当组装复杂的电子产品时，工程师经常需要将小的子卡与大的主板连接起来。最近推出的压接连接器和球网格阵列(BGA)连接器使这项任务更容易，成本更低。这些连接器可以高速传输大量数据。它们的电性能也比通孔连接器好。
合同制造商更喜欢BGA连接器，因为它们不需要波峰焊。它们被放置在电路板上，并在回流焊期间像任何其他表面安装组件。而且，像所有区域阵列组件一样，BGA连接器具有在回流过程中自我居中的内在能力。
不幸的是，关于组装这些连接器的理想参数或其长期可靠性的数据很少。我们进行了一项研究来找出答案。
我们的研究考察了五种不同的连接器:
- 背板一种带有192 I/O的压接连接器，尺寸为1.8 × 1.35毫米。
- 背板b -具有120 I/O的压接连接器，尺寸为2.5 × 1.5毫米。
- mezz扣a - BGA连接器，666 I/O，尺寸为1 × 1.3毫米。
- Mezzanine B-a BGA连接器，300 I/O，尺寸为1.27 * 1.27毫米。
- 插座- 700 I/O的BGA连接器，尺寸为1.27 * 1.27毫米。
我们的测试板名为“Metropolis”，每个连接器都有两个样本。连接器的间距足够远，以确保在回流过程中均匀加热，并在加速热循环(ATC)测试期间充分的空气循环。
除了组件本身，我们还研究了表面光洁度对连接器可靠性的影响。我们研究了三种涂料:有机焊料防腐剂(OSP);化学镍、浸金(ENIG);和浸银。我们还评估了返工对可靠性的影响。
在设计Metropolis时，我们遵循IPC-9701的指导方针，该指导方针规定了表面贴装组件的可靠性测试。尽管这个标准在编写时并没有考虑到BGA连接器，但它是一个有用的起点。
与标准的一个不同之处在于通过组件实现菊花链。当为BGAs构建测试板时，必须从供应商处获得一个雏菊链版本的包。然后，这些包被安装在测试板上，测试板被设计用来连接包内的雏菊链链接，通过板和组件形成一个连续的循环。
对于我们的研究，雏菊链版本的BGA连接器是不可用的，所以使用了实际生产部件。雏菊链完全是在测试板内创建的。例如，为了评估一个夹层连接器，使用了两块电路板——一块用于主板，一块用于子卡。一旦测试板组装好，一个完整的菊花链电路通过连接器和两个pcb被创建，这允许在ATC期间进行电阻测量。为了测试插座，使用了雏菊链的虚拟处理器。
我们在测试板上添加了几个功能，以促进可靠性测试。利用测试点将雏菊链细分为较短的小节。这有助于隔离ATC期间的电气故障。跳过失败组件的能力允许在单个雏菊链上放置多个组件。因此，现场监测通道较少，降低了研究成本。测试板上的监测头是表面安装针头，这使得测试板不需要波峰焊就可以组装。
我们测试板的一个独特特点是插座组件的硬件。为了降低项目成本，我们决定使用一个简单的铝板来模拟复杂而昂贵的散热器。通常情况下，需要在金属框架上安装一个大的散热器来散热处理器在运行过程中产生的热量。这个框架是用铆钉围绕着插座固定在木板上的。
不幸的是，金属框架对于我们的测试板来说太大了。我们没有设计一个更大的板，而是削减了框架，这样就只剩下测试所需的部分。我们的测试不需要散热器的散热功能。然而，由于散热器对处理器施加了压缩负载，我们不能完全没有它。
组装董事会
对于BGA连接器，我们的主要目标是通过ATC测试收集可靠性数据。对于压合连接器，主要目的是测量镀锡铅和镀纯锡的导线的插入和保持力。ATC测试中的性能是可靠性的相对衡量标准。虽然ATC通常用于加速焊点的疲劳失效，但它也是压接接头的相关测试。压合接触有许多失效模式，但微动腐蚀是热循环可能加速的一种。温度变化会引起接触界面的微动。这会导致接头磨损，最终导致可检测到的接触电阻增加。这些数据可以提供具有不同表面处理的连接器的相对性能。也可用于比较镀锡铅连接器与无铅连接器的性能。
主板和子卡是用标准锡铅锡膏印刷的。
微调放置机定位所有连接器。夹层连接器B很容易从磁带和卷筒中取出，并使用标准喷嘴放置。插座是包装在JEDEC托盘，也是使用标准喷嘴挑选。夹层连接器A封装在热成型塑料托盘中，采用振动给料机给料。研究中包括两种不同尺寸的夹层连接器A。在主板上，我们使用了5毫米和15毫米高的插座。在女儿卡上，我们使用了高10毫米和20毫米的插头。我们没有遇到任何规模的困难。
所有的板在一个10区对流炉与氮气气氛回流。
在测试计划中包含了一组返工样品。在每一个表面光洁度上，每个连接器类型选择10个位置进行返工。只有更高版本的夹层连接器A被重做。考虑到更高版本的高度和内部结构，我们怀疑它更容易出现可靠性问题。重做的样品也包括在ATC测试中。
回流焊后，压合连接器安装在子卡和主板上，并测量插入力。然后将每种类型的10个连接器拆除更换，并测量第二次放置的插入力。
最后，子卡被配对到主板上，并添加硬件，如缓冲和散热片。然后这些组件就准备好供空中交通管制使用。
测试板
组件被分为两个热循环室。锡铅组件被放置在一个房间里;无铅压合组件放置在第二个。我们遵循IPC-9701中列出的首选热循环剖面。温度从0℃循环到100℃，锡铅组件测试时间为90分钟，无铅压装组件测试时间为60分钟。总成的质量和复杂的几何形状不允许使用更快的剖面。
在ATC期间，使用数据记录器进行现场监控。当连续五次读数显示阻力比基线值增加20%或更多时，网就被认为是失效的。定期停止测试，以隔离失效网子上损坏的引脚。电路板的设计允许每个连接器从组装中被切断，而不会损坏到其余连接器的连接。这使我们能够在检测到故障后尽快进行故障分析。
三十块主板组装在一起，顶部有一个插座和散热器组件，而对面只有一个插座。在测试过程中，只有上层的插座被监控。在这30块电路板中，15块进行了振动测试，15个组件进行了扭矩测试。所有30块电路板都通过了这些测试，电阻没有增加。
测试结果
正如预期的那样，夹层连接器B的大多数失效都与焊点疲劳有关。我们发现三种表面处理之间的可靠性差别很小。OSP抛光似乎提供了稍微更好的可靠性，但样本量太小，我们无法确定OSP比其他抛光更好。对于浸渍银，新组装和重新加工的连接器的可靠性是相似的。然而，对于ENIG来说，重新组装的连接器的可靠性比新组装的连接器稍低。在重做的连接器中，1%的样本在不到100次循环后失败。相比之下，新组装的连接器中有1%发生故障，需要300多个周期。这是意料之外的，我们做了额外的分析来确定根本原因。
当每个元件失效时，用万用表对失效引脚的位置进行隔离。然后从测试板上切下选定的组件进行进一步分析。从电路板上拆卸连接器的过程比BGAs更复杂，因为必须考虑到接触失败的可能性。
首先，对峙硬件被移除，子卡被小心地从主板上分离。每个失效针上的触点都被检查是否有污染或异常磨损。这样做是为了确定电阻的增加是否是由于接触失败。然后将包含样本的主板部分剪下来。如果没有检测到触点损坏的迹象，则对样品进行横切，以确定焊点是否失败。未配对的主板和子卡被修剪和盆栽。在第一个失效位置制作截面，确定每个试样的失效模式。
横截面显示，大多数样本在子卡上失败。这些裂纹是典型的疲劳失效，虽然它们形成在接头的板侧而不是组件侧。这可能是由于不寻常的球连接方法在组件侧。这些球不像传统的BGA那样焊接在平板上。相反，它们被回流到作为触点一部分的引脚上。在失效接头中观察到的裂纹通过板侧金属间化合物层上方的块状焊料扩展。
在四个案例中，我们发现主板和子卡都有裂缝。在每一种情况下，我们都发现了类似的疲劳裂纹，所有这些裂纹都位于接头的板状一侧。
由于故障位置是孤立的，我们注意到故障是在一个模式中发生的。我们绘制了每个连接点和每个表面光洁度的故障位置地图。我们的图表表明，故障并不像预期的那样局限于到中性点的距离。相反，故障集中在连接器的长度，聚集在长边缘的中间附近。另一个意想不到的发现是，失效并不是对称地发生在连接器的长边上。表面光洁度和返工都不是故障位置的因素。
我们进一步调查，以确定故障为什么会出现在它们出现的地方。热膨胀系数(CTE)的测量之前已经对来自夹层连接器b产品系列的连接器进行了测量。该连接器与我们在测试中使用的插座具有相同的足迹，但稍高。去除塑料外壳材料样品，用数字散斑相关法测量CTE。这些测量确定连接器的CTE在X、Y和Z轴上是不同的，这是由于聚合物在成型过程中流动的变化。
我们发现，在X轴的CTE，在连接器中心附近测量，大约是15 ppm/C。这与主板的CTE的13至14 ppm/C密切匹配。然而，在Y方向上，连接器的CTE更高，为23 ~ 27ppm /C。因此，在Y方向上，单板和连接器之间存在CTE不匹配。这有助于解释为什么失效发生在连接器的长边缘，但这并不能完全解释为什么失效集中在连接器的内边缘，或者为什么它们主要出现在子卡上。
Z轴的CTE相对较高，为84 ~ 97 ppm/C。用于对峙的不锈钢的CTE为10到17ppm /C。根据这些数据，我们认为系统的表现是这样的:随着组装温度的升高，连接器在Z轴上展开。僵局也在扩大，尽管由于CTE较低而不那么严重。由于子卡比主板更薄，也更柔顺，所以当连接器扩展时，子卡会向上弯曲，卡上会受到拉伸应力。同时，子卡、主板和连接器在X和Y方向扩展。在焊点层面，这将表明故障将主要发生在子卡上。
因为Y方向连接器的CTE超过了单板的CTE，所以连接器的膨胀速度会比单板大。因此，在最靠近接头的外侧一排球上，卡内的拉应力和连接器膨胀产生的应力作用方向相同，焊点的应变相对较低。在内排，卡内的拉应力和连接器相对于板的膨胀产生的应力作用方向相反，导致焊点上的应变更高。其结果是，内部的几排球首先会失效。
基于这一理论，工程师们应该使用在连接器Z方向上更接近CTE的材料。这样可以使应力更均匀地分布在关节上，延长疲劳寿命。
在4200次热循环之后，插座只出现过两次故障。故障发生在3100到3600个周期之间。故障被隔离到位于插座中间的周边排接头。夹层连接器A的两个型号都没有发生电气故障。
关于压合连接器，我们的数据显示，在20组重新插入连接器中有3组失败。故障大约发生在1500个周期，故障地点完全随机。只插入一次的压合连接器会出现间歇性故障，但故障引脚的位置无法隔离。
建议
BGA连接器和压合连接器的电气特性、低成本和易于组装使它们成为将子卡连接到主板的良好选择。然而，工程师应该仔细选择这样的连接器。即使工程师在BGA方面有丰富的经验，他们也不应该假定BGA连接器会以同样的方式工作。在区域阵列元件中，故障通常发生在离中点最远的距离或在模具边缘。BGA连接器有不同的失效模式，这取决于组装几何形状和支架的材料特性。
随着连接器的结构和材料越来越复杂，二级测试对于确保产品的可靠性是绝对必要的。我们强烈建议在产品的基础上进行测试，以充分了解每个连接器上的应力。
