Kontext

Context

Letecký OEM vyvíjel řídící jednotku pro palubní systém s požadavkem na životnost 20 let v prostředí s teplotními výkyvy od −55 °C do +125 °C. Během kvalifikačního testu došlo po 200 teplotních cyklech k selhání komunikačního rozhraní. Vizuální kontrola a rentgen neodhalily žádnou zjevnou vadu.

An aerospace OEM was developing a control unit for an onboard system with a 20-year lifetime requirement in an environment with temperature swings from −55 °C to +125 °C. During qualification testing, the communication interface failed after 200 thermal cycles. Visual inspection and X-ray revealed no obvious defect.

Problém

Problem

Selhání se projevilo jako přerušovaný kontakt na jednom BGA pouzdru s 256 vývody. Bylo potřeba identifikovat příčinu, určit rozsah problému a doporučit nápravné opatření bez zpoždění kvalifikace.

The failure manifested as intermittent contact on a single BGA package with 256 leads. The goal was to identify the cause, determine the extent of the problem and recommend corrective action without delaying the qualification.

Přístup

Approach

Provedli jsme cílený metalografický řez BGA pouzdrem. Zaměřili jsme se na kritické vývody v rozích pouzdra, kde je tepelné namáhání nejvyšší. Připravili jsme nábrusy ze tří oblastí: rohové vývody, vývody ve středu pouzdra a vývody na okraji. Vzorky jsme zkoumali optickou mikroskopií při zvětšení 200× až 1000×.

We performed a targeted metallographic cross-section through the BGA package. We focused on critical leads at the package corners, where thermal stress is highest. We prepared micrographs from three regions: corner leads, leads in the centre of the package, and leads at the edge. Samples were examined by optical microscopy at 200× to 1000× magnification.

Zjištění

Findings

Analýza odhalila tři klíčové skutečnosti:

The analysis revealed three key facts:

• Trhlina v pájeném spoji u rohového vývodu – trhlina probíhala rozhraním mezi pájkou a měděným padem, typický projev únavy materiálu způsobené teplotním cyklováním.
• Nadměrná tloušťka intermetalické vrstvy – v místě trhliny byla vrstva Cu₆Sn₅ silná 12 µm, což výrazně převyšuje doporučený rozsah 1–4 µm. Vrstva byla navíc nerovnoměrná s výraznými výstupky.
• Nestejnorodá velikost zrn pájky – v rohových spojích byla zrna hrubší než ve středu pouzdra, což ukazovalo na odlišný teplotní profil během pájení.

• Crack in the solder joint at the corner lead – the crack ran along the interface between the solder and the copper pad, a typical manifestation of material fatigue caused by thermal cycling.
• Excessive intermetallic layer thickness – at the crack location, the Cu₆Sn₅ layer was 12 µm thick, significantly exceeding the recommended range of 1–4 µm. The layer was also uneven with pronounced protrusions.
• Non-uniform solder grain size – corner joints had coarser grains than those in the centre of the package, indicating a different thermal profile during soldering.

Příčina

Root Cause

Kombinace dvou faktorů:

A combination of two factors:

1. Nevhodný teplotní profil přetavení. V rozích pouzdra bylo dosaženo vyšší teploty a delší doby nad liquidem, což vedlo k nadměrnému růstu intermetalické vrstvy a hrubnutí zrn.
2. Nedostatečná tepelná kompenzace v návrhu. Rohové vývody nebyly dimenzovány na plný rozsah teplotní roztažnosti, kterou pouzdro BGA vykazuje.

1. Improper reflow thermal profile. Higher temperature and longer time above liquidus were reached at the package corners, leading to excessive intermetallic growth and grain coarsening.
2. Insufficient thermal compensation in the design. Corner leads were not dimensioned for the full range of thermal expansion exhibited by the BGA package.

Doporučení

Recommendation

• Upravit teplotní profil přetavení tak, aby maximální doba nad liquidem nepřekročila 60 sekund a tloušťka intermetalické vrstvy zůstala pod 4 µm.
• Provést termální analýzu desky (FEA) a případně doplnit tepelné kompenzační prvky u rohových vývodů.
• Zavést do výroby pravidelnou kontrolu tloušťky intermetalické vrstvy na vzorcích z každé výrobní dávky.
• Zdokumentovat tento typ poruchy do interní databáze znalostí a promítnout do budoucích návrhů.

• Adjust the reflow thermal profile so that the maximum time above liquidus does not exceed 60 seconds and the intermetallic layer thickness remains below 4 µm.
• Perform thermal analysis of the board (FEA) and, if necessary, add thermal compensation features at the corner leads.
• Introduce regular inspection of intermetallic layer thickness on samples from each production lot.
• Document this type of failure in an internal knowledge base and incorporate it into future designs.

Výsledek

Outcome

Po úpravě teplotního profilu a doplnění tepelné kompenzace prošla jednotka úspěšně kvalifikačním testem s 1000 teplotními cykly bez selhání. Zjištění byla zahrnuta do interní směrnice pro návrh BGA pájení.

After adjusting the thermal profile and adding thermal compensation, the unit successfully passed the qualification test with 1000 thermal cycles without failure. The findings were incorporated into the internal BGA soldering design guideline.