封裝設計工程師，進行可靠度驗證實驗室進行板階可靠度(Board Level Reliability, BLR)測試前，必須先製作電路板(PCB)測試板，藉此模擬封裝元件組裝於印刷PCB時，可能出現的錫球焊接問題。在實驗過程中，若封裝或PCB兩者，只要有其中之一失效，可靠度試驗就宣告Fail。因此，封裝與PCB之間，取得平衡點，才能使實驗的壽命最佳化。不過在BLR測試中，所需的PCB測試板，本身材料、厚度、走線層面等，不僅須要遵照相關國際規範的要求，更是影響可靠度測試結果的關鍵。板階製程又稱L2、Level2或Board Level2，也就是將第一層級封裝後的Package，組合至PCB上之製程。而所謂的板階可靠度(BLR)，就是驗證封裝上板至PCB之焊點強度(Solder Joint)的測試方式(圖1)。
PCB測試板設計重點
選擇實驗欲參照的法規
BLR測試方法可分成五大類，包含熱循環(Thermal Cycling)、振動(Vibration)、落摔(Drop)、循環式彎曲(Cyclic Bending)、靜態式彎曲(Static Bending)等測試手法。除熱循環屬溫變類實驗外，其他皆屬於機械類別的試驗。
板階可靠度在消費性產品的國際規範可參考JEDEC B103/A104/B111/B113、IPC-9701~9704/9708(表1)，或是各家終端消費型品牌大廠，包括可攜式產品、車用電子等類型也都有各自訂定的客戶規範。而客戶BLR測試的依據，可能是基於產業標準或客戶標準，故釐清選用的BLR 測試標準是首要之道，再依據其中不同的實驗項目選擇對應的PCB規範。
不同的實驗規範對於PCB測試板的材料參數、厚度、層數、走線層面、銅線寬度，導通孔(Via)設計方式及表面處理等，都有明確定義，某些規範甚至連板層疊構都有要求，因此設計與製作時必須謹慎，避免違反規範。
準備菊花鏈的Package與PCB
因BLR測試目的是為了解元件上板後的焊點品質，必須透過菊花鏈(Daisy Chain)設計，將待測樣品元件與電路板連結的各個焊點形成網路，藉此即時監控阻值的變化，可得知各個錫球焊點是否失效，準確擷取失效的時間點，藉此了解各材料所能承受的壽命才可及早進行改善。Daisy Chain線路設計可分成兩部分，一半的線路是設計在Package元件上，另一半則設計在測試板上，當Package元件透過表面黏著(SMT)到測試板時，即可形成一個完整的Daisy Chain(圖2)。
影響BLR中PCB可靠度的原因
以下彙整廠商如宜特板階可靠度實驗室遇到的狀況，BLR中PCB可靠度的原因可歸納下列七項。
PCB焊墊(Pad)尺寸
試驗時所產生的應力，會使Package上板後最弱的位置先裂開。如下圖3a.為例，若Package端的焊墊(Pad)尺寸大於PCB端的，則靠近PCB的位置會最早裂開，反之，結果則相反。而當封裝與PCB Pad尺寸(圖3c.)一致時，應力分布最均衡，壽命試驗數據會較佳。而為了達成此目標，除了PCB設計時，Pad尺寸需與封裝一致外，亦需考量板廠的製作誤差，才能上下均衡，進而延長試驗壽命。
封裝Pad分布狀況
若封裝端Pad有空洞或不規則，應力不平均就會有破裂(Crack)風險，如圖4裂開Crack位置，最可能發生在缺pad的地方。
走線層面
不同試驗類別，對於走線層面的衝擊也不同，必須順應試驗類別選擇走線層面。例如，溫度循環測試與機械類試驗，容易造成破裂的位置就不一樣。所以規範IPC9701，要求走線需在表層；而規範IPC9702，則要求走線在內層。
封裝尺寸
外型大顆的封裝通常較重，因此不利機械類的實驗結果。同時封裝基板(Substrate)也容易在受熱後變形。
PCB翹曲變形
常見造成PCB翹曲變形原因主要有四點，一是須注意板材「熱膨脹係數(CTE)」，避免因PCB異質材料不均勻的收縮，造成嚴重板翹。其次，電路板中各層的「導通孔」將影響PCB變形幅度。三是PCB上封裝材料的「重量」，亦是影響板凹因素，以致SMT後PCB形成哭臉或笑臉，使得錫球變形。四則為PCB「銅箔面積不均」，熱漲冷縮後造成PCB變形。
待測零件擺放至PCB的方向
應以較大應力的方向放置。依據規範JEDEC22-B111、IPC9701要求，封裝長短邊的擺放方向應與板框一致。
有無導通孔
除規範限制外，BGA上，有導通孔的Pad附著力較好，抵抗整個Pad被拉起的能力，也較無Via優，不過前提是，Via必須電鍍回填。
PCB設計常見疑難
不可於同一片PCB放置不同的封裝
不同的封裝尺寸不可混合在同一塊板上，因為會影響板子的動態響應，造成結果難以分析。
菊花鏈設計建議
最常見的菊花鏈，是依據Pad的分布位置區分為不同的Channel，有助於失效偵測及異常分析。
可分為一個或多個菊花鏈進行監測。依Pad分布位置區分為不同的Channel。
每個菊花鏈的輸入和輸出端都必須連接到Connector Pin。
封裝上的所有焊點都應被菊花鏈所覆蓋，包括Ground & Power Pin。
盡量增加測試點，提供異常發生時的故障分析(FA)需求。
(本文作者為宜特可靠度工程處經理)
