Технологии и Процесс

Состояния дефекта вида «голова на подушке» в технологии поверхностного монтажа

В условиях перехода производства электроники на бессвинцовую пайку, а также с уменьшением профиля корпусов BGA-компонентов и шага их выводов, растет процент появления дефектов отсутствия смачивания, известных под наименованием «голова на подушке» (head-on-pillow, HnP). Этот дефект трудно обнаружить после завершения сборки по технологии поверхностного монтажа, и наиболее вероятно, что он проявится уже у заказчика.

Существует ряд причин появления дефектов такого типа. Их можно разделить на проблемы, связанные с техпроцессом, материалами и конструкцией.

В этой работе проводится исследование этих различных причин появления дефектов отсутствия смачивания типа «голова на подушке» после сборки по технологии поверхностного монтажа, а также механизмов образования таких дефектов. Также будут описаны важнейшие факторы, влияющие на этот тип дефектов. Будет рассмотрено, как определить основную причину дефекта, и даны возможные решения, препятствующие его появлению, чтобы в результате получить надежный техпроцесс поверхностного монтажа.

Дуди Амир (Dudi Amir), Райо Аспандиар (Raiyo Aspandiar), Скотт Баттарс (Scott Buttars) — Intel Corporation, USA,
Вей Вей Чин (Wei Wei Chin), Парамжит Гилл (Paramjeet Gill) — Kulim, Malaysia,
Исходная публикация: в материалах Международной конференции SMTA ©


Состояния дефекта вида «голова на подушке»
в технологии поверхностного монтажа

Электронная отрасль двигается в сторону производства, дружественного к окружающей среде, более миниатюрным и тонким корпусам и увеличению плотности монтажа на плате. Все эти тенденции вызывают рост проблем при сборке плат. В результате наблюдается рост образования дефектов отсутствия смачивания, названных «голова на подушке».

Этот дефект известен под многими другими наименованиями — голова в подушке, шарик в чашке, шарик в углублении, а также скрытая подушка. Все они относятся к одному и тому же явлению — паяному соединению, состоящему из двух металлургически различимых масс, которые сформированы из шарика BGA-компонента и оплавленной паяльной пасты с незавершенным их слиянием или его отсутствием. На рис. 1 приведено типичное поперечное сечение дефекта типа «голова на подушке».

дефект h'n'p

Рис. 1 — Дефект типа «голова на подушке».

Как видно из рис. 1, шарик BGA-компонента сидит на затвердевшей пасте, но не образует неразрывного паяного соединения. Применяя стандартные методы испытаний, выявить данный дефект затруднительно, так как с приложением небольшого давления или при его отсутствии он может успешно пройти внутрисхемное тестирование и «отбыть» к заказчику. Так как наиболее вероятно, что этот дефект проявится полным или перемежающимся отказом после некоторого времени работы изделия у заказчика, важно понять механизм образования этого дефекта и предотвратить его появление.

Цель этой статьи — выявить факторы, вносящие свой вклад в дефект «голова на подушке», объяснить их появление и дать наилучшие из известных решений по их предотвращению. В работе все причины появления дефекта разбиты на три различные области: проблемы техпроцесса, относящиеся к поверхностному монтажу и сборке платы, проблемы материалов, относящиеся к технологическим материалам, применяемым при сборке — паяльным пастам, материалам корпуса, шарикам BGA-компонента, а также проблемы конструкции, имеющие отношение к плате и корпусу компонента.

Решить проблему дефектов «голова на подушке» нелегко, так как на них влияет ряд разнообразных факторов. В данной работе предпринята попытка выявить важнейшие факторы, вызывающие появление дефектов вида «голова на подушке», чтобы помочь инженерам и техникам провести анализ основной причины его возникновения.


Образование дефекта «голова на подушке»

Описание того, как образуется дефект «голова на подушке», изображено на рис. 2. Сначала шарик BGA-компонента помещается на паяльную пасту, нанесенную на контактные площадки печатной платы методом трафаретной печати (рис. 2a). После того, как BGA-компонент на печатной плате входит в печь пайки оплавлением, и его температура увеличивается, флюс в составе паяльной пасты начинает активироваться и уменьшает окисление частиц припоя, а также той части шарика, с которой он соприкасается. На этом этапе контакт между шариком припоя и паяльной пастой может либо присутствовать, либо отсутствовать (рис. 2b).

Затем между шариком и паяльной пастой образуется зазор вследствие действия ряда факторов, таких как динамическое коробление корпуса и/или платы. Припой на площадках печатной платы оплавляется, и их поверхность покрывается флюсом. Шарик припоя также оплавляется, и его поверхность, которая обычно покрыта небольшим количеством флюса либо не покрыта им совсем, начинает окисляться, при условии воздушной атмосферы в печи (рис. 2c). Когда корпус BGA-компонента осаживается, шарик снова входит в контакт с массой оплавленной паяльной пасты. В это время, если шарик припоя и масса оплавленной паяльной пасты сливаются вместе, формируется хорошее паяное соединение. Однако, в случае активности флюса, не достаточной для удаления оксидного покрытия с поверхности шарика, или в случае присутствия какого-либо загрязнения на шарике или массе оплавленной паяльной пасты, шарик и паста вместе не сольются (рис. 2d). В результате получится дефектное паяное соединение «голова на подушке», когда компонент охладится до комнатной температуры, и шарик припоя и паяльная паста отвердеют (рис. 2e).

Механизм формирования дефекта

Рис. 2 — Изображение механизма формирования дефекта типа «голова на подушке».

Неотъемлемой основной причиной возникновения дефекта «голова на подушке» согласно данному механизму — присутствие зазора между оплавленным шариком припоя и оплавленным отпечатком паяльной пасты на печатной плате, как это изображено на рис. 3. Если этот зазор не формируется в процессе пайки оплавлением, то дефект «голова на подушке» не образуется, если только не присутствует загрязнение — либо на шарике припоя (например, остатки флюса от присоединения шарика), либо на поверхности паяльной пасты — или же есть избыточное окисление шарика припоя или паяльной пасты.

Иллюстрация зазора

Рис. 3 — Иллюстрация зазора между шариком припоя и паяльной пастой,
предшествующий формированию большинства дефектов паяных соединений типа «голова на подушке».

В этих случаях оплавленный припой шарика и отпечатка паяльной пасты не могут войти в контакт друг с другом. Недостаточная температура оплавления также вызовет тот же самый характерный признак дефекта «голова на подушке», так как-либо шарик припоя, либо паяльная паста, либо они оба вместе не достигают температуры ликвидуса, чтобы полностью оплавиться до слияния и сформировать надежное с металлургической точки зрения паяное соединение.


Состояния дефекта, связанные с технологическим процессом

Паяльная паста состоит из двух важнейших компонентов — металлического порошка припоя и флюса. Оба они играют важную роль в формировании хорошего паяного соединения в процессе пайки оплавлением по технологии поверхностного монтажа.

Контакт шариков BGA-компонента и паяльной пасты

Рис. 4 — Контакт шариков BGA-компонента и паяльной пасты.

Паяльная паста является средством обеспечения контакта между площадкой платы и припойным шариком BGA-компонента, а флюс удаляет окислы и защищает расплавленный припой в процессе формирования паяного соединения. Контакт между шариком и пастой необходим для обеспечения максимального удаления припоя в процесс оплавления, как показано на рис. 4.

Нанесение порошка припоя управляется с помощью конструкции апертуры трафарета, а определенное соотношение объема флюса контролируется в процессе производства самой паяльной пасты. Таким образом, конструкция трафарета — наиболее значимый фактор в деле управления объемом нанесения паяльной пасты.

Хорошая конструкция трафарета (площадь апертуры и отношение размера апертуры к толщине трафарета) очень важна для обеспечения хорошего отделения пасты и эффективности ее переноса. Конструкции апертур в виде квадратов позволяют нанести больший объем припоя в сравнении с круглыми апертурами (см. рис. 5).

Зависимость наностимого объема пасты

Рис. 5 — Зависимость наносимого объема пасты от конструкции трафарета.

Оборудование для инспекции паяльной пасты обычно предназначено для того, чтобы подсчитывать объем нанесенного на платы порошка припоя, в предположении, что количество флюса непосредственно коррелирует с этим объемом.

Исследование объема припоя 1

Рис. 6 — Исследование объема припоя #1.

На рис. 6 представлены данные, полученные от пяти конструкций апертур с последовательно увеличивающимся размером с целью варьирования объема наносимой паяльной пасты. Результаты показывают, что дефект «голова на подушке» наблюдается при небольших объемах пасты (красные перекрестия), в то время как при больших объемах происходит образование перемычек (зеленые перекрестия). В данном эксперименте сушка компонентов также привела к росту дефектов «голова на подушке» и уменьшению окна процесса в результате увеличения толщины окисного слоя на шариках BGA-компонентов.

Исследование объема припоя 2

Рис. 7 — Исследование объема припоя #2.

На рис. 7 показан наклонный график объема паяльной пасты для дефектов типа «голова на подушке»/перемычка и безопасное окно процесса с точки зрения объема пасты. Важно выбрать конструкцию апертур, располагающуюся по центу окна процесса с зазором с нижней стороны против дефекта типа «голова на подушке» и с верхней стороны — против образования перемычек.

Нанесенный трафаретной печатью объем паяльной пасты определяет высоту до высшей точки оплавленной пасты на контактных площадках платы в процессе пайки оплавлением. Большое значение этой высоты увеличивает вероятность контакта пасты с шариком припоя (см. рис. 3).

Объем пасты представляет собой исключительно модулятор дефекта «голова на подушке». Это не определяющий, а вторичный фактор. Когда присутствует проблема, связанная с дефектом «голова на подушке», известно, что малый объем паяльной пасты увеличивает процент появления этого дефекта, а большой — уменьшает.


Смещение компонентов при установке

Смещение компонентов при установке влечет за собой появление дефектов «голова на подушке». Исследование паяных соединений после процедуры анализа дефектов со снятием компонента показывает (см. рис. 8a ниже), что ямка в шарике была смещена от центра, и (см. рис. 8b ниже) даже хорошие паяные соединения выглядят смещенными.

Рис. 8: a) Рис. 8: b)
a b

Рис. 8
a) смещенная от центра ямка в шарике при наличии дефекта «голова на подушке»
b) смещенная от центра площадка в шарике хорошего паяного соединения после испытания со снятием компонента.

Чтобы определить, является ли смещение компонентов при установке основной причиной появления паяных соединений с дефектами типа «голова на подушке», с помощью пайки оплавлением были собраны 6 образцов тестовых плат с контактными панелями для BGA-компонентов, где некоторые из этих панелей были намеренно смещены на контролируемый размер относительно контактных площадок на печатной плате.

Осуществлялась пайка 5 панелей на одну плату, при этом одна из них устанавливалась точно (контрольный образец), две устанавливались с положительным смещением относительно направления пайки оплавлением на 125 и 250 мкм соответственно, а две остальных — с отрицательным смещением относительно направления пайки оплавлением на 125 и 250 мкм соответственно.

Результаты анализа со снятием компонента, полученные по данным этого исследования, показали нулевой уровень дефектов типа «голова на подушке». Как показано на рис. 9, фото поперечных сечений демонстрируют, что хорошие паяные соединения были сформированы несмотря на намеренное смещение панелей. Таким образом, смещение компонентов при установке может не быть основной причиной появления дефектов типа «голова на подушке».

фотографии поперечных сечений смещенных контактных панелей BGA

Рис. 9 — Полученные с помощью оптического микроскопа фотографии поперечных сечений
смещенных контактных панелей BGA на тестовом образце платы. На фото показаны смещения различных панелей.

Тем не менее, смещение компонентов при установке может быть «вторичной» основной причиной. Если присутствует значительное коробление компонента и/или печатной платы, который сокращает необходимое совмещение оплавленного припойного шарика и оплавленной паяльной пасты, то смещение компонента при установке может оказать дополнительное воздействие, вызывающее дефект «голова на подушке». Этот сценарий проиллюстрирован на рис. 10. Когда присутствует значительное коробление и смещение, между шариком припоя и паяльной пастой в процессе пайки оплавлением может образоваться зазор, что приведет к образованию дефекта «голова на подушке» (см. рис. 10a). Однако, если коробление минимально, то даже смещение компонента не обязательно создаст зазор, как это показано на рис. 10b.

Дефект типа «голова на подушке»

Дефект типа «голова на подушке»

Рис. 10 — Сценарий, при котором значительное коробление компонента и платы
может привести к смещению компонента при установке, вызвав тем самым дефект «голова на подушке».

Еще одна потенциальная причина возникновения зазора между оплавленным шариком и оплавленной паяльной пастой для матричных паяных соединений заключается в смещении, продемонстрированном на рис. 10a, которое вызвано не смещение компонента при установке, а несоответствием ТКЛР компонента и платы. Это обычно происходит у соединений первого уровня между кремниевым кристаллом и органическим основанием [1]. Это несоответствие коэффициентов расширения не является основной проблемой для соединений второго уровня, таких как BGA-компоненты или разъемы.


Неполное оплавление

Этот вид дефектов может быть описан следующим образом: шарик припоя или паяльная паста, не оплавленные полностью в процессе пайки оплавлением. Обычно это не до конца оплавленный шарик BGA-компонента, так как он медленнее всего нагревается при пайке.

Основная причина образования дефектов типа «голова на подушке» в случае неполного оплавления — неправильный профиль оплавления. Он слишком холодный для того, чтобы полностью оплавить шарики BGA-компонента, и шарики не получают достаточный объем тепловой энергии, чтобы слиться с паяльной пастой. Это может также быть результатом отклонения процесса пайки от нормального режима или неисправности печи.

Данный дефект был воспроизведен в рамках планирования эксперимента с использованием более холодного термопрофиля, когда температура оплавления всего лишь на 7°С превосходила температуру эвтектики. Проявление данного механизма образования дефекта в последнее время участилось при бессвинцовой сборке вследствие того, что производители компонентов начали использовать альтернативные материалу SAC305 сплавы в целях улучшения характеристик надежности своих изделий. Примером альтернативного сплава служит сплав SAC105 с меньшим содержанием серебра. Другой пример — сплав для шариковых выводов с добавлением такого элемента, как никель, магний и пр. Смена сплава влияет на точку плавления, и во многих случаях требует настройки термопрофиля. Во многих случаях использующие компоненты компании-сборщики не осведомлены об этих изменениях, и могут появиться дефекты типа «голова на подушке» вследствие неполного оплавления.

Дефект типа «голова на подушке»

Рис. 11 — Дефекты типа «голова на подушке» вследствие неполного оплавления.

Обычно этот механизм дефекта проявляется в виде неосевшего шарика BGA-компонента (см. рис. 11a). Припой может выглядеть зернистым, а в экстремальных случаях — не слившимся в единое целое (см. рис. 11b). Поперечное сечение может продемонстрировать зернистую структуру между шариком BGA-компонента и паяльной пастой, что является индикатором того, что один из них либо оба не достигли правильной температуры оплавления. Чтобы предотвратить появление такого дефекта, требуется хорошо управлять термопрофилем и понимать требования к пайке оплавлением для пасты и BGA-компонента.


Параметры профиля оплавления

Параметры профиля оплавления оказывают сильное влияние на чувствительность к образованию дефектов типа «голова на подушке». Идеальным вариантом является одновременная пайка оплавлением всех компонентов на плате. Однако, на всех платах во время пайки оплавлением наблюдается некоторая степень колебания температур между различными компонентами и в пределах одного компонента. Разница температур между самой холодной и самой горячей точкой обозначается ΔT и на конкретной плате определяется конструкцией платы, топологией, материалом слоев, типом компонента и его материалом.

Существует два сценария, при которых ΔT может повлиять на образование дефектов «голова на подушке». Сценарий 1 относится к легким BGA-компонентам. Если между сторонами BGA-компонента присутствует разница температур, одна из них подвергнется оплавлению раньше другой, что может вызвать наклон компонента, как это показано на рис. 12.

Рис. 12. Наклоненный BGA-компонент.

Рис. 12 — Наклоненный BGA-компонент.

Паста оплавится в первом углу компонента, наклонит его, что приведет к воздействию высоких температур на другую сторону. На открытых шариках увеличится окисление, так как у них не будет защиты со стороны флюса из состава пасты, который, в свою очередь, снизит свою активность. Корпус вернется обратно в плоское положение за счет смачивания пастой шарика, но то, насколько быстро это произойдет, зависит от силы смачивания пасты. К тому времени, когда это произойдет, в некоторых областях корпуса может возникнуть дефект типа «голова на подушке», так как в этих областях недостаточно активного флюса для уменьшения окислов на поверхности шариков.

Рис. 13. Плата для контроля ΔT.

Рис. 13 — Плата для контроля ΔT.

Для имитации высокого значения ΔT в рамках легкого BGA-компонента размером 15×15 мм, была использована контрольная плата. Чтобы создать ΔT по площади BGA-компонента, к нижней части платы были прикреплены два куска материала FR4 таким образом, чтобы они располагались под половиной контактной площадки BGA-компонента (см. рис. 13). Эти куски FR4 являются экранами для передачи тепла к BGA-компоненту снизу. При температуре 217°C было достигнуто значение ΔT=8°С. Результаты планирования эксперимента показали рост образования дефектов «голова на подушке» на 35% по сравнению с 0% без наличия кусков FR4 и ΔT=2°С.

Второй сценарий, при котором ΔT оказывает влияние на появление дефектов «голова на подушке», относится к крупным BGA-компонентам, обладающим большой разницей температур между внутренними и внешними шариками. Так как никой корпус не является абсолютно плоским, некоторые из шариков не войдут в контакт с пастой до тех пор, пока внутренние шарики не расплавятся, и корпус не будет испытывать осадку.

Разница во времени между тем, как два занимающих крайнее положение (внешний и внутренний) шарика расплавятся до состояния ликвидуса, очень важна и носит название временной задержки ликвидуса. Так как это время возрастает, происходит тот же эффект, что мы уже наблюдал в сценарии 1. В его рамках увеличивается время, в течение которого происходит окисление открытых шариков, так как отсутствует защищающий их флюс, и к тому времени, как происходит полная осадка корпуса, флюс уже потерял бо льшую часть способности выполнять свои функции, что в результате ведет к появлению дефектов «голова на подушке» у некоторых паяных соединений. Также истинное время пребывания выше температуры ликвидуса (шарик находится в состоянии ликвидуса и в контакте с пастой, также находящейся в состоянии ликвидуса), которое испытают внешние шарики, гораздо меньше, чем будет сообщено программным обеспечением устройства термопрофилирования.

На рис. 14 представлен термопрофиль для крупного BGA-компонента размером 50×50 мм. Временная задержка ликвидуса у этого профиля составляет 23,6 с при ΔT = 9,3°С при пиковой температуре и 22°С при 220°С. Истинное время пребывания выше температуры ликвидуса определяется как такое время, прошедшее с момента осадки корпуса до отверждения первого шарика. Из рис. 14 оно составляет 40,5 с, в то время как это же время из программы равно 72 с.

Временная задержка ликвидуса для BGA-компонента

Рис. 14 — Временная задержка ликвидуса для BGA-компонента.

Временная задержка ликвидуса, удерживающая шарик компонента от осадки, сокращает окно времени пребывания выше температуры ликвидуса и подвергает пасту воздействию высоких температур, пока корпус находится в поднятом состоянии. Оба этих состояния — временная задержка ликвидуса и истинное время пребывания выше температуры ликвидуса (называемое нами также эффективным временем пребывания) — важные параметры для понимания и оценки риска образования дефектов «голова на подушке» в рамках техпроцесса поверхностного монтажа. Временная задержка ликвидуса будет влиять на деградацию свойств пасты при высоких температурах, а истинное время пребывания выше температуры ликвидуса — на время контакта шарика и пасты. На рис. 15 представлена общая картина допустимых значений этих параметров для предотвращения образования дефектов «голова на подушке». Данные на графике получены от различных корпусов, смонтированных с различными термопрофилями в воздушной атмосфере пайки оплавлением. В зоне дефектов «голова на подушке» промаркировано каждое состояние, содержащее этот дефект.

Двумерный график времени задержки ликвидуса © от истинного времени пребывания выше температуры ликвидуса

Временная задержка ликвидуса

Рис. 15 — Временная задержка ликвидуса и истинное время пребывания выше температуры ликвидуса.

Необходимо учесть, что данная кривая на рис. 15 иллюстрирует конкретный тип испытываемой пасты, имеющей точку пересечения на оси истинного времени пребывания выше температуры ликвидуса на 25 с. Эти 25 секунд — предельное время для пасты, чтобы создать хорошее паяное соединение, когда время задержки отсутствует. Для различных паст кривая будет изменять свое положение. Кривая также сдвинется влево в условиях азотной атмосферы, при которой окно процесса для дефекта «голова на подушке» увеличивается.


Пиковая температура и время пребывания выше температуры ликвидуса

Среди параметров оплавления, влияющих на образование дефектов «голова на подушке» — пиковая температура и время пребывания выше температуры ликвидуса. Имея дело с таким типом дефектов, увеличение обоих этих параметров может уменьшить уровень образования дефектов благодаря добавлению времени на контакт корпуса с пастой после полной осадки и слияния. Характеристики пасты должны допускать такое увеличение времени, в противном случае оно не окажет положительного воздействия.

Для проверки окна процесса пайки оплавлением было выполнено планирование эксперимента. Результаты показали, что малое время пребывания выше температуры ликвидуса и малая пиковая температура термопрофиля повышает уровень образования дефектов «голова на подушке» (см. рис. 16 и таблицу 1).

Проверка окна процесса

Рис. 16 — Проверка окна процесса.

Проверка окна процесса — Таблица 1

Пайка оплавлением Пиковая температура
230-250 °С
Выдержка
60-120 сек.
Время выше ликв.
30-60 сек.
Диапазон копланар.
mils
Выход годных
Низкая температура 231,7 61,1 28,5 3,97 – 6,46 98% (49/50)
Высокая температура 247,1 119,4 59,6 3,55 – 6,94 100% (50/50)
Средняя температура 239,3 90 47,3 3,71 – 6,83 100% (25/25)

Время выдержки

Еще один параметр пайки оплавлением, который может оказать воздействие на образование дефектов типа «голова на подушке» — время выдержки. Воздействие зависит от типа используемой пасты и ее поведения при высоких температурах. Описанное ниже планирование эксперимента показывает значительное воздействие времени выдержки на образование дефектов «голова на подушке» для конкретной пасты LF. В эксперименте использовались три различных термопрофиля с различными временами выдержки (коротким, средним и длительным), представленные на рис. 17. Короткая выдержка лучше всего подходит для уменьшения уровня образования дефектов «голова на подушке» для исследуемого типа пасты.

Сравнение времен выдержки термопрофилей

Рис. 17 — Сравнение времен выдержки термопрофилей.

Планирование эксперимента по времени выдержки — Таблица 2


Время между
150 – 175°C
Время между
175 – 217°С
Время выше ликв.
217°C
Пиковая температура, °C Уровень дефектов
«Голова на подушке»
Короткая выдержка 231,7 61,1 28,5 3,97 — 6,46 98% (49/50)
Средняя выдержка 247,1 119,4 59,6 3,55 — 6,94 100% (50/50)
Длительная выдержка 239,3 90 47,3 3,71 — 6,83 100% (25/25)

Загрязнения

Этот механизм образования дефектов заключается в отсутствии смачивания шарика пастой вследствие присутствия постороннего материала на шарике или в пасте. Этот дефект представляет собой отклонение от нормального режима в присутствии постороннего вещества, такого как NaCl, Si и пр. Такое присутствие может быть результатом загрязнения в процессе сборки корпуса, во время обращения с ним или загрязнения от материала упаковки. Одним из примеров является образование дефектов «голова на подушке» на материнских платах. Визуальная инспекция обнаружила посторонний материал на некоторых шариках перед сборкой по технологии поверхностного монтажа. Анализ методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии обнаружил присутствие кремния в качестве постороннего материала. Анализ у заказчика показал, что для маркировки восстановленных модулей использовалась клейкая лента из кремния. Лента оставила следы на шариках, мешающие смачиванию в процессе пайки оплавлением (см. рис. 18). В результате была применена другая процедура маркировки восстановленных модулей без использования клейкой ленты.

Рис. 18: a) Рис. 18: b)
a b

Рис. 18 — Посторонний материал на шарике.

Если в процессе присоединения шарика использовалось слишком много флюса, он может израсходоваться не полностью. Избыточный флюс может обуглиться и остаться на поверхности припойного шарика. Его можно наблюдать с помощью микроскопа (см. рис. 19).

Темные пятна на шариках.

Рис. 19 — Темные пятна на шариках.

Анализ методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показал сильный сигнал углерода (см. рис. 20).

Анализ материала темных пятен.

Рис. 20 — Анализ материала темных пятен.

В основании шарика рядом с контактной площадкой корпуса часто обнаруживаются остатки флюса, и это не является проблемой. Если остатки обнаруживаются на конце припойного шарика, где он соприкасается с паяльной пастой, то они вносят вклад в образование дефектов «голова на подушке».

Загрязнения — один из механизмов, при котором для образования дефектов «голова на подушке» нет необходимости в наличии зазора между пастой и шариком BGA-компонента.


МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ, СВЯЗАННЫЕ С МАТЕРИАЛАМИ

Ключевые свойства паяльной пасты

Свойства паяльной пасты важны для решения проблем, связанных с бессвинцовой пайкой. Химический состав флюса этих бессвинцовых паяльных паст должен обладать свойствами, достаточными для формирования годных паяных соединений. В данной работе будут проиллюстрированы три ключевых свойства паяльной пасты, оказывающих влияние на образование дефектов типа «голова на подушке» — стабильность паяльной пасты с течением времени и под воздействием температуры, смачиваемость пастой меди и стойкость пасты к образованию шариков припоя и окислению.

Стабильность паяльной пасты с течением времени и под воздействием температуры [3]

Стабильность материала паяльной пасты зависит от воздействия на нее температуры и прошедшего времени. Во время поставки, хранения и трафаретной печати внутри флюса в пасте может произойти преждевременная реакция. Это ведет к ослаблению способности флюса очищать паяемые поверхности во время пайки оплавлением в воздушной среде. Чтобы оценить стабильность паяльных паст, были проведены испытания на вязкость и уровень pH в условиях ускоренного старения. Результаты показали рост вязкости и снижение уровня pH при старении паст. Суммарные результаты продемонстрировали, что паяльная паста A более стабильна, чем паста B, так как у первой из них свойства (вязкость и pH) изменились при старении в меньшей степени (см. рис. 21).

Сравнение свойств паяльных паст Сравнение свойств паяльных паст Сравнение свойств паяльных паст

Рис. 21 — Сравнение свойств паяльных паст A и B в условиях 4-дневного старения при 29°C;
изменения вязкости и pH записывались одновременно с образованием дефектов «голова на подушке».

Этот результат предполагает, что преждевременная реакция приведет к увеличению вязкости паяльной пасты. Уменьшение окислов на поверхности металлических частиц припоя за счет действия флюса вызовет образование солей металлов в качестве побочных продуктов реакции и приведет к повышению вязкости паяльной пасты. Преждевременная реакция вызовет снижение уровня pH вследствие высвобождения ионов H+.

Применительно к паяльной пасте, в результате прохождения реакции ковалентно связанный активатор в составе пасты диссоциирует с высвобождением ионов H+. Эта реакция гипотетически представляется как реакция отщепления бромистого водорода с образованием HBr. Таким образом, повышенные степени изменения вязкости и pH являются индикаторами преждевременной реакции. Результатом этого является образование дефектов «голова на подушке» вследствие недостаточной способности флюса к выполнению своих функций в процессе пайки оплавлением в воздушной атмосфере. Была установлена сильная корреляция между стабильностью паяльной пасты и уровнем образования дефектов «голова на подушке». Паста A, обладающая лучшей стабильностью свойств во времени и под воздействием температуры, демонстрирует меньший уровень образования дефектов «голова на подушке» при таких условиях испытаний по сравнению с пастой B.

Смачиваемость пастой меди и припоя.

Предполагается, что более быстрое смачивание паяльной пастой меди благоприятствует смачиванию. Причина этого в том, что флюс более эффективен в деле удаления поверхностных слоев окислов, что обеспечивает лучшее взаимодействие поверхности с пастой. Более быстрое смачивание обычно отражает ускоренное реагирование флюса. По этой причине паяльные пасты, обладающие коротким временем смачивания, демонстрируют хорошую смачивающую способность.

Результаты по времени смачивания

Рис. 22 — Результаты по времени смачивания для нескольких паяльных паст, полученные с использованием прибора для испытания смачивания.

Хорошая способность паяльной пасты смачивать шариковые выводы из припоя — еще одно ключевое свойство пасты, обеспечивающее формирование годных паяных соединений. Чтобы исследовать способность паяльной пасты смачивать шариковые выводы из припоя, был проведен описанный ниже эксперимент. Компонент BGA был перевернут, и паяльная паста нанесена трафаретной печатью на шарики припоя. В идеальном случае паяльная паста должна слиться с шариками. Если такого слияния не происходит, то на верхушке большого шарика припоя BGA-компонента будет наблюдаться маленький припойный шарик. Это показывает плохую смачиваемость (большой угол смачивания). Фото образовавшихся после оплавления маленьких шариков припоя представлено на рис. 23.

Испытание на смачиваемость на шариковых выводах из припоя

Рис. 23 — Испытание на смачиваемость на шариковых выводах из припоя и фото образования шариков припоя.

Может быть установлена взаимосвязь между формированием маленьких шариков припоя и уровнем образования дефектов «голова на подушке», проведя пайку оплавлением BGA- компонентов с применением одной и той же паяльной пасты и теми же самыми параметрами процесса. Это было проделано, и результат эксперимента представлен на рис. 24. Он показал, что чем выше % формирования маленьких шариков припоя, тем выше уровень образования дефектов «голова на подушке».

Повышение уровня образования дефектов

Рис. 24 — Повышенный % формирования шариков припоя влечет повышенный уровень образования дефектов «голова на подушке».

Стойкость паяльных паст к окислению.

Стойкость паяльных паст к окислению — важная составляющая флюса. Флюс, не способный защитить порошок припоя, вызовет сильное окисление внешней поверхности отпечатка паяльной пасты. Этот окисный слой станет на паяльной пасте барьером для формирования паяного соединения, и таким образом увеличит склонность к образованию дефектов «голова на подушке». Механизм воздействия стойкости к окислению на образование дефектов «голова на подушке» представлен на рис. 25.

Механизм стойкости к окислению

Рис. 25 — Механизм стойкости к окислению, влияющий на образование дефектов «голова на подушке».

Для нанесения трафаретной печатью различных паяльных паст на тестовые купоны применялся трафарет с несколькими размерами апертур. Затем данные купоны подвергались пайке оплавлением в воздушной атмосфере. Полученные отпечатки паяльной пасты были проверены на наличие «эффекта клубники» (отсутствие слипания частиц пасты на внешней поверхности). Если на отпечатке конкретной паяльной пасты наблюдался «эффект клубники», то подразумевалось, что данная паста не обладает хорошей стойкостью к окислению. Результаты эксперимента представлены на рис. 26a. Они показывают, что проявление «эффекта клубники» возрастает с уменьшением объема отпечатка пасты для всех испытанных паяльных паст. Более того, две паяльные пасты (W и Z) продемонстрировали повышенный в сравнении с другими тремя пастами «эффект клубники» при уменьшении размеров апертур, что является индикатором того, что эти две пасты обладают пониженной стойкостью к окислению. В результате пасты W и Z также продемонстрировали повышенный % образования дефектов «голова на подушке» (см. рис. 26b).

Процент неслипшейся паяльной пасты

Рис. 26a — Процент неслипшейся паяльной пасты в зависимости от уменьшения размеров апертур трафарета.

Процент неслипшейся паяльной пасты

Рис. 26b — Процент неслипшейся паяльной пасты ведет к опасности образования дефектов «голова на подушке».

Из данных результатов вытекает, что для формирования годного соединения паяльная паста, помимо хорошей смачивающей способности, должна также демонстрировать достаточную стойкость к окислению.


Окисление шариков припоя

Как показано на диаграмме Эллингема [2], олово в припоях SAC будет окисляться в воздушной атмосфере более охотно, чем остальные два присутствующих в сплаве важных элемента — Ag и Cu. Диаграмма Эллингема для Sn/Sn02 также демонстрирует, что Sn будет окисляться на воздухе при всех температурах, представляющих интерес с точки зрения пайки. Эти окислы олова должны, таким образом, удаляться химическим или физическим способом с поверхности шарика припоя до того. как он сможет слиться с оплавленной паяльной пастой.

Флюс в составе паяльной пасты выполняет функцию уменьшения окислов олова у металлических частиц припоя в процессе пайки оплавлением, предпочтительно — перед тем, как шарик припоя оплавится. Однако, если во время пайки оплавлением происходит разделение шарика припоя и паяльной пасты до того, как шарик припоя оплавится (как показано на рис. 2), окисление шарика припоя не будет уменьшено и может продолжиться в сторону еще большего окисления при оплавлении шарика в зоне оплавления печи. Когда шарик припоя, в конечном итоге, войдет в контакт с флюсом из массы паяльной пасты, тогда и только тогда флюс будет в состоянии уменьшить окисление на поверхности шарика припоя.

Образование дефекта «голова на подушке», % Паста Паста Паста Паста Паста Паяльная паста Тем не менее, чтобы уменьшить окисление поверхности оплавленного шарика припоя и обеспечить слияние этого оплавленного шарика с оплавленной массой паяльной пасты с целью формирования годного паяного соединения, требуется, чтобы a) в составе флюса все еще присутствовало достаточное количество кислоты, чтобы снизить окисление металлического олова и пары воды и b) и шарик припоя, и масса паяльной пасты все еще находились в расплавленном состоянии, когда происходит это уменьшение окисления. Таким образом, чем толще окисный слой присутствует на шарике припоя, тем сложнее будет его уменьшить в процессе пайки оплавлением, в особенности при потере контакта между шариком и пастой во время протекания этого процесса.

Чтобы подтвердить тезис о том, что избыточное окисление шарика припоя реально имеет отношение к образованию дефектов «голова на подушке», три различных BGA-компонента, обозначенных Компонент A, P и E, были подвергнуты сушке в воздушной атмосфере на период 24, 48 и 72 часа, а затем — пайке оплавлением в идентичных условиях.

Результаты исследования показаны ниже на рис. 27. Очевидно, что с увеличением времени сушки уровень образования дефектов «голова на подушке» растет. Однако, это увеличение у различных типов компонентов варьируется, и один из корпусов, компонент E, не продемонстрировал какого-либо заметного образования дефектов «голова на подушке» даже после 72-часовой сушки в воздушной атмосфере перед пайкой оплавлением по технологии поверхностного монтажа.

Влияние времени сушки в воздушной атмосфере на склонность к образованию дефектов

Рис. 27 — Влияние времени сушки в воздушной атмосфере на склонность к образованию дефектов «голова на подушке»
после пайки оплавлением для трех различных BGA-компонентов.

Чтобы подтвердить, что на поверхности шариков припоя во время операции сушки образовалось больше окислов, толщина окислов на поверхности шарика припоя измерялась для всех трех корпусов после различной продолжительности сушки в воздушной атмосфере. На рис. 28 приведен график зависимости уровня образования дефектов «голова на подушке» от толщины окисного слоя для всех трех корпусов.

Для двух из трех измеренных корпусов (компонентов A и P), увеличение толщины окисного слоя привело к росту уровня образования дефектов «голова на подушке» с формированием устоявшегося значения этого уровня при толщине слоя около 15 нм. Однако, для компонента E увеличение толщины окислов не принесло видимого увеличения уровня образования дефектов «голова на подушке». Корпус E продемонстрировал минимальное коробление при высоких температурах, и потери контакта между шариком припоя и паяльной пастой не произошло. Таким образом, флюс в составе пасты смог уменьшить оксидирование шариков припоя и защитить их от дальнейшего окисления.

Изменение уровня образования дефектов

Рис. 28 — Изменение уровня образования дефектов «голова на подушке» от толщины окисного слоя на шариках припоя для трех различных BGA-компонентов.

Учитывая вышесказанное, данные результаты позволяют констатировать, что более толстый слой окислов на поверхности шарика припоя может вызвать повышение уровня образования дефектов «голова на подушке», но может и не быть определяющим фактором появления таких дефектов. Ключевой фактор здесь — коробление корпуса, вызывающее разделение шарика припоя и паяльной пасты до зоны оплавления в печи.


Вставка контактов в контактные панели BGA

Описание операции прошивания контактов.

Корпус контактной панели BGA изготавливается с помощью процесса литья с выполнением отверстий в корпусе для установки металлических контактов, частью которых являются контактные поверхности. Затем эти контакты запрессовываются в отверстия корпуса с помощью процесса прошивания, сходного с действием швейной машины, откуда и взято данное наименование.

Контакт панели Контакт панели
a) контакт PGA b) контакт LGA

Рис. 29 — Контакт панели.

Связь шарика/контактной поверхности с зазором контактной панели.

Важно, чтобы шарик припоя выходил за пределы зазора панели, чтобы был гарантирован контакт шарика с пастой. Этот зазор именуется зазором шарика припоя. Так как шарик припоя присоединен к контактной поверхности на контакте, важно, чтобы высота прошивания была достаточна для этого, как показано на рис. 30.

Зазор шарика припоя

Рис. 30 — Зазор шарика припоя.

Отклонения высоты контактных поверхностей.

Чтобы сохранить копланарность шариков припоя, важно, чтобы контактные поверхности прошивались на одинаковой высоте. Если высота соседних контактных поверхностей отличается, это может привести к образованию вытянутых паяных соединений, а в некоторых случаях — паяных соединений «голова на подушке» (см. рис. 31).

Дефект в контактной панели.

Рис. 31 — Дефект «голова на подушке» в контактной панели.

Влияние повреждений при обращении на высоту контактных поверхностей.

Неравномерность высоты контактных поверхностей может быть вызвана самим процессом прошивания, однако часто она является результатом повреждений при обращении. Это часто происходит, когда контактные панели помещаются в поддоны вручную. Контакты могут еще больше поджаться в тело панели; при этом только некоторые из шариков припоя будут контактировать с такими объектами, как край поддона, и усилие концентрируется на этих шариках. Это может происходить после инспекции копланарности, когда панель вручную помещается обратно в поддон. Среди прочих ручных операций обращения с панелями, за которыми необходимо следить — возвращение неправильно захваченных панелей обратно в поддон и перекладка из одного поддона в другой.


Динамическое коробление

Дефект «голова на подушке» Прошитые контакты (около 2 mil) Некоторые особенности корпуса оказывают влияние на его динамическое коробление при высоких температурах. Основной причиной этого является несоответствие коэффициентов теплового расширения (КТР) подложки и кремния при высоких температурах. Величина расширения подложки выше по сравнению с кремнием. При наличии материала подзаливки, сдерживающего расширение подложки, она начинает коробиться. Эффект коробления заставит шарики припоя приподниматься с паяльной пасты на плате, что увеличит рост окислов на поверхности шарика, так как флюс при этом отсутствует. Среди остальных параметров, влияющих на динамическое коробление — толщина кристалла, форм-фактор корпуса, КТР материала подзаливки, число слоев подложки корпуса и распределение меди в подложке. Теневой муаровый метод интерферометрии зарекомендовал себя в качестве традиционного и коммерчески доступного оптического метода определения смещения за пределы плоскости или коробления контура поверхности. Этот метод широко применяется в отрасли корпусирования электроники в целях исследования коробления со сравнительно низкой чувствительностью к смещению в широком поле обзора. С его помощью получают 2D- и 3D-эпюры корпуса в процессе пайки оплавлением (см. рис. 32 и 33).

3D-эпюра коробления BGA-компонента

Рис. 32 — 3D-эпюра коробления BGA-компонента.

Коробление BGA-компонента в процессе пайки оплавлением

Рис. 33 — Коробление BGA-компонента в процессе пайки оплавлением.

Понимание поведения корпуса при короблении в условиях температур пайки оплавлением имеет решающее значение в деле определения связанной с короблением опасности. Для типового корпуса Flip Chip BGA форма при комнатной температуре — выпуклая («с опущенными уголками рта»), а при высоких температурах она переходит в вогнутую («улыбающуюся»). Это демонстрирует опасность наличия зазора между шариками припоя и контактными площадками платы/пастой в угловых областях. В результате в таких областях образуются дефекты «голова на подушке» и вытянутые паяные соединения рядом с ними. На рис. 34a показаны дефекты «голова на подушке» в угловых соединениях и вытянутые соединения. На рис. 34b показано поперечное сечение дефекта «голова на подушке» в углу корпуса и два вытянутых соседних соединения.

Дефекты вследствие коробления Дефекты вследствие коробления
a b

Рис. 34 — Дефекты «голова на подушке» вследствие коробления BGA-корпуса.

На рис. 35 показана корреляция между копланарностью при комнатной температурой и короблением — при высокой. В целом, компоненты Flip Chip BGA с плохой копланарностью демонстрируют в процессе пайки оплавлением сильное коробление.

Корреляция при различных температурах

Рис.35 — Корреляция между короблением при комнатной температуре и температуре пайки оплавлением.

Одним из решений, позволяющим снизить уровень образования дефектов «голова на подушке», вызванных короблением корпуса, является дополнительное нанесение паяльной пасты на контактные площадки печатной платы. Это уменьшит зазор между отпечатком пасты и шариком припоя покоробленного корпуса и обеспечит дополнительный объем флюса для очистки шарика, как только зазор схлопнется.


Истинное положение шарика припоя

Существует две характеристики истинного положения шарика припоя. Первая — положение шарика относительно тела контактной панели. Вторая — положение шариков по отношению друг к другу. Это служит целям позиционирования панели на печатной плате, и вследствие этого важно убедиться в том, что относительное положение шариков припоя управляется максимально жестко, чтобы максимизировать прочность паяных соединений шариков припоя. Плохо управляемое положение шарика припоя может привести к отклонению положения контура шарика, что вызовет снижение надежности в условиях эксплуатации и транспортировки и повысит вероятность образования дефектов «голова на подушке». Так как это важно для обеспечения качества паяных соединений, характеристика истинного положения шариков между собой является самой жесткой из двух. Это происходит потому, что оборудование для установки контактных панелей для позиционирования использует шарики припоя, а не тело панели.

На рис. 36 показано типичное обозначение истинного положения шариков припоя на механическом чертеже контактной панели BGA.

Механический чертёж контактной панели BGA

Рис. 36 — Типичное обозначение истинного положения шариков припоя на механическом чертеже контактной панели BGA.


Копланарность корпуса

Корпусирование подложек — одно из решений миниатюризации электронных устройств. Эти низкопрофильные корпуса обеспечивают уменьшение общей высоты корпуса по оси Z. К сожалению, внедрение более тонких корпусов часто приводит к тому, что измеренная при комнатной температуре копланарность корпусов является повышенной и часто превосходит требования JEDEC по данному типу корпусов. Представленные на рис. 37 данные одного из исследований показывают, что корпуса с чрезвычайно высокой копланарностью, не отвечающей требованиям JEDEC, не вызвали образования каких-либо дефектов «голова на подушке».

График варьирования для копланарности

Копланарность

Рис. 37 — Копланарность и выход годных по технологии поверхностного монтажа.

Даже при наличии маленьких шариков никаких дефектов «голова на подушке» обнаружено не было (см. рис. 38). Подложка в этом примере была сравнительно плоской.

Технология поверхностного монтажа

Рис. 38 — Маленький шарик после сборки по технологии поверхностного монтажа.

Таким образом, приведенные данные демонстрируют, что копланарность при комнатной температуре не является главным фактором образования дефектов «голова на подушке». Наиболее вероятно, что другие механизмы окажут влияние на эти дефекты.


Коробление и прогиб платы

Коробление плат в процесс пайки оплавлением может увеличить зазор между пастой на плате и шариками корпуса. При этом механизме образования дефектов обычно присутствует более одного шарика с дефектом «голова на подушке». Также соседние паяные соединения выглядят вытянутыми. Прогиб платы вследствие действия силы тяжести обычно представляет собой вторичный эффект и сам по себе не может вызвать образование подобных дефектов.

Когда плата слишком тонкая и не поддерживается в процессе пайки, коробление платы может стать основной причиной образования дефектов «голова на подушке». Для исследования этого обстоятельства использовалась небольшая тестовая плата размером 136×139 мм с четырьмя различными толщинами. Плата обрабатывалась в паллете и без нее. Пик уровня образования дефектов «голова на подушке» обнаружился у платы толщиной 0,024″ (0,61 мм) без паллеты. Доминирующим видом дефекта был дефект «голова на подушке» (см. рис. 39). Коробление платы измерялось в процессе пайки оплавлением с помощью теневого муарового анализа для каждой толщины платы.

График варьирования для коробления платы при 215 с (мкм)

Эксперимент по исследованию коробления платы

Рис. 39 — Планирование эксперимента по исследованию коробления платы.

На рис. 40 представлено изображение контактной панели BGA, на углу которой имеются дефекты «голова на подушке». Плата испытывает коробление, создавая тем самым зазор между пастой и шариками.

Коробление платы

Рис. 40 — Коробление платы.

Увеличенное изображение этого угла, демонстрирующее образование дефектов «голова на подушке» у нескольких соседних паяных соединений, представлено на рис. 41.

Образование дефектов

Рис. 41 — Образование дефектов «голова на подушке» вследствие коробления платы.

Чтобы предотвратить появление дефектов «голова на подушке» вследствие коробления платы, в процессе пайки оплавлением необходима ее поддержка. Данные демонстрируют, что паллета может успешно устранить дефекты «голова на подушке» в пределах вплоть до 130 мкм коробления платы. Предел коробления платы для подобных дефектов без паллеты был установлен на уровне 110 мкм. Эти значения будут слегка варьироваться в зависимости от используемого корпуса и его собственного поведения при короблении.


МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ, СВЯЗАННЫЕ С КОНСТРУКЦИЕЙ

Конструкция платы

Конструкция платы оказывает вторичное воздействие на образование дефектов «голова на подушке». Было установлено, что различные платы обладают различной чувствительностью к образованию дефектов «голова на подушке» при использовании одного и того же корпуса. Эта чувствительность определяется передачей тепла, наложением слоев платы и внутренними слоями меди под площадкой. Все это влияет на разность температур между площадками. Это может вызвать задержку времени в оплавлении пасты, увеличивая окисление в присутствии зазора между шариком BGA-корпуса и пастой. На рис. 42 представлено полученное с высокоскоростной камеры изображение контактных площадок BGA-компонента с нанесенной пастой в процессе пайки оплавлением. Первый кадр (рис. 42a) показывает нагрев посадочного места; второй кадр (рис. 42b) показывает несколько оплавленных площадок со слиянием пасты, в то время как остальные площадки не оплавлены. На третьем кадре (рис. 42c) видно, что оплавление и слияние пасты произошло на всех площадках, кроме одной. У площадки с неоплавленной пастой имеется скрытое переходное отверстие. По всем площадкам задержка оплавления составила 5 секунд.

Задержка оплавления Задержка оплавления Задержка оплавления
a b c

Рис. 42 — Задержка оплавления пасты.

Другой пример плотности меди показан на рис. 43. В этом примере наблюдается 15% различие уровня образования дефектов «голова на подушке» на одной и той же плате, изготовленной двумя поставщиками. Обнаруженная чувствительность к образованию дефектов «голова на подушке» связана с тем, что антиплощадки были обрезаны одним поставщиком и полностью оставлены другим. Эта дополнительная медная плоскость, окружающая переходные отверстия, изменила скорость нагрева, вызвав различие в задержке времени оплавления. Это нефункциональные площадки, которые были не видны специалистам контрактного сборщика и конструктору платы.

Задержка оплавления

Рис. 43 — Задержка оплавления пасты.

Под большинством BGA-компонентов имеются промежуточные переходные отверстия. закрытие переходных отверстий под BGA-компонентом может повлиять на разницу температур между внешними и внутренними шариками. Когда переходные отверстия не закрыты, больше тепла может достичь центра корпуса. Измерения термопрофиля показали, что при применении конструкции с незакрытыми переходными отверстиями на внутренних шариках наличествует изменение температуры на 2-3 градуса, что тем самым уменьшает ΔT.

Дополнительная медь на металлизированных сквозных отверстиях Чувствительность к образованию дефектов «голова на подушке» была обнаружена у площадок, ограниченных паяльной маской (SMD) и металлом (MD). Обычно ограниченные маской площадки заканчиваются бо льшим диаметром площадки, что вызывает образование меньшего по размеру пика припоя после пайки оплавлением (см. рис. 44).

Высота пика.

Рис. 44 — Высота пика.

Данные по высоте пика припоя

Рис. 45 — Данные по высоте пика припоя.

Чувствительность к контактной площадке означает, что дефекты «голова на подушке» с большей вероятностью образуются на площадках, ограниченных паяльной маской, чем на ограниченных металлом. Данные показывают, что у первых из них таких дефектов больше на 87%. Хотя чувствительность к площадке присутствует, сама по себе конструкция площадки не считается основной причиной возникновения дефектов.


Зазор корпуса

На рис. 46 показан корпус BGA с зазором снизу. Этот зазор у BGA-компонентов важен с точки зрения образования дефектов «голова на подушке» при пайке оплавлением. Этот зазор определяется как расстояние между нижней частью корпуса и концом шариков припоя.

BGA-компонент с зазором

Рис. 46 — BGA-компонент с зазором.

Некоторые BGA- компоненты обладают зазором, необходимым по конструктивным требованиям с точки зрения удара, образования перемычек или обеспечения контролируемой высоты по оси Z с целью гарантии минимальной высоты после пайки оплавлением. У некоторых BGA-компонентов на нижней стороне их подложки также присутствуют пассивные компоненты, необходимые для улучшения их электрических характеристик. В обоих случаях осадка шариков в процессе пайки оплавлением может быть ограничена.

Ограничение осадки шариков в процессе пайки оплавлением может быть важным в условиях коробления корпуса. Любое ограничение осадки вызовет увеличение высоты паяного соединения между областью корпуса с сильным короблением (обычно на краях) и пастой на плате. В предельном случае шарик и паста могут не войти в соприкосновение после осадки, и паяное соединение не образуется.

Дефект «голова на подушке» и вытянутые соединения

Рис. 47 — Дефект «голова на подушке» и вытянутые соединения.

Обычно этот механизм приведет к образованию дефектов «голова на подушке» и вытянутых соединений в области с сильным короблением. Это очень похоже на признаки механизма коробления. Если вы обнаружили подобные признаки, и у вашего корпуса есть зазор, то основной причиной образования дефектов «голова на подушке» является зазор. Дефект пропадет при уменьшении или устранении зазора. На рис. 47 показан BGA-компонент с двумя вытянутыми соединениями и двумя дефектами «голова на подушке», вызванными наличием зазора корпуса.

Для определения влияния зазора на образование дефектов «голова на подушке» было выполнено планирование эксперимента. Зазор до шарика изменялся за счет использования различных шариков у BGA-компонента. В планировании эксперимента уровень образования дефектов «голова на подушке» изменялся от 100% до 0% в пределах диапазона диаметров шарика, равного 3 mil (0,762 мм) (см. рис. 48). Диапазон был достаточен для проявления и устранения дефектов «голова на подушке».

Размер шарика с зазором

Рис. 48 — Размер шарика с зазором.


Заключение

Проблему дефекта «голова на подушке» решить не очень легко, так как к этому дефекту может привести множество различных механизмов. В данной работе описаны все известные механизмы, создающие дефект «голова на подушке» или оказывающие на него влияние. Понимание этих механизмов полезно для решения существующей проблемы с дефектами «голова на подушке», а также для того, чтобы полностью избежать ее появления. Во многих случаях проблема дефекта «голова на подушке» очень сложна и включает в себя несколько одновременно действующих механизмов. Наилучший подход к решению проблемы заключается в установлении основных механизмов, которые необходимо рассмотреть для решения проблемы, поиска способов повышения надежности процесса сборки, а также для того, чтобы сделать процесс нечувствительным к этим найденным механизмам. Использование защитной азотной атмосферы в печи пайки оплавлением — эффективный способ облегчения большинства из этих проблем, а также сокращения или устранения дефектов «голова на подушке», вызванных действием ряда механизмов. Однако это, конечно, не решит все проблемы образования дефектов «голова на подушке».

Для повышения качества монтажа BGA компонентов необходимо обеспечить точность их монтажа, операции технологического контроля процесса пайки, при помощи оптического и рентгеновского контроля, а также, в случае ремонтных технологических процессов, применение высококачественного оборудования для монтажа-демонтажа микросхем.

Благодарности

В работе с дефектами «голова на подушке» внесли свой вклад многие специалисты компании Intel.
Авторы приносят особую благодарность:
Сатиажиту Валвадкару (Satyajit Walwadkar) и Срини Аравамудхану (Srini Aravamudhan).


Источники

1 Z.P.Xiong, H.P.Sze, K.H. Chua, `Bump Non-wet issue in large-die flip chip package with eutectic Sn/Pb solder bump and SOP substrate pad` («Проблемы отсутствия смачивания в корпусах flip chip с крупными кристаллами и столбиковыми выводами из эвтектического сплава олово-свинец и контактных площадках подложки корпуса SOP»), Proceedings of the Electronic Packaging Technology Conference, 2004, pp. 438-443

2 L.S.Darken and R.W.Gurry, Physical Chemistry of Metals («Физическая химия металлов»), Mc-Graw Hill, New York, 1953.

3 W.W.Chin, C. C. Chong, L.H. Ng, C.S.Tay, `Air Reflow of Lead Free Soldering for Fine Pitch BGA’ («Бессвинцовая пайка оплавлением компонентов BGA с малым шагом выводов в воздушной атмосфере»), Proceedings of SMTAi Conference, 2006, pp. 100-106.


Возврат к списку статей


Офис в Москве

Глобал Инжиниринг

г.Москва Высоковольтный проезд, 1/49, офис 303

+7 495 980 0819

Время работы:

Офис в Санкт-Петербурге

Глобал Инжиниринг

г.Санкт-Петербург Набережная Чёрной речки, 41, БЦ «Прогресс Сити», офис 215

+7 495 980 0819

Время работы: