过不仅检测 AE活动的起始,而且也能够验证该失效发生在靠近 封装的边缘附近,而此边缘正是预期中焊盘缩孔或

脆性焊点失效的位置。

焊盘缩孔的发生或BGA脆性断裂的产生,还可以检测其发

在实际的弯曲试验中,除了AE传感器,在测试板另一

生的源头位置。在我们先前的研究中,只用了两个AE传感

面正对着BGA边角的位置上也安装了一个单轴应变计。这

器来确定AE失效的线性位置。在本研究中,因为使用了四

种应变计可提供沿测试板长度方向的最大应变。一个DC电

个传感器使这种检测方法得到延伸,可以用来侦测测试板

源也被连接到菊花链封装的测试端,以监测菊花链的电气

上两维平面的空间位置。这些测试在已完成0°和45°组

连续性,可以间接地通过监测恒定电流下的电压来做到。

装的板上进行,并施加了一点负载来确保弯曲试验夹具与

一个集成的数据采集系统记录了在测试过程中的负载、位

PCB表面之间的接触良好。用于确定AE失效产生的源位置

移、四个传感器测到的AE活动、应变和菊花链电路的电

的算法依赖于声音在PCB压合基板中的传播速度,和不同

压。其他参数的测试方法列在我们先前的研究中[1]。 2012年11-12月 | www.emasia-china.com

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asia

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测试结果

AE失效前

AE失效后

电气失效后

图8和图9显示的是在FC BGA弯曲测 试时获得的典型数据。对于一个45°组装 的样品,图8(a)显示的是AE试验探测到

部分IMC断裂

的随时间推移的AE源函数X和Y的坐标。为

焊盘缩孔

方便起见,FC BGA封装的四边已被标出。

IMC断裂

没有失效

图8(b)示出了在一个二维图形的Y坐标 与X坐标检测的相同AE失效的结果。请注 意,这些检测到的位置是类似的,因为从

大片焊盘缩孔

PLB测试中得出,AE源位置的准确度大约 焊盘缩孔

为5毫米。有了这个限制,比较有趣的发 现是,AE探测到的结果很清晰地集中在 BGA封装的左右两个角的位置处。 这些位置是预期在进行四点弯曲试 验时最先会发生缺陷的位置。同样地,在

图10:典型的 NSMD 和SMD 焊盘的焊点切片

0°方向的样品中,失效也是集中分布在 封装的左右两边预期会最先发生失效的位置。图9示出的是

下,AE活动的发生总是先于电气失效。对45°和0°板来说

在图8所示样品上获得的位移及测得的菊花链电阻的数据。

这结果都是比较典型的。

研究发现,在弯曲试验开始后,有一段合适定义的阶段被

弯曲试验之后进行了切片和染色实验,以确定失效模

标注为“安静区”,在此阶段没有发生任何AE活动。一旦

式。0°方向BGA样品的切片分析沿着边缘进行(与固定点

第一个AE活动被侦测到,会连续侦测到好几个AE活动。这

平行)。45°方向样品的切片是沿着与固定点的对角线方

些早期发生的失效事件大部分都集中分布在封装的边角位

向进行。为了验证声学方法的有效性,有一些弯曲试验在侦

置。图9显示在大部分早期AE失效中菊花链电阻值并没有受

测到AE失效之前就被终止。有些弯曲试验后在侦测到AE失

到影响,仅仅是在实验的很后期阶段,才会显示出开路;

效之后才终止,并且在大多数情况下,发生电气失效后才终

而且注意到在许多情况下,甚至直到弯曲试验完成后,菊

止试验。图10示出了在弯曲试验中的各个阶段下典型的切

花链的电阻都没有受到影响。在检测到电气失效的情况

片结果。如果没有检测到AE失效,切片也没有发现任何失 效的迹象。这样的结果对于验证AE 测试方法是至关重要的,而且在我 们先前对不同种类器件的研究工作 中,也用过类似的验证方法 [1] 。此 外,在图10中也列出了AE失效测出 之后但在电气失效出现之前的切片

首个AE失效

首个AE失效

图形。 通过切片发现失效模式根据 PCB焊盘设计不同而各有不同。在 全阵列NSMD焊盘的情况下,失效 都是由于PCB上的焊盘缩孔。在边

图8:45°方向BGA在弯曲试验中的AE 源位置

角设计有SMD焊盘的板子上,有三

电阻

直流电压 (V)

位移 电气失效

静默期

首个AE失效

开始测试

位移

种不同的失效模式。SMD焊盘上 的焊点有部分IMC脆性断裂,或在 BGA封装的那一端或在PCB焊盘那 一端。在某些案例中发现部分IMC 脆性断裂,同时PCB 焊盘上也出现 时间(秒)

图9:45°方向板在弯曲试验中获得的位移及电阻数据

12 www.emasia-china.com | 2012年11-12月

部分焊盘缩孔的现象。这一结果清 晰地表明,声发射方法是一个可以 有效检测不同失效模式的工具,如


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0°方向的NSMD 焊盘

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asia

成IMC层断裂,并且在PCB的一端或者BGA基板的一端都有 可能发生(图12)。比较有趣的发现是,在边角SMD 焊盘 设计的样品中,其它的NSMD焊盘主要的失效模式仍然是 发生在PCB一端的焊盘缩孔。 在了解了失效模式的特征之后,现在我们就可以来回 顾设计和工艺变量对FC BGA测试板上产生的失效模式的影 响。安装在测试板另一面的单轴应变计被用来确定PCB板的

45°方向的NSMD 焊盘

应力,该应变计直接被放置在板子边角上BGA的正下方。 图13显示了在本研究中进行的所有测试矩阵中产生的失效 应力。AE失效和电气失效的肇端都可以被失效应力体现出 来,这样就可以来进行一系列的详细研究来探查器件贴装 方向、回流次数以及PCB焊盘设计对失效的影响。需要注意 的是,在一些情况下,测试过程中的使用的最大应变力仍

图11:典型的全阵列 NSMD 焊盘染色探查结果 (绿色—焊盘缩孔)

不足以产生电气失效。为了解释这些“幸存者”,最大弯

0°方向的NSMD 焊盘

曲应变力在图13中所示为电气失效应变力。在大多数的样 品中,AE失效会在电气失效之前被侦测到,而在少数样品 中,AE失效和电气失效会同时发生。通过比较发现,边角 SMD焊盘上的AE失效与电气失效之间的应力差异明显要比 全阵列NSMD焊盘上的更大。

45°方向的NSMD 焊盘

讨论 既然所有裂隙的测试结果已列于图13中,本节中就对 单个变量的影响以及变量之间的相互作用进行了详细的考 查。请注意,这次分析只考虑AE失效的例子,因其代表了 失效形成的肇端,而菊花链的电气失效会在单调弯曲下的 更高应力下发生。

图12:典型的全阵列 NSMD 焊盘染色探查结果 (蓝色-BGA一端的IMC 层断裂,红色-PCB一端的IMC层断裂,绿色-PCB焊盘缩孔)

1、器件方向或应变方向的影响;

BGA一端的IMC断裂,PCB端的IMC断裂,或焊盘缩孔的发

0°和45°的器件方向可以被认为是与弯曲应变方向变

生。正如在图10中所看到的,部分IMC断裂的特性解释了

化类似的,因此,这个参数也可以被称为应变方向效应。

为什么这些失效并未导致菊花链电路瞬时的电气失效。在

从实际情况来看,45°应变方向也许是更加相关的,因为

分析出现了电气失效的样品切片中,相同的失效模式扩展

在大部分实际组装和测试倾向于沿对角线方向产生弯曲应

到更大程度上。角上SMD焊点中的IMC沿着焊点直径完全

变。图14(a)示出了0°和45°样品上NSMD与边角SMD

与焊盘分离,而PCB

焊盘的AE失效应变力的比较。这个试验中所有的样品在做

一端的焊盘缩孔则显示了更大程度的

开裂,最终可能导致菊花链线路的断裂。 染色探查试验显示的失效模式与切片所

的焊盘设计的形状。NSMD焊盘上的失效总 是由发生在PCB基材里的焊盘缩孔引起的,

电气失效

声感失效

电气失效

声感失效

电气失效

声感失效

电气失效

边角产生的。失效模式完全取决于在PCB上

声感失效

中损坏是沿着与封装器件对角线相对的那个

电气失效

右两边的边缘位置产生的,而在45°的样品

声感失效

区域分布。在0°方向的样品中损坏是沿着左

电气失效

的,器件组装的方向极大地影响焊点失效的

声感失效

失效模式的示意图如图11所示。正如所预期

失效应力

观察到的失效模式一样。染色试验的图像和

边角焊盘 回流次数 0°方向

45°方向

组装方向

而位于PCB边角上的SMD焊盘的失效模式变 图13:全部测试中的AE和电气失效应力 2012年11-12月 | www.emasia-china.com

13


asia

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3、边角PCB 焊盘设计的影响; 根据到目前为止所分析的测试结果

IMC焊盘开裂+焊盘缩孔

边角SMD焊盘 (IMC焊盘开裂+焊盘缩孔)

失效应力

和失效应力具有显著的影响。对于全阵列

(焊 缩 孔 )

0°方向

45°方向

0°方向

45°方向

0°方向

45°方向

边角焊盘的方向

来看,由侦测出的声感失效和电气失效可 以得知,边角PCB焊盘的设计对失效模式

MD NS

平均失效应力

焊盘缩孔

NSMD焊盘来说,失效模式是PCB焊盘缩 孔,而且电气失效应力远远高于AE失效应 力(图13)。与此相反,对于边角SMD

方向

焊盘,失效模式是既有PCB一端的IMC层

图14:AE失效应力对比显示焊盘设计和方向的影响

断裂又有焊盘缩孔,而且电气失效应力明 显更低。在这些情况下,AE失效和电气失

失效应力

效之间的应力差异显著降低了。如果是全

(IM

IMC开裂+焊盘缩孔

平均失效应力

焊盘缩孔

边 C焊 角S 盘开 MD 裂+ 焊盘 焊盘 缩孔

阵列NSMD焊盘,如图14和图15所示,在 )

NSM

D(焊

盘缩

孔)

45°方向以及经过3次回流之后的平均AE 失效应力明显降低了。 很明显,在多次回流之后,如果弯曲 应力沿着器件的对角线方向施加,产生焊

边角焊盘的回流次数

盘缩孔的风险就比较高。与边角SMD焊盘

回流次数

相反,应力方向没有影响,但是多次回流

图15:AE失效应力的对比显示了焊盘设计及回流次数的影响

会降低失效应变力,而且同时会产生IMC 弯曲试验之前都经过了3次回流焊。图14(b)示出了平均

层断裂和焊盘缩孔。正如在引言中所提到的,我们缺乏一

失效应变力与PCB焊盘类型的相互作用。在边角SMD焊盘

个合适的板级测试方法来检测焊盘缩孔产生的肇端,这已

的情况下,很显然器件方向或者应变方向的影响可以忽略

成为确定PCB应力极限值的一个重大障碍。根据监控电阻值

不计。然而,在NSMD焊盘的情况下,也就是失效模式是

变化得到的失效应变值明显高于产生焊盘缩孔时的阻值,

PCB焊盘缩孔时,45°方向的失效应力比0°方向要低。这

因此不应该被用来定义实际PCB组装、测试和运输操作的应

意味着,如果沿着器件对角线方向施加弯曲应变,其发生

力极限值。而使用声发射(AE)的方法,我们现在可以看

焊盘缩孔的倾向更高。另一个有趣的发现是,在0°方向的

到失效在明显低很多的应变水平下就开始发生,再加上一

测试板上,边角焊盘设计的影响是微不足道的。

个适当的分配,建立一个真正的应变极限是有可能做到的。 威布尔2-参数分布表被用来分析AE失效数据,这些数

2、回流次数的影响;

据由测试那些有NSMD和边角SMD焊盘设计和0°与45°

图15(a)示出了NSMD与边角SMD焊盘分别在单次

的方向设计并经历3次回流焊预处理后的样品板得出(图

回流焊和3次回流焊之后的失效应力对比,这些结果是从

16)。以1%的失效率来计,发现PCB应变极限值大约在

45°方向的测试样品中取得的。图15(b)示出的是平均 失效应力与PCB焊盘设计的相互作用。如果测试板经过了 多次回流处理,很显然,NSMD焊盘和边角SMD焊盘的AE 平均失效应力都减小了。对于NSMD焊盘,这个发现与我 种情况下,焊盘缩孔是唯一的失效 模式。很显然,多次回

缺陷

们先前观察到的两块不同测试板的结果是一致的[1,2]。在这 流对PCB焊盘缩孔的产生是有害的。由于一个复杂的双面 PCB板实际组装时至少需要2次回流,而且如果有波峰焊接 或返修工艺会达到3次回流。因此,我们强烈建议测试样品 在研究焊盘缩孔前经过3次回流的预处理。在边角SMD焊盘 的情形下,其失效模式涉及IMC脆性断裂和PCB焊盘缩孔。 研究结果表明,多次回流会造成过多的铜层消耗和IMC层

PCB应力

的增长,不利于焊点的脆性结构强度。多次回流对焊点微 观结构影响的具体分析不在本次研究的范围之内。 14 www.emasia-china.com | 2012年11-12月

图16:AE失效的威布尔分布图


封面特写

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1250~1350微应变的范围内;也就是说,所有例子都非常

到焊盘缩孔的现象,而对边角SMD焊盘的测试中,失效模

类似,除了45°方向的边角SMD焊盘。在此种情况下的应

式变成了脆性IMC层断裂和焊盘缩孔的组合模式。与全阵

变极限约为850微应变。这种是明显不同的情形,由于应变

列NSMD焊盘相反,边角SMD焊盘的电气失效应力明显低

范围较低,因此与平均失效应力没有明显的区别。由于威布

得多。在对0°和45°的器件组装方向和应变方向的测试表

尔分布通常在可靠性试验中作为失效模式的一个指标,可以

明,回流次数为1次或3次时,如果弯曲应变是沿着器件对

推测到,当在边角SMD焊盘上侦测到混合的失效模式时,

角线的方向,并且经过多次回流时,发生焊盘缩孔的倾向

在0°方向上焊盘缩孔是主要的失效模式,而在45°方向上

更高。如果电路板进行过多次回流焊,则脆性IMC断裂的

IMC脆性断裂是主要的失效模式。

倾向也比较高,但是应变方向造成的影响是可以忽略不计

在我们之前的研究中,这些测试也在一个类似尺寸的

asia

的。 EM

引线键合HS BGA上进行过,而且发现其应变极限值明显高 于本研究中所评估的更硬的FC BGA。这表明,除了封装尺 寸和BGA的球间距外,器件封装的硬度对应力极限也有显著 的影响。

感谢: 作者感谢思科系统公司的Gnyaneshwar Ramakrishna提供了宝贵的建 议,也感谢思科系统公司的Mason Hu支持了这个研究项目。

参考文献:

结论 这项研究的结果表明,在板弯曲试验过程中用声发射 技术来监测焊盘缩孔发生的肇端以及BGA焊点的部分脆性 IMC开裂是一种有效的方法。虽然以前也证实AE方法的使 用可以监测焊盘缩孔[1,2],而本研究表明,即使IMC层发生 局部脆性断裂,在本质上并不会造成瞬时的电气失效。因 此,传统上使用的电气测试方法会大大高估PCB板运输和测 试操作的弯曲应变极限。使用AE检测方法,就可以定义出 40×40毫米的FC BGA封装的机械弯曲应变极限,其焊盘设 计分别为全阵列NSMD焊盘和边角SMD焊盘。 此外,我们还对PCB焊盘设计、器件的组装方向和回 流次数的影响都进行了详细研究。失效模式很大程度上取 决于PCB焊盘设计。在全阵列NSMD焊盘的测试中只观测

[1] A. Bansal et al, “A New Approach for Early Detection of PCB Pad Cratering Failures”, IPC/APEX Conference, LasVegas, NV, April (2011) [2] A. Bansal et al, “Method for Early Detection of PCB Bending Induced Pad Cratering”, Engineering Componentsand Technology Conference (ECTC), Lake Buena Vista, FL, June (2011) [3] G. Godbole et al, “On The Nature of Pad Cratering”, Proc. 59th Electronic Components and Technology Conference(ECTC), (2009) [4] G. Long et al, “Lead Free Assembly Impacts on Laminate Material Properties and “Pad Crater” Failures”, IPCAPEX Conference, (2007) [5] B. Gray et al, “Mechanical Failures in Pb-free Processing: Selected Mitigation Techniques for Pad Crater Defects”,SMTA Intl. Conference, (2010) [6] D. Xie et al, “Failure Mechanism and Mitigation of PCB Pad Cratering”, Electronic Components and TechnologyConference (ECTC), (2010) [7] H. Ma et al, “Acceleration Factor Study of Lead-Free Solder Joints under Wide Range Thermal CyclingConditions”, Electronic Components and Technology Conference (ECTC), (2010) (This paper was first published at “IPC APEX EXPO 2012 Technical Conference proceeding”)。

7-8月

2012年

asia

asia

志 威 杂 的 权 技 术 制 造 文章 子 电 12 专题 板爬行腐蚀的研究 中 国 关于电路 iNEMI

30

专题文

焊接 比较 的选择性 种系统的 机电部件 市场上各 ——目前

32

测量

测试与

X射线技

术在IC封

装检测中

的应用

申请

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封面特

中国电子制造的权威杂志

创新奖 EM Asia 专刊 2012

P08

a.com

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si .ema www

P 16

www.emasia-china.com/subs

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15


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Feature

专题文章

可提高细间距WLCSP可靠性 的底部填充剂 摘要: 电子封装技术的发展越来越要求在更小空间里集成更多的功能,这种趋势对手 持式电子设备尤为明显(如移动电话、平板电脑、MP3播放器等),而在该领域使 用的元件、材料和方法也很快就会发现可以被推广到其它领域。 底部填充剂材料主要被用于提高表面组装(SMT)线路板上的BGA和CSP等组装 元件的可靠性,多年来对于线路板级底部填充剂,主要侧重于如何提高抗跌落测试 可靠性,相对而言,热循环可靠性则不是那么重要。然而,随着更小间距晶圆级封 装元件(WLCSP)的出现,提高抗热循环可靠性变得越来越重要。消费电子设备的 应用同时要求底部填充剂热循环可靠性的提高不会影响其他常规属性,如室温下快 速流动性能、返修性以及抗跌落可靠性。除了消费电子产品,底部填充剂的这些特 性也越来越多地应用于其它电子设备上,以提高CSP和WLCSP封装的可靠性。 本文描述了底部填充剂各项物理性能和工程应用性能之间的关系以及目前底部 填充剂在应用方面面临的挑战。

Brian J. Toleno, Stanley Hu, Hoseung Yoo, Rong Zhang — 汉高电子材料有限公司

部填充剂材料已被应用于众多的电子组装器

为了理解各项材料物理性能和底部填充剂应用特性之间的相

件,其功能远不止作为一种胶粘剂使用,而更

互关系,首先介绍一下材料的物理性能。

重要是用于提高倒装芯片封装焊点的可靠性

[1]

。现在,底部填充剂已被广泛用于电子行业不同领域。底部

材料的物理性能

填充剂按应用主要分为两类:半导体封装级和线路板级。

玻璃化温度是指高分子材料由玻璃态向橡胶态转变的

在半导体封装器件中,由于硅芯片和基板之间的热膨胀系数

温度点。对于热固性交联聚合物(如底部填充剂)来说,

(CTE)的差异,在冷热冲击时焊点在应力作用容易失效,

表1:玻璃化温度对材料物理性能的影响

底部填充剂的使用可以有效改善焊点可靠性。通常,半导体 封装级底部填充剂具备高填料含量(低CTE)、高玻璃化转

物理性能

测试温度<Tg

测试温度>Tg

模量

变温度(Tg)、高模量和不可返修等特性,而线路板级CSP

硬度

底部填充剂一般则是无填料,具有相对低的模量和Tg。

比热容

在先进表面组装工艺中,CSP已经越来越多地被WLCSP

CTE

代替。WLCSP的尺寸接近半导体倒装芯片元件,因而对于 底部填充剂的可靠性要求也更接近于半导体封装级底部填充

Tg 通常并非单一的温

。这意味着在应用于这些WLCSP元件时,底部填充剂

度点,而是一个温度

的作用不但要提高抗力学冲击和跌落可靠性,还要在冷热循

范围。在Tg附近,材

环时有效保护焊点避免失效。此外,在提高可靠性的同时,

料的物理性能会发生

还须提供SMT工艺对线路板级底部填充剂的其他要求,包括

急剧变化。对于环氧

室温快速流动、低温快速固化以及良好的返修性能 。

树脂体系(底部填充剂

[2-4]

[5]

高玻璃化转变温度(Tg)和材料的返修性一般来说是

多为环氧树脂体系),

相互冲突的,通常Tg越高,材料的可返修性则越差,所以从

表1显示了不同温度下

材料设计的角度首先需要克服这两种完全冲突的物理特性。

的材料物理性能差异。 图1: 温度对模量的影响

16 www.emasia-china.com | 2012年11-12月


专题文章

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asia

其中两个性能对底部填充剂的应用可靠性上扮演了重要

低Tg型底部填充剂为传统的低Tg可返修型底部填充材

角色:模量和CTE 。例如,如果测量Tg>100℃和Tg为69℃

料。这类材料主要用于改善BGA和CSP封装元件的抗力学冲

的两种材料在25~100℃范围内的模量,我们可以清晰地看

击可靠性。

[6]

到由于Tg的不同而产生的差异,如图1所示。

高Tg型底部填充剂则兼具高Tg和可返修性能。该材料

Tg可以由不同方法测量得到,如差示扫描量热法

既提供了在无铅回流温度下的可返修性和抗机械冲击/跌落

(DSC)、热机械分析仪(TMA)或动态热机械分析

可靠性,同时有助于提高WLCSP封装器件的耐热循环可靠

(DMTA)。由于材料Tg并非单一温度点,不同方法测得的

性。

Tg值也有差异。

组装完成后,测试其电性能以确认元件导通,然后进行 冷热循环测试。测试条件:-40~85℃,升温时间60分钟,

实验

停留时间30分钟。每100次循环进行一次电性能测试,如果

本实验采用如表2所示的0.4mm间距WLCSP作为测

电阻值增加超过10%,则判定元件失效。

试模块,测试板材料为FR-4,厚度1.0mm,AUS5阻焊

跌落测试采用JEDEC J22-B111标准,在跌落测试仪上

油墨,OSP-Cu焊盘和1-6-1八层板。元件所植锡球为

进行。测试板贴装元件一侧朝下固定在跌落台上进行测试,

SAC405合金,采用免清洗无铅锡膏(SAC305,IV号粉),

测试参数如图2所示,脉冲1500G,冲击时间0.5ms。测试

空气回流。

元件电阻,电阻值增加超过10%,则判定元件失效。 在电子行业中,许多电子产品制造商都制订了自己特定

表2:WLCSP元件参数

封装

I/O

UCSP192

192

间距

尺寸

0.4mm

7x7mm

阵列 四周排列

锡球直径 0.3mm

分别采用如表3所示两种不同Tg点的底部填充剂。对施 胶工艺进行优化,以便胶粘剂能够完全填充WLCSP元件和 基板之间的间隙。采用一组无底部填充剂的组装元件作为参 比样。

Tg (℃)

似的材料和产品,不同产家的测试结果往往不具备可比性, 这为如何有效准确地评估材料的性能带来了难题。正因为如 此,制订了JEDEC JESD22-B111跌落试验标准[7]。现在, 采用这个标准,各个OEM、CEM厂商和材料供应商可以对 各自测试材料的可靠性测试结果进行比较。 JEDEC JESD22-B111为主要针对消费类和便携式电子 市场的手持式电子产品提供了一个通用的试验标准。由于这 类产品在使用时容易跌落,从而导致多种不同的力学失效模

表3:材料物理性质

物理性能

的跌落测试要求和测试方法,而由此带来的结果是,对于相

低Tg底部填充剂 高Tg底部填充剂 69

式,最终结果是电性能故障。例如,在跌落过程中,由于力

113

学冲击导致PCB板的过度翘曲而产生应力集中,从而使得元

CTE 1 (ppm/℃)

64

55

件和测试板之间的焊点开裂。该测试方法提供了标准测试模

CTE 2 (ppm/℃)

182

171

块和测试参数如冲击时间和脉冲强度(如图2所示)。这些

模量,25℃(GPa)

3.08

3.17

测试参数在JEDEC另一项力学冲击标准JESD22-B104中作 了详细的规定,使得用户在根据这些规范做测试时可以清楚 地了解对任一位置所施加的跌落冲击力的大小。这些标准为 评估设备的可靠性提供一个通用的测试基准。

结果 本文对具备不同Tg点的底部填充剂材料的热循环可靠 性、跌落测试可靠性和可返修性三个特性进行了测试,

果如下。

热循环可靠性 在以前的研究中[8],我们对半导体封装级(材料C)和 线路板级底部填充剂(材料A和B)的热循环可靠性进行了 比较测试。材料基本物理性能如表4所示,材料C具有较高 图2:跌落试验脉冲图

的Tg和较低的热膨胀系数(CTE)。 2012年11-12月 | www.emasia-china.com

17


asia

Feature

专题文章

表4:测试材料的物理性能

物理性能

表6:底部填充的WLCSP的不合格循环数量(-40~85℃)

A

B

C

Tg (℃)

18

53

94

CTE1(ppm/℃)

73

63

23

低-Tg

1000

1300

1700

> 1700

> 2000

> 2000

600

700

1000

首个元件出现失效时 50%元件失效时 所有元件失效时的 的热循环次数 的热循环次数 热循环次数

CTE2 (ppm/℃)

192

177

76

高-Tg

模量,25℃(GPa)

1.8

3.5

11.0

无 UF

表5:采用不同底部填充剂的WLCSP元件的热循环测试结果 (热循环温度:0 ~ 100℃) 材料/Tg

首个元件出现失效 50%元件失效时 所有元件失效时 时的热循环次数 的热循环次数 的热循环次数

A / 18

500

600

700

B / 53

500

1900

> 2000

C / 94

1800

> 2000

> 2000

无底部填充剂

400

600

800

测试结果显示,对比无底部填充剂的元件,采用底部填 充剂后,无论是低Tg还是高Tg材料都提高了元件的热循环可 靠性。对于高Tg材料,由于Tg(113℃)高于热循环的上限 温度(85℃),在整个热循环温度范围内,材料都处于玻璃 态,材料保持刚性和相对较低的热膨胀系数,从而在热循环 时应力更小,从而有效地对焊点提供保护。

跌落测试性能 通常Tg高的底部填充剂材料由于刚性大,抗跌落可靠 性往往相对较差。而本文所述的两种不同Tg底部填充剂模量 相似(表3)。跌落测试所用元件为12mm x 12mm,0.5mm 球间距的PoP元件,测试标准为JEDEC JESD22-B111

[7]

测试结果如图5所示。

图3:WLCSP元件在0 ~ 100℃范围内的热循环测试结果

热循环测试结果如表5和图3所示,采用高Tg底部填充 剂的WLCSP元件的耐热循环可靠性明显要优于低Tg。材料C 属于不可返修材料,但是具有最佳的可靠性。 如图4所示,对失效元件的切片分析显示,在冷热冲击 作用下,焊接部位由于应力疲劳导致了严重的开裂。 在本研究中,对表3所列的两种不同Tg的底部填充剂材 料进行了热循环测试,采用一组无底部填充剂的WLCSP作 为参比样。测试条件:温度范围-40~85℃,温度点停留时

图5:不同Tg底部填充剂的跌落测试结果

间30分钟,循环2000次,测试结果如表6所示。 测试结果表明,相比无底部填充剂的元件,采用底部填 充剂后,元件抗跌落测试可靠性得到了明显的改善,低Tg材 料的可靠性稍好,两者处于同一水平。

可返修性 由于焊锡在高温下可以融化,焊接工艺一项优点是便 于元件的拆卸和返修。良好的返修性对于组装工厂来说可以 有效地提高良率和降低成本,但在元件底部填充热固型胶粘 剂则大大增加元件返修的难度。因此,底部填充剂体系的设 计,对于元件的返修成功率非常重要。 早在1999年,可返修型底部填充剂于就已经开始使用 。 图4:WLCSP元件的焊点开裂 18 www.emasia-china.com | 2012年11-12月

目前市场上的绝大部分可返修型底部填充剂材料都是低Tg体


专题文章

Feature

系,固化后的材料可在高温变得柔软甚至开始降解,易于除

况的影响。通常,对材料返修难易程度的评估主要基于下

去,从而获得良好的返修性。因此,开发新型高Tg高热循环

述因素:元件是否易于拆卸,底部填充剂的残胶是否易于清

可靠性底部填充剂的一大挑战就是返修性能。

除,是否会对线路板上的阻焊膜和焊盘造成损坏。

在返修采用底部填充剂的组装元件时,焊料需要加热

元件拆卸后,两种胶粘剂类似,都在线路板上大约

至其液相温度之上,对于锡银铜(SAC)合金来的熔点为

40~60%的残胶。可借助助焊剂和返修台的焊料吸嘴,高温

217℃。一旦器件加热到该温度之上,可以在外力作用下容

下再清除残锡和残胶。对两种底部填充剂材料的测试结果显

易地拆下元件。一般可采用特制的工具进行扭转或撬开元

示,在清除掉残胶后,测试板上焊盘、线路或阻焊膜都没有

件,借助专业的返修工具,可有助于提高返修效率并减少对

受到损坏,因此这种材料均显示了良好的返修性能。图7中

线路板的损坏。本实验采用经过优化吸嘴的半自动返修台进

分别为,元件拆卸后测试板(上)、元件拆卸后局部放大图

行返修测试,见图6。

片(中)以及清除残胶后测试板的局部放大图(下)。

asia

结论 目前市场上充斥着各种各样的底部填充剂产品,选择 一款正确的产品对于提高电子产品的可靠性至关重要。在过 去,很难做到兼具良好返修性和耐热循环可靠性这两项要 求。本文研究结果表明,新型的高Tg可返修型底部填充剂在 提供卓越的热循环可靠性的同时,还保持了优异的跌落试验 可靠性,并提供了良好的返修性能。 EM 参考文献: 图6:返修台(左)和优化的吸嘴(右)

由于返修主要依赖于手工操作,底部填充剂的返修性 能的难易程度往往会受到操作人员熟练程度以及返修设备状

1. Buchwalter, et al., “Underfill: The Enabling Technology for Flip-Chip Packaging” in Area Array Interconnection Handbook, K. Puttlitz and P.A. Totta (Eds.), New York, Kluwer Academic Publishers, 2001. 2. Dosseul, F. et al. “WLCSP: Challenges, Performances, and Trends: Key Parameters Influencing the Board Level Reliability of WLCSP”, IWLCP Proceedings, 2008. 3. Elenius, P. “Ultra CSP: A Wafer Level Package”, SMTA/SEMI Pan Pacific Microelectronics Symposium, 1999. 4. Wakabayashi, T. “Wafer Level CSP, a Users Perspective”, Nekkei Microdevices Wafer Level CSP Seminar, 1998. 5. Toleno, et al. “Using Underfills to Enhance Drop Test Reliability of PbFree Solder Joints in Advanced Chip Scale Packages”, SMTA/SEMI Pan Pacific Microelectronics Symposium, 2007. 6. Voloshin, A.S. and Tsao, P.H., "Analysis of the Stresses in the Chip's Coating" Proceedings of the 43rd Electronic Component and Technology Conference, 1993. 7. JEDEC Standard No. 22-B111, JEDEC Solid State Technology Association, July 2003. 8. Toleno, et a. “Enhancing Reliability of Pb-free Solder Joints in Area Array Packages”, SMTA International, 2009. 9. Peng, H. at al., "Underfilling MicroBGAs", Proceedings of 2000 International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging, 2000. 10. Oggioni, S., at al. "A New Reworkable Underfill Material for FCA MCM-L",Proceedings of 2000 International Conference on High-Density Interconnect and Systems Packaging, 2000. 11. Hannan, N. et al. “Investigation of Reparable Underfill Materials for Reliability Enhancements”, SMTA International, 2000.

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专题文章

混装工艺条件下 BGA 应力 断裂问题研究 贾忠中—中兴通讯股份有限公司

铅工艺是电子组装技术的一次革命性改变,不

相互作用而产生的应力。热应力,是指温度改变时,物体

仅因为使用的焊料合金和工艺条件发生了变

由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束,使其不能

化,更主要的是缺乏长期可靠性方面的数据;

完全自由胀缩而产生的应力。它们产生的应力性质有所不

因此,在一些对可靠性要求比较高的产品应用方面没有要

同,一般机械应力为拉应力,而热应力为压应力。但不管

求彻底的无铅转换,像航空航天、军用电子、通讯产品

哪种性质的应力,对焊点的破坏机理都是一样的,即作用

等,仍然允许使用有铅焊料进行焊接,也就是允许使用混

在焊点上的剪切应力超过了焊点所能承受的能力而断开,

装工艺。

如图3所示。

我们发现,在混装工艺条件下,如果BGA的原始金属 间化合物(IMC)比较厚的情况下,再采用长的回流焊接时 间(焊膏熔化以上时间),焊点BGA侧的IMC就可能转为一 种断续、块状的形态。这种形态的BGA焊点似乎不耐应力 作用,组装或使用中容易因各种应力导致焊点断裂;尽管 概率很低,但对于高靠性要求的产品仍然是不可接受的风 险。IMC转为块状形态的机理是什么?这仍然是无铅工艺需 要研究解决的课题之一,目前还没有明确的研究结论。

图3:应力对焊点的破坏机理

应力断裂特征

软的状态,如图4(a)所示。焊点如果受到应力,一般会

BGA焊点的应力断裂,一般发生在BGA侧IMC与焊盘界 面,典型的特征就是断裂面呈沙质特征,如图1、2所示。

有铅焊点内只有锡和铅的合金相(固溶体),焊点呈 直接被吸收。 无铅焊点中的合金相增加了焊点的屈服强度,但却降 低了塑性,如图4(b)所示。焊点受到应力无法吸收,被 直接传递到界面IMC层,这样,IMC成为影响可靠性的关键 因素。

图1:BGA焊点应力断裂典型位置

图4:有铅、无铅焊点组织对比

之所以大多数的时候,裂纹发生在BGA侧IMC界面, 是因为BGA侧界面的IMC通常比较厚。BGA植球工艺本身就 是一次回流焊接过程,而且往往使用的焊接温度更高、时 图2:BGA焊点应力断裂典型特征

间更长,在焊接到PCB上时,已经属于第二次焊接了。

原因推断分析

铅工艺更高、时间更长,因而IMC的厚度相对更厚,再加上

作用在焊点上的应力,无非机械应力和热应力。机械 应力,是指物体受到外力而变形时,在其内因各部分之间 20 www.emasia-china.com | 2012年11-12月

这里需要指出,无铅工艺条件下,由于焊接温度比有 无铅焊点比较硬的原因,使得无铅焊点比较容易因应力而 断裂。


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工艺控制 为了减少应力断裂发生的概率,一方面要注意规范操 作,减少应力的产生;另一方面,提高焊点的强度,避免 产生超厚的IMC。 1、严格管控焊接温度与时间; Cu在熔融的SAC305中的溶解度是在Sn63/Pb37的8.6 倍,在与SAC反应时会形成较厚的IMC层,这点不同于有 铅工艺。在有铅工艺条件下,Cu与SnPb焊料形成的IMC一 般不超过2.5μm,这是因为Pb的抑制作用,但在无铅工艺 下,Cu与SAC305形成的IMC厚度很容易超过10μm。有效 图5:块状IMC

还有一点必须指出,如果BGA原始的IMC特别的厚, 即超过10μm,那么,在回流焊接时,IMC很可能发展成 宽的、不连续的块状IMC,如图5所示。这种IMC的强度相 对于正常IMC,抗拉、抗剪强度会低20%左右,在生产周 转、装配过程中,容易因操作应力而断裂。 在装焊与使用过程中,BGA的断裂主要为机械应力断

的措施就是尽可能减少BGA焊球液态的持续时间,避免IMC 的持续生长。 2、采用低Ag+Ni无铅焊料; 低Ag+Ni无铅焊料具有优良的抗机械振动性能。Ag是 加速界面IMC生长的元素,Ni对Cu3Sn的生产具有抑制作 用,如图8所示。

裂,如单手拿板、安装螺钉和压接等操作,很容易造成PCB 的弯曲,这是非常常见的机械应力。因此,在元件布局、 装配环节,应注意减少应力的问题。图6~7为一些容易引发 应力断裂的布局,仅供参考。

图8:Ni对Cu3Sn具有抑制作用

如Cu与Sn+1.2Ag+0.5Cu+Ni焊料合金,反应形成的 IMC薄而扁平,在250℃下仅形成2μm厚的IMC层,低Ag 加Ni具有阻止IMC生长的作用,如图9(a)所示。 同时也说明,Cu与不同的无铅焊料形成的IMC成分、 形态也不同,这也反映出了无铅工艺的复杂性! 图6:BGA布局在靠近压接件的地方

图9 :Cu与SAC305和Sn1.2Ag0.5CuNi合金形成的IMC形态

3、采用工装组装; 特别是螺装操作,如果不使用底托工装,每装一次螺 钉,PCB就会弯曲一次。如果PCB上有多个螺钉,就会产生 图7:BGA布局在靠近螺钉的地方

多次弯曲,这对BGA的伤害是非常大的。 EM 2012年11-12月 | www.emasia-china.com

21


asia

Interview

专访

Dynamo™——引领便携式产品的 全新制造理念 ——访BTU国际亚太区销售总经理 郑泽平

EM Asia中文版 TU国际是电子制造及可替代能源市场先进热处理设

B

而最近几年,便携式移动电子

备及工艺的领先供应商,其设备广泛应用于太阳能

产品无疑是发展最迅速的细分市场之

电池、核燃料和燃料电池制造以及印刷电路板装配

一,平板电脑和智能手机是其中的佼

和半导体封装生产等领域。BTU在马萨诸塞州北毕莱卡和中

佼者。可是,业内的很多制造商并没有意识到,便携式电子

国上海设有运营机构,在美国、亚洲和欧洲提供销售和售后

产品与其它电子信息产品(如工业、军事、医疗和电源等)

服务。

的生产要求是不同的。

日前,BTU推出了专门为便携式电子产品市场设计的新

由于消费者希望花更少的钱购买比其原来更棒的产品,

型回流焊系统——Dynamo™,我们就相关问题采访了BTU

所以便携式电子产品的制造在注重质量和效率的同时,要求

国际亚太区销售总经理郑泽平先生。

更低的成本,因此,需要使用具有长运行时间、卓越重复性 和高可靠性的设备,这对于大批量制造商来说尤为重要,因

EM Asia 中文版:Pyramax™在市场上已经获得了巨 大的成功,基于什么样的考虑BTU要推出Dynamo™ 系统?

为他们在一个制造工厂乃至不同国家/地区的多个制造工厂

郑泽平:我们于20世纪90年代后期推出了Pyramax™回流焊

复性对于他们来说是至关重要的。

内设有数条到数十条生产线,为确保不同地点生产线所制造 的产品一致性、质量稳定性以及使总产能达到最大化,可重

系统,在随后数年内,BTU对该系统进行了持续的升级和改

BTU始终关注着客户的需求和市场的动向,因而为便

进,目前,Pyramax™已成为市场上性能最佳、质量最优的

携式电子产品制造市场推出了具有卓越重复性和可靠性的

回流焊系统之一,可满足各类电路板最严格的工艺要求。

Dynamo™,并已通过了客户的一系列测评。今后,便携式

近年来,随着平板电脑和智能手机市场需求的快速增

电子产品制造商可享有高性价比的BTU设备。

长,便携式电子产品的质量和功能在不断提高,而价格则在 不断降低,制造商迫切要求回流焊系统在持续可靠地提供具

EM Asia 中文版:客户对Dynamo™可以有何期待?

有高度一致的热性能、重复性和高产能的同时降低使用成

郑泽平:简而言之,价值!与客户对BTU的预期价值相比,

本。为满足上述需求,BTU充分利用研发Pyramax™(以及

他们现在可以用相对较少的投资获得高性能的BTU设备。

之前的VIP和Paragon)时所积累的经验,专门为便携式电子 产品制造市场倾力打造了Dynamo™回流焊系统。

那么,我们如何做到提供物美价廉并适合于便携式电子 产品制造的系统呢?奥秘在于创新和简约的完美融合。我们 设计团队的目标与我们客户在高性能和低成本方面的需求是

EM Asia 中文版:可否请您从设备供应商的角度给我 们梳理一下 Pyramax™推出以来业界发展变化的脉 络?

高度契合的。

郑泽平:当我们在20世纪90年代后期设计Pyramax™时,正

同温度曲线和相同系统的重复性以及不同回流炉之间的重复

处于全球EMS(电子制造服务)发展的初期。随着因特网

性是Dynamo™赋予便携式电子市场的独特优势,这完全得

和移动通信的强力推动,通信基础设施市场获得了显著的增

益于我们在对流动力学方面的独特设计,以及我们独特的闭

长。在那个时期,我们的客户要求设备兼具性能和灵活性,

环对流控制功能。我们充分利用了Pyramax™和前几款回流

生产可以做到“任何电路板、任何时间、任何地点”,而且

焊系统中积累的知识和经验。

Dynamo™为便携式电子市场带来同行不可比拟的热工 性能,跨炉腔的均温性是非常出色的。在不同时间内基于相

他们的产品中可能还包含有重量极大且配置宽大背板的电路

除了确保客户的产品具有卓越的品质、可靠性和可重复

板。鉴于此,Pyramax™的技术指标被设定为可满足24英寸

性,我们对设备长时间的稳定运行亦非常重视,因为我们知

电路板的加工;同时,BTU专有的闭环对流控制技术可以使

道更换部件所花费的时间将影响客户的产能,而优秀的设备

用户无论在全球任何地点都拥有相同的热效能,这对跨国公

需要更少和更简单的维护。我们对Dynamo™进行了巧妙的

司来说意义重大。

架构设计,其部件可以轻松地检查和拆卸;我们还将鼓风机

22 www.emasia-china.com | 2012年11-12月


Interview

马达从炉腔中独立出来,使其可以简单地进行维护和维修。 更为重要的是,Dynamo™还有BTU世界一流的服务团 队和应用专业人员为后盾。

专访

和性能,同时高度重视高正常运行时间和产量。Dynamo™ 无可比拟的重复性尤其适合大批量生产的制造商。 在过去五年里,Pyramax™曾荣获15个以上业内大奖, 长期以来一直被视为业内的性能标杆。Pyramax™以其无与

EM Asia 中文版:您认为便携式电子产品市场将如何 演变;BTU应对市场趋势的战略是什么?

伦比的灵活性而闻名遐迩——可制造电路板的规格最大为

郑泽平:我认为EMS/ODM细分市场的外包趋势将持续下

满足客户不同的工艺要求,Pyramax™可提供丰富的备选方

去。最近有报告显示,通过EMS/ODM生产的3C(消费、

案,高级选项包括适合不同应用需求的双轨双速和高效助焊

通信和计算)产品将以每年15%的速度增长到2016年,并

剂管理系统。可定制将依然是Pyramax™的亮点。

24英寸、最高温度达400℃,氧含量最低可达到3ppm。为

占有整个市场份额的65%。BTU在该细分市场拥有大量的重

不断下跌,客户的利润率也在下降,这促使他们更加关注成

EM Asia 中文版:BTU首先在中国大陆和台湾推出了 Dynamo™,市场的反响如何,何时向其他地区推 广?

本。Dynamo™关注价值是对市场需求和趋势的直接应对。

郑泽平:BTU于11月2日在中国大陆和台湾推出了

为促进降低成本,BTU还将继续重视设计创新。

Dynamo™,基于Pyramax™及以前产品系列的声誉,又因

要客户,并深知交付、可靠性和性能是获得客户信任的关键 因素。同时,终端产品的价格因为消费者需求和激烈竞争而

Pyramax™和Dynamo™的另一关键目标是始终保持其

为Dynamo™是第一款在SMT行业为一个细分市场专门设计

在各自细分市场最佳设备的地位;而保持BTU市场地位的关

的产品,自然引起了客户极大的兴趣。最令人激动的是,

键则是始终如一地保证设备的高质量、持续改进和良好的服

我们从手机制造商Uniscope(优思)那里获得了第一份订

务。

单,该公司是一家典型的便携式电子厂家。Uniscope完成 从地域分布上讲,我们预计产能增长的领头羊包括中

国大陆、中国台湾和韩国,新兴国家/地区包括越南、巴西

了对Dynamo™的评估,对其重复性和可靠性非常满意。 我们近期将向全球推广Dynamo™。

和印度等。我们在这些国家/地区将继续保证强有力的产品 和服务支持。

EM Asia 中文版:便携式电子产品制造市场对服务有 着极高的要求,BTU的服务架构能否加以满足?

EM Asia 中文版: 对于Dynamo™和Pyramax™ 这 两个不同的回流焊系统,BTU的策略是什么?

郑泽平:我们深知,对于客户而言,能够随时提供支持是至

郑泽平:Dynamo™和Pyramax™是BTU为满足细分市场的

服务网络既包括服务工程师亦包括世界各地的合作伙伴。

不同需求提供两款产品。

从地域上讲,我们通过在美国、中国和英国的三大全球管理

关重要的。BTU一直重视建立世界一流的服务团队,我们的

Dynamo™专为便携式电子市场而设计,目标客户是

中心来组织我们的客户支持。我们有幸拥有服务管理和客户

笔记本、智能手机、平板电脑以及其他相关电路板的制造

接待方面的专门人员,他们在我们的产品方面积累了丰富经

商。这些制造商最重要目标之一是期望降低设备的使用成

验,同时拥有数年乃至数十年的服务经历。

本。另一个隐性但亦至关重要的目标是其设备的可靠性和性

为了保证相关技能始终领先,我们还提供持续的客户

能。Dynamo™的设计旨在实现低使用成本和出色的可靠性

培训。因为积极涉足多重市场,我们的业务遍布全球,利 用我们的广泛经验推出可应用于所有细分市 场的培训支持。例如,针对半导体封装客户 的PBET认证培训,已成为我们的标准培训服 务。 我们也拥有强大的应用工程服务团队, 设立在美国和中国的实验室能够在工艺研发 和优化方面与我们的客户进行密切的协作。 Dynamo™新型回流焊系统是首款为便 携式电子产品制造专门设计的产品,我们期 待它能在中国和全球市场上取得成功,以使 这一全新的理念为电子制造业界今后的发展 开拓出一条新的道路。 EM 2012年11-12月 | www.emasia-china.com 23

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测试与测量

应用片上DFT提高DDR 存储器的测试效率 John Pendlebury — Agilent Technologies, Inc.

试电路板上的DDR内存已经愈加困难了,它们 中的大部分并不具备片上可测试性设计(onchip DFT)的特性,缺少足够的测试通道。为

DDR内存提供正常运行所必需的精准定时信号以及应用在 测试中就是一个极大的挑战。虽然内存控制器中的边界扫 描技术有助于解决通道问题,但在边界扫描的串行环境中 实现所要求的信号协议的困难程度却在不断上升。 DDR内存供应商并不愿意提供片上针对测试的设计 (DFT),然而已经有一个具有可测试性设计的图形内存芯 片实例。最新发布的IEEE1581标准提出了一种增加RAM器 件可测试设计的方法,该方法可以通过在器件上增加/或不 增加新的引脚得以实现。这些功能极大地降低了在板级测 试中实现可靠、稳定以及可重复的DDR内存测试的难度。 本文将讨论目前DDR内存测试的挑战,如何使用DFT 功能提供更高的测试覆盖率、更好地诊断能力、减少编程 以及维护时间等问题。

图1:简化的 DDR3 工作状态示意图

DDR基础 为了更好地认识在DDR内存上采用DFT工具所带来的 好处,首先需要理解在线测试工程师在开发针对DDR内存 器件测试时所遇到的问题。我们将从DDR内存的工作原理 帮助大家理解DRR的复杂性,然后揭示出这些复杂性给在 线测试和边界扫描测试带来的挑战。我们将对具备DFT的 DDR内存可以开发的测试方法间进行比较,特别是对于具 备JEDEC批准的测试模式的图形DDR3内存芯片的测试方 法。

DDR工作原理 如果要使用常规的基于向量的测试方法测试DDR存储 器,就必须使用非常复杂的初始化序列和命令结构。简化 的DDR3内存工作状态如图1所示。 只有完成冗长的初始化序列,包括完成对器件的模式 寄存器的编程将数据写入器件后,测试序列中的第一个读 指令才能被执行,这时测试工程师就能验证初始化序列和 写指令是否已经成功执行。 24

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图2:信号交叉点设定示意图


测试与测量

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内存只能以突发模式,一次对2、4或8个地址位进行编

(50Mhz/2)/1000 = 25kHz。在这样低的有效数据速率条

程。正负时钟输入的信号交叉点Vix也必须被精准控制才能

件下,所需要的刷新指令就比在传统在线测试环境下的多

顺利进行测试。信号交叉点的设定如图2所示。

得多,因此测试需要针对这样特殊的测试方案进行裁剪。

正因为如此复杂,就给在这样的器件上开发测试带来 了一系列的挑战

低有效数据率必然导致测试器件所需的测试向量也 会需要有相应的增多。举例来说,对于开发一个从15个地 址单元读和写的DDR3存储器测试,边界扫描测试需要超

对在线测试的挑战

过150万个测试向量,因而测试执行时间会相应增长,而

DDR内存通常具有一个最低数据或时钟速率,这个速

且更长的测试编译时间也会使测试开发效率受到很大的影

率大大高于在线测试设备或边界扫描设备的所能提供的信

响。当TCK速度为25MHz时,一个DDR存储器测试就需要

号速率范围。可以通过使被测器件工作在“数字锁相环关

120ms

闭(DLL off)”模式来解决这个问题;在此模式下,可以 使用在线测试或边界扫描测试系统所提供的低得多的时钟

具备DFT特性的器件

速率。然而,当DDR存储器运行在“数字锁相环关闭”模

现在我们来讨论一个具有JEDEC定义的扫描测试模式

式后,其对设置在模式寄存器中的延迟参数(CAS延迟和附

的GDDR3器件。这类器件具有一个附加的信号脚:SEN

加延迟)的响应方式会截然不同。DLL off模式也是DDR存

(扫描使能),当存储器被设置于测试模式,它就成为一

储器的可选特性,对于不同供应商或不同器件该模式可能

个并入串出的移位寄存器,有3个信号引脚是移位寄存功能

不会被支持。如果不能选择“数字锁相环关闭”模式,在

的控制引脚,另外有一个引脚是移位寄存器的输出引脚,

较低频率下测试DDR存储器器件会出现不可预测的行为,

而存储器其余的数字I/O信号引脚都是移位寄存器的输出引

从而无法进行可靠的测试。

脚,见图3。

在线测试夹具的噪声拾取同样必须考虑,越来越多的 电路板使用开关电源而非线性电源,如果这些电源电路可 以被测试并且测试夹具探针可以访问,这些噪声可能会被 拾取到这些测试探针并被传递到用来测试DDR存储器的驱

相同的 扫描触发器 (每一被测信号 各一个)

动电路和接收电路。由于测试向量相当长,这样就可能使 DDR测试出现断续的故障现象。可以通过使用两级测试夹 具或以牺牲测试覆盖率为代价,拔去电源电路的探针解决 上述问题。 能否创建一个可适用于任何一块电路板、任何一家存 储器厂商器件的测试方案也是一个棘手的问题。来自不同 厂家的存储器都必须满足相同的JEDEC规范,但由于规范 留有在如何实现标准方面的空间,因此无法确保某一家厂 商的产品测试时能够以相同的方式工作。

扫描链路其余信号如下: DQ[3:0], DQ[31:6], RDQS[3:1], WDQS[3:1], DM[3:1], RFU, CAS#, WE#, CKE, BA[2:0], A[11:0], CK, CK# and ZQ

对于边界扫描测试的挑战 当对一个DDR存储器单元进行写入操作时,实际上 是对这个单元进行充电。并且DDR存储器上的每一个编程

在扫描链路中有2个RFU 信号,读取时为逻辑“0” (136BGA封装中为 I-­2 和 J-­3 引脚)

后的内存单元都必须周期性的充电。如果不这么做,编程 后的内存单元将会放电,存储器就会丢失原来被写入的内

以下信号不在扫描链路上 nc, vdd, vss, vddq, vref

容。对于典型的DDR3内存,每8微秒或更短周期就需要 运行一次刷新指令。这意味着一个在线测试系统上能够对

用于设置器件进 入扫描模式并且 配置其他引脚具 有扫描功能

被测器件进行完整访问的常规测试,可能无法在边界扫描 测试系统上执行。这是由于边界扫描测试一般提供非常低

当ZQ信号连接到外部电阻 时,读取值为逻辑“0”, 当ZQ信号开路,读取值 为“浮动”状态,因此ZQ 信号应由相应信号驱动

的有效数据速率。举例来说,如果用于测试DDR存储器 的边界扫描链由1000个边界扫描单元组成,当TCLK速率 为50MHz时,边界扫描单元所能产生的最高时钟速率为

图3:内部框图(仅供参考) 2012年11-12月 | www.emasia-china.com

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测试与测量

基于ICT的测试

2MHz,测试时间只需要250ms。如果测试系统支持混合使

此DFT功能允许为存储器创建一个简单的测试。以三星

用模式,即针床探针和边界扫描资源都能使用时,测试时

512M GDDR3器件为例,一旦置位SEN信号(引脚V-4)调

间可能会更短。例如,同样使用一个长度为1000个单元的

用测试模式,将有67个器件引脚会成为移位寄存器的输入

边界扫描链路,但扫描时钟和器件的扫描输出信号引脚可

引脚。只用4个测试向量就能完成初始化,同时开路测试仅

以通过探针访问,将只需要12000个测试向量,测试时间缩

仅只需要282个测试向量。这比常规的DDR测试简单得多,

短到仅仅6ms。 由于通过边界扫描器件而不是由ICT测试硬件通过针床

原先仅初始化就需要超过4000个测试向量。如此少的测试 向量及定义清楚的工作方式使的测试这样的器件变得非常

施加测试激励信号,就避免了噪声问题。

简单,大大减少了开发测试的人力投入。另外很多存储器

通过测试模式来测试存储器器件的另一个重要的好处

厂商都支持这个测试模式,实现的方式也完全相同,这使

是可以增加测试中的诊断信息,既能指示输出故障也能指

测试工程师只开发一个测试方案就能适合被测电路板上使

示可能的输入开路故障。由于移位寄存器的每个单元是移

用的不同厂家的存储器器件。

位的,当器件测试发现故障时,能够提示出对应的输入信 号引脚。由于常规测试中所有的输入输出引脚是同时被测

基于边界扫描的测试

试,就无法提供这样的能力。常规测试的这个问题在测试

如果器件在线路上没有测试点或不能测试点覆盖不完

通过边界扫描进行的时候会变得更复杂。

整,只可能通过边界扫描器件链路进行测试。同样的,由

除了扫描测试模式外,最近IEEE1581标准刚刚得到

于所需要的测试向量数量大大减少,边界扫描测试也变得

批准。这是一组新的DFT功能特性,可以加入DDR存储器

简单并容易实现。对于一个长度为1000个单元的边界扫描

器件,来简化测试开发调试。在IEEE1581标准中,不需要

链路,大约需要50万的向量来测试存储器器件。这意味着

增加额外的信号引脚来设置器件进入测试模式。1581标准

测试编译时间也会缩短,反之常规器件使用的边界扫描测

包括一个透明测试模式功能,当测试工程师对器件执行一

试的编译时间往往非常长。一个包含2万个测试向量的常规

个“非标准”操作时器件将进入测试模式。IEEE1581标准

测试方案在长度为1000单元的边界扫描链路上执行的话,

支持的测试模式是XOR树型测试的所有版本,因而提供了

需要4000万个边界扫描测试向量,这会使测试时间和测试

与之前描述的JEDEC测试模式非常类似的效果。由于测试

编译时间变得更长。在TCK速率为25MHz时整个测试需要

逻辑完全是组合逻辑而不是时序逻辑,测试时间进一步降

1.5秒,而对于具备JEDEC定义的扫描测试模式的器件,如

低了。同样的,使用XOR树的另一个好处是能够提供引脚

果通过ICT进行边界扫描测试且ICT的测试向量执行速率为

级别的诊断能力。

结论 BST: 1.6s (4*10E7/25M)

BST: 0.25s (500000/2M)

相比使用常规测试方法,具备本文 所介绍的这些DFT功能特性的DDR内存 器件的测试更简单有效。由于所需的测 试向量数量大大降低,测试执行既快速 又可靠,同时诊断性得到了改善,在生

测试时间 / 秒

产中应用这样的测试方法只需很少的支 持。另外,由于消除了内存器件厂商间 的在测试上的差异性,无论哪家厂商的

ICT: 10ms (20000/2M)

器件都只需要开发一个测试方案。 存储器向着愈加高速和复杂方向发 展,给测试业界带来了很多的挑战。希 ICT: 0.14ms (286/2M)

望本文有助于读者理解在DDR存储器设 计中应用DFT功能特性,如何来解决今 天测试工程师所面临的挑战。em

图4:常规及测试模式下的测试时间比较(对数坐标)

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2012年11-12月

(This paper was first published at “IPC APEX EXPO 2012 Technical Conference proceeding”)。


第八届“EM Asia创新奖 ” 评选活动拉开序幕

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