Технологии в электронной промышленности №4'2008

Обработка и надежность микрокорпусов для полупроводниковых элементов

Юрген Вильде
Соня Веге
Елена Жуковская
Вольфганг Шеель


Цель данной работы — идентификация и количественный анализ факторов влияния на надежность бессвинцовых электронных узлов с компонентами CSP при циклической температурной нагрузке. В данном исследовании была применена комбинация экспериментальных опытов на тест-плате и моделирования методом конечных элементов. При этом была проведена систематическая вариация следующих параметров: свойства материалов, геометрические размеры и влияние процессов изготовления.

Экспериментальные исследования показали, что срок службы компонента μBGA81 составляет от 600 до 1600 температурных циклов –40/+125 °C. Компонент QFN64 значительно более надежен, так как его срок службы составляет 2600 циклов.

Численный анализ позволяет дополнительно исследовать влияние различных факторов на надежность, экспериментальное исследование которых затруднено.

На основании проведенных исследований получены данные, правила и модели для прогнозирования стойкости электронных узлов с компонентами CSP при циклической температурной нагрузке в зависимости от геометрических размеров, типа компонента, материалов и количества циклов.

Введение и актуальное состояние

Несмотря на то, что исследование компонентов Chip-Scale-Packages (CSP) продолжается уже более десяти лет, использование компонентов данной формы в полной мере началось лишь в последние несколько лет. Технология CSP активно разрабатывается и дальше. Технология Wafer-Level-Packages (WLP) предполагает контактирование и корпусирование на полупроводниковой подложке до 300 мм до резки пластины на отдельные чипы и характерна значительным сокращением стоимости процесса корпусирования [1]. В современных прогнозах указывается на то, что через несколько лет минимальное расстояние между контактами сократится до 200 мкм, а количество контактов увеличится до 650 [1, 2]. Прочие тенденции развития технологии CSP — штабелирование нескольких ИС, тонкие микрочипы с толщиной менее 100 мкм [3] и ультратонкие компоненты CSP с общей толщиной корпуса менее 0,5 мм [2].

Препятствие для широкого применения — отсутствие информации о надежности электронных узлов с компонентами CSP, монтированными с помощью бессвинцовых припоев, так как используемые компоненты отличаются друг от друга технологией контактирования, свойствами материалов и термомеханическими характеристиками.

Надежность CSP компонентов определяется, прежде всего, характеристиками отказов паяных соединений, которые подвергаются большой нагрузке за счет температурного расширения субстрата и компонента при изменении температуры [4]. Это ведет, как правило, к усталости припоя после нескольких тысяч циклов. В то время как срок службы компонентов для поверхностного монтажа с рамкой с внешними выводами можно было оценить в зависимости от формы, размера и материалов компонента с помощью достаточно простых правил, для современных компонентов CSP с высокой степенью интеграции это не представляется возможным в связи с необходимостью учета внутренней конструкции компонента [6, 7]. Квалификация данных компонентов требует больших усилий и затрат. Производитель электронных узлов должен в будущем владеть двумя технологиями: технологией CSP и бессвинцовой технологией.

Концепт и цели исследований

Данная научная работа должна позволить производителю электронных модулей с новыми формами компонента CSP произвести оценку их надежности и оптимизировать характеристики надежности. Для этого необходимо иметь ориентировочные данные и правила, с помощью которых может быть оценено влияние конструктивных и технологических изменений. Цель этой статьи — определение характеристик надежности бессвинцовых электронных модулей с компонентами CSP при типичной циклической температурной нагрузке. Также должна быть создана модель надежности электронного модуля, с помощью которой может быть оценен срок его службы и которая содержит существенные факторы влияния. Приведем примеры факторов влияния на надежность при циклической температурной нагрузке.

Конструктивные факторы влияния:

  • тип компонента CSP;
  • материалы и конструкция;
  • контакт, ограниченный паяльной маской (Solder mask-defined, SMD)/контакт, не ограниченный паяльной маской (Non-Solder mask-defined, NSMD);
  • материал печатной платы (ПП);
  • правила дизайна ПП.

Технологические факторы влияния:

  • материал припоя;
  • печать паяльной пасты, толщина трафарета;
  • точность установки;
  • опрокидывание компонентов;
  • правила дизайна для трафаретов.

К современным формам компонента CSP относятся также ?BGA (Micro-Ball-Grid-Array) и QFN (Quad Flat No Lead). В компоненте BGA (рис. 1) контакты реализованы в виде шариков припоя, которые расположены на нижней стороне корпуса в форме квадратной матрицы. Контакты компонента QFN также не выступают, а расположены по сторонам корпуса и представляют собой площадки для пайки (рис. 2) и одну большую площадку (Diepad) в качестве механического и теплопроводного контакта. В обоих случаях микрочип фиксируется на разделяющем слое и припаивается далее к субстрату. В компоненте BGA между микрочипом и субстратом расположен полимерный разделяющий слой, а в компоненте QFN — медный слой. В отличие от компонента Flip-Chip, компонент CSP покрыт дополнительной формовочной массой и из-за этого обладает другими термомеханическими характеристиками. Систематика исследований и распределение отдельных работ представлены на рис. 3. Для получения практически подтвержденной базы данных были проведены испытания тестовых электронных узлов. Так как не все существенные факторы влияния могут быть определены практически, зависимость признака качества «срок службы» от факторов влияния была проанализирована с помощью моделирования методом конечных элементов. Сравнение экспериментально полученных данных с вычисленными в ходе моделирования сроками службы электронных модулей служит верификации.

Микрошлиф компонента BGA81

Микрошлиф компонента VQFN40

Концепт исследования с целью анализа надежной технологии монтажа электронных модулей с компонентами CSP

В рабочем пакете по моделированию сначала был проведен анализ геометрических размеров используемых электронных узлов с компонентами CSP. Исходя из этих данных были созданы модели конечных элементов для компонентов QFN и ?BGA. Наряду с этим должны быть определены согласующиеся свойства материалов, такие как модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и свойства ползучести для бессвинцового припоя. Моделирование методом конечных элементов было проверено при измерении расширения электронных узлов оптическим методом. С помощью подтвержденного данным образом метода конечных элементов была проанализирована чувствительность для выбора основных факторов влияния. Кривые срока службы были смоделированы вероятностно при сравнении результатов измерений на тестовых электронных узлах, а также вычислены их параметры распределения Вейбулла.

Параллельно проведенная программа экспериментов включает в себя проектирование и изготовление тестовых электронных узлов и ПП, монтаж и пайку различных конструкций, а также испытание циклической температурной нагрузкой и анализ повреждения тестовых электронных узлов. Полученные в ходе моделирования и экспериментов данные о сроке службы и зависимость отдельных эффектов друг от друга были проанализированы и использованы для создания компактной модели для прогноза срока службы. Данная модель позволяет провести оценку срока службы без использования сложного анализа методом конечных элементов.

Экспериментальные исследования

Программа экспериментов

Используемые в дальнейшем параметры экспериментов (табл. 1, 2) были определены и согласованы с промышленными партнерами в данном проекте. Следующие факторы влияния были учтены при проектировании топологии ПП:

Таблица 1. Параметры тестовой ПП
Параметры тестовой ПП
Таблица 2. Использованные компоненты
Использованные компоненты
  • тип компонента (μBGA, LFBGA, QFN);
  • количество входов/выходов (BGA49, BGA81, VQFN40, VQFN64);
  • диаметр контактных площадок.

Тестовые электронные узлы были изготовлены в варианте NSMD и один электронный узел для сравнения в варианте SMD. Всего было изготовлено 8 различных вариантов ПП (рис. 4). Также были варьированы такие параметры процессов, как установка компонентов, количество паяльной пасты и температурный профиль пайки. Все исследованные варианты представлены в таблице 3.

Тестовые электронные узлы с компонентами CSP после процесса пайки
Таблица 3. Варианты тестовых ПП
Варианты тестовых ПП

В данном исследовании была использована паяльная паста с припоем SnAg3,8Cu0,7 класса 4 фирмы Heraeus.

Так как в данной работе должны быть исследованы бессвинцовые припои, имеющиеся в наличии свинецсодержащие тестовые компоненты фирмы Micronas были перепаяны. Для удаления свинецсодержащего припоя была использована специальная установка для Reballing-процесса компании Martin GmbH. После удаления свинецсодержащих шариков припоя были припаяны бессвинцовые шарики припоя с помощью промышленной линии для пайки оплавлением.

Эксперименты по пайке были проведены в Центре технологий соединений электроники Института надежности и микроинтеграции им. Фраунгофера (FhG IZM) с помощью близкой к серийному производству конвекционной печи в атмосфере азота. При этом был использован температурный профиль, подходящий для серийного производства бессвинцовых стандартных электронных узлов со смешанной компоновкой. Был проведен металлографический анализ припаянных компонентов (рис. 4) для исследования использованных параметров установки компонентов и процесса пайки и измерения геометрических размеров для использования в модели метода конечных элементов. Всего было использовано около 200 печатных плат и 2500 компонентов для дальнейших испытаний. Технические подробности испытаний содержатся в отчете по данному проекту [8].

Для исследования надежности паяных соединений электронные узлы были подвергнуты следующей нагрузке:

  • температура: от –40 до +125 °C;
  • время задержки при крайних значениях температуры: 30 минут;
  • время смены температуры: <10 с.

Электронные узлы контролировались независимо от основного оборудования с помощью электрических измерений, которые проводились в исходном состоянии, после 500, 1000, 1500 и 2000 циклов.

Качество паяных соединений

На рис. 5 показано образование паяных соединений компонента QFN. При макроскопической оценке было установлено, что контактные площадки обоих типов компонентов QFN хорошо смочены припоем и паяное соединение имеет удовлетворительное качество. Между обоими вариантами не было установлено значительных отличий.

Паяные соединения компонента VQFN40

Рентгеновский анализ был проведен с помощью установки X-Tek HMX 160 iXS CT. Для оценки качества плоских паяных соединений под компонентом QFN был произведен количественный анализ пор. На рентгеновском снимке выглядящие плоско паяные соединения должны быть равномерно образованы. В варианте с «нормальным» количеством припоя в зависимости от выбранного варианта могут быть видны лишь небольшие различия при образовании паяных соединений (рис. 6а). Вся контактная площадка смочена припоем, и паяные соединения образованы равномерно. Количество пор в паяных соединениях умеренное. В варианте с сокращенным количеством припоя при меньшей толщине трафарета количество пор значительно выше (рис. 6б). В связи с этим паяное соединение не может быть полностью и равномерно образовано.

Образование паяных соединений компонента VQFN64

Исследование распределения диаметра шариковых контактов было проведено с помощью установки рентгеноскопии XD7600UR компании Dage. Распределение измеренных значений высоты и диаметра шариков различных компонентов (LFBGA49, Micronas и BGA49, TopLine) представлено на рис. 7 и 8.

Рентгеновский снимок паяных соединений

Распределение высоты зазора паяных соединений

Зазор паяного соединения (в англоязычной терминологии Standoff) представляет собой еще один параметр высоты паяных соединений. Данный параметр был исследован с помощью металлографических микрошлифов (рис. 8). Было показано, что распределение имеет форму кривой Гаусса со стандартным отклонением от 2 до 5% от среднего значения. При моделировании случайные входные переменные величины были приняты независимыми, со стандартным отклонением 5%.

Важный критерий приемки для оценки паяных соединений — наличие пор. Согласно норме IPC A 610, Revision D для всех классов электроники допускается максимальное содержание пор 25% относительно объема припоя отдельного шарика. Этот критерий, как правило, был соблюден в данном исследовании (рис. 6а, 7). Модели паяных соединений не содержат пор.

Результаты температурных циклических испытаний

Данные по отказам были обработаны для каждого типа компонентов в отдельности. При этом была сделана попытка доказать влияние варианта изготовления на срок службы электронных узлов.

Электронные узлы с компонентом QFN

Оказалось невозможным провести полноценное исследование электронных узлов с компонентом QFN40. После 2000 температурных циклов –40/+125 °C в электронных узлах с компонентами VQFN64 было зафиксировано лишь несколько ранних отказов, которые могли быть отнесены к 1% паяных соединений и впервые проявлялись после 1500 циклов. Можно сделать вывод, что при исключении этих ранних отказов компонентов данной формы и размера могут быть надежно достигнуты 2000 температурных циклов.

У компонентов данной формы с большим геометрическим размером, QFN64, уже после 1000 циклов было зафиксировано заметное количество отказов, что позволило провести оценку срока службы на основе распределения Вейбулла. Среднее значение характерного срока службы для всех вариантов с интенсивностью отказов 63,2%, составило 2051 циклов (рис. 9) и значения показателя Вейбулла b = 3,2. Для варианта со стандартными параметрами изготовления значение Nf составило 1917 циклов, а значение b = 3,7. Для прочих вариантов, например № 2 — толстый слой паяльной маски, № 5 — покрытие NiAu и № 7 — установка со смещением, у 63% электронных узлов был зафиксирован отказ после около 2500 циклов. При этом данное значение существенно превышает среднее значение. В вариантах № 4 — контакт, не ограниченный паяльной маской, № 3 — количество припоя ниже нормы, № 8 — установка компонентов с наклоном и № 6 — профиль пайки с порами 63% отказов были зафиксированы после 1500–1850 циклов. Значение показателя Вейбулла b находилось между 1,5 и 4,5. Не было зафиксировано корреляции данного параметра с количеством циклов, которое указывает на ранние отказы. Для оценки качества паяных соединений в исходном состоянии было проведено металлографическое исследование электронных узлов после пайки. Были изготовлены шлифы отдельных компонентов после температурных циклов для оценки и сравнения повреждений и распространения трещин в паяных соединениях. И выборочно проверено, являются ли причиной отказов компонентов, зафиксированных с помощью электрических измерений, разрушения паяных соединений или же дефектные паяные соединения в исходном состоянии.

Средний срок службы электронных узлов

Структура и интерметаллические фазы паяных соединений компонентов VQFN обоих размеров образованы равномерно. На периферических контактах в некоторых случаях видны очень маленькие поры в верхней части паяных соединений. Уже после 500 циклов в паяных соединениях компонентов VQFN64 были зафиксированы заметные трещины на границе к медной площадке. После 1000 циклов возникают сквозные трещины в припое на границе с интерметаллической фазой Cu6Sn5 со стороны компонента (рис. 10). Это соответствует результатам электрических измерений. Повреждения компонента VQFN40 с меньшими размерами после 1500 циклов соответствуют повреждениям компонента VQFN64 после 1000 циклов.

Микрошлифы компонента VQFN64

Электронные узлы с компонентами μBGA

В компонентах μBGA с формой BGA49 (TopLine) и LFBGA49 (Micronas) было зафиксировано лишь несколько отказов после 2000 циклов. В компонентах BGA49 и LFBGA49 для всех вариантов изготовления было зафиксировано от 0 до 5% и от 0 до 7% отказов соответственно при нагрузке от 1000 до 2000 циклов. При последующей оптической инспекции, как правило, не было обнаружено дополнительных отказов, из чего был сделан вывод, что ранние отказы зависят от негативных факторов влияния при изготовлении электронных узлов. При соответствующем контроле процесса изготовления и проявлении необходимой осторожности компоненты μBGA49 должны также достигать 2000 температурных циклов без отказов.

Данные результаты показали, что Reballing - процесс в комбинации с последующим монтажом шариков припоя в печи оплавления негативно влияет на надежность паяных соединений при сравнении с новыми компонентами от аналогичного производителя.

В компонентах формы LFBGA81 и BGA81 четко проявляется значительное снижение надежности при увеличении высоты компонента. Результаты, полученные на компоненте LFBGA81, к сожалению, несколько противоречивы. В вариантах № 2 — толстый слой паяльной маски, № 3 — количество припоя ниже нормы и № 4 — контактная площадка, ограниченная паяльной маской, уже после 1000 циклов было зафиксировано 50% отказов. Это значение в дальнейшем не изменяется. В вариантах № 1 — стандартные условия изготовления, № 7 — установка со смещением и № 8 — установка с наклоном после 1500 циклов практически не было зафиксировано отказов. В вариантах № 5 — покрытие NiAu и № 6 — профиль пайки с порами после 1500 циклов было зафиксировано 12% отказов. В целом для данных компонентов можно сделать вывод, что возможны электронные узлы без отказов до 1500 циклов. Однако в данном исследовании подобные электронные узлы не могли быть воспроизведены.

Характерный срок службы электронных узлов с компонентом BGA81 (TopLine) со стандартными условиями изготовления (вариант № 1) составляет Nf = 1600. Среднее значение характерного срока службы для всех вариантов составляет примерно 1000 циклов (рис. 11). Более толстый слой паяльной маски в варианте № 2, видимо, не оказывает влияния на срок службы (Nf = 1429). Количество припоя ниже нормы (вариант № 3; Nf = 996), ограниченная паяльной маской контактная площадка (вариант № 4; Nf = 932) и установка с наклоном (вариант № 8; Nf = 926) значительно сокращают количество циклов. Сокращение срока службы примерно вдвое было зафиксировано при профиле пайки с порами (вариант № 6; Nf = 830), покрытии NiAu (вариант № 5; Nf = 610) и установке со смещением (вариант № 7; Nf = 610) (рис. 11).

Средний срок службы электронных узлов с компонентами ?BGA81

Наклон прямой отказов b для компонента BGA81 составляет в среднем 2,5 с разбросом значений от 1,7 до 3,6. Для данного компонента можно наблюдать корреляцию между количеством циклов и наклоном прямой отказов. При увеличении срока службы на 100 циклов значение показателя Вейбулла увеличивается на Δb = 0,07. Обобщая, можно сказать, что срок службы компонента BGA81 очень сильно зависит от исследованных параметров влияния, и первые отказы могут быть зафиксированы уже после нескольких температурных циклов –40/+125 °C.

В целом было установлено, что по сравнению с остальными компонентами в данном исследовании компонент BGA81 имеет наиболее частые отказы. За ним следуют компоненты QFN64 и LFBGA81. В компонентах LFBGA49, BGA49 и QFN40 было установлено наименьшее количество отказов паяных соединений, либо же их почти полное отсутствие.

В паяных соединениях компонентов BGA, как правило, не было замечено значительных дефектов структуры (рис. 12). В некоторых случаях в паяных соединениях видны очень маленькие поры. Структура соединений и интерметаллические фазы указывают на хорошо подобранные параметры процесса пайки и хорошую смачиваемость. Со стороны печатной платы паяное соединение образовано без ограничения контактной площадки паяльной маской. В выбранной плоскости микрошлифа хорошо видно, что паяльная маска локально определяет форму паяного соединения на переходе от контактной площадки к проводнику. Уже после 500 циклов от этого места начинают распространяться трещины в направлении контакта. Со стороны компонента также были зафиксированы маленькие трещины (рис. 12). После 1000 циклов образуются большие трещины в припое на границе с интерметаллической фазой Cu6Sn5 со стороны печатной платы (рис. 12). Данное заключение также соответствует электрическим измерениям при анализе отказов.

Микрошлифы компонента ?BGA81

Моделирование с помощью метода конечных элементов

Проведение моделирования

Основываясь на концепте набора моделей, разработанном в предыдущих исследованиях [9], были построены параметризованные модели конечных элементов для компонентов μBGA и QFN. Вероятностный анализ влияния всевозможных параметров материалов и конструкций мог быть рационально и автоматически осуществлен только с помощью данного параметрического метода. На рис. 13 показано сравнение реальных и смоделированных паяных соединений и медных контактных площадок для компонента VQFN. Метод моделирования позволяет также параметрически учесть такие дефекты пайки, как опрокидывание и сдвиг. Большое опрокидывание ведет при постоянном количестве припоя к более резкому проявлению признака «маленький зазор» и «большой зазор» для расположенных напротив друг друга паяных соединений (рис. 13).

Установлены параметры материалов исследованных компонентов для моделей. Было принято, что большинство свойств материалов линейно эластичны, и в моделях была также учтена температурная зависимость свойств материалов (табл. 4). Для исследования выбраны 4 варианта компаундов: LS (low-stress) № 1 и LS № 2, а также QFN и BGA TL. Модуль упругости и характеристики расширения тестовых печатных плат и компаундов были измерены стандартными методами: TMA (Thermal Mechanical Analysis — термомеханический анализ) и DMTA (Dynamical Mechanical Thermal Analysis — динамический термомеханический анализ). Так как припой обладает свойством ползучести, было проведено нелинейное моделирование с зависимостью от времени и температуры. В ходе предварительных исследований получены данные для припоя SnAg3,8Cu0,7 [10], которые являются репрезентативными, в связи с чем они были использованы для моделирования методом конечных элементов.

Таблица 4. Свойства материалов, использованные при моделировании
Свойства материалов, использованные при моделировании

Результаты моделирования

Модели компонентов были использованы для термомеханического моделирования методом конечных элементов с помощью программы ANSYS. На рис. 14 представлена картина деформации, из которой следует, что характеристика температурного расширения компаундов оказывает значительное влияние на деформацию компонента. Однако на срок службы паяных соединений влияет локальная амплитуда расширения при изменениях температуры. Сначала отказывает то паяное соединение, которое в связи с наибольшим растяжением первым достигает усталости. На рис. 15 в качестве примера представлено распределение растяжения паяных соединений в зависимости от их расположения или же внутри самого паяного соединения при температурной нагрузке от –40 до +125 °C для обоих типов компонентов. Критический контакт компонента BGA— шарик припоя на углу корпуса и шарик припоя, расположенный на одну позицию от угла вдоль корпуса микрочипа. В компоненте VQFN зона максимальной нагрузки находится в угловом контакте и распределяется от внешней к внутренней стороне корпуса.

Деформация компонентов ?BGA и VQFN

Позиция критических зон растяжения в паяных соединениях компонентов LFBGA49 и VQFN40

На основе результатов моделирования были построены циклические диаграммы растяжения согласно источнику [11]. Для расчета количества циклов до отказа Nf с помощью модели повреждения Коффина-Мэнсона [12] с Nf = 4,5(Δεск)–1,295 была использована эквивалентная амплитуда деформации ползучести Δεск.

На оcнове результатов распределения отказов, представленных на рис. 16, был определен характерный срок службы для компонента BGA81 (вариант № 1) при вероятности отказа 63%, который достаточно хорошо согласуется с экспериментально полученными значениями. Паяные соединения компонента BGA49 с меньшими размерами имеют, как и следовало ожидать, значительно больший срок службы.

Смоделированное распределение отказов для различных вариантов с компонентом BGA (TopLine)

Для анализа чувствительности и определения основных факторов влияния на надежность моделированием в программе ANSYS были вычислены коэффициенты корреляции между входными переменными величинами и исходными параметрами с помощью корреляции признаков ранга по Спирмену. Значение чувствительности rS равняется 1 при полной корреляции, 0 — при отсутствии корреляции и –1 — при полностью отрицательной корреляции.

В проведенном моделировании были рассмотрены два варианта геометрии шариков припоя: со стороны компонента CSP контактные площадки в варианте SMD, а со стороны ПП, как правило, контактные площадки в варианте NSMD. При радиусе шарика в 225 мкм и радиусе контактной площадки со стороны компонента CSP (Rp) в 170 мкм были использованы модели с радиусом контактной площадки со стороны ПП (Rs) в 150 и 200 мкм. Для варианта № 1 с маленькими контактными площадками субстрата Rs < Rp, для варианта № 2 — с большой контактной площадкой со стороны субстрата Rs > Rp (рис. 17). Для определения срока службы, так же как и в экспериментах, применялись кривые Вейбулла с двумя параметрами.

Меньшие контактные площадки ПП ведут к большей надежности, в то время как большие площадки ведут к более короткому сроку службы и более высокой вероятности отказа. Это действительно для обоих типов компонента BGA: BGA49 и LFBGA49 (рис. 16, 17). Различия в полученных результатах свидетельствуют о большой зависимости надежности электронных модулей от внутренней конструкции и свойств материалов компонентов.

Были вычислены значения чувствительности срока службы к изменению входных переменных величин, например, радиус шарика припоя со стороны компонента CSP Rp и со стороны ПП Rs (рис. 18). Сравнение коэффициентов показало, что радиус шарика припоя — важный параметр для улучшения надежности.

Зависимость срока службы компонента LFBGA49

Для сравнения проведено исследование влияния геометрических размеров паяных соединений компонента QFN на срок службы (рис. 19). Для компонента VQFN40 была обнаружена отрицательная чувствительность срока службы паяных соединений к несогласованию ТКЛР компонента и ПП (DA) со значением фактора корреляции –0,6828. Фактор корреляции для соотношения ширины контактных площадок ПП и корпуса (DR) имеет значение 0,6643, из чего следует, что меньший размер контактной площадки ПП ведет к увеличению срока службы. Амплитуда температуры цикла (DT) имеет отрицательную корреляцию со значением –0,2426. Увеличение размеров корпуса (L) ведет к сокращению количества циклов до отказа при слабой корреляции со значением –0,1061.

Коэффициенты корреляции между геометрическими размерами/параметрами тестирования и сроком службы паяных соединений компонента VQFN40

Влияние коэффициентов расширения компаундов на срок службы

Свойства материала заливочной массы оказывают очень большое влияние на надежность. Такие свойства, как модуль упругости и ТКЛР, очень резко изменяются при превышении значения температуры стеклования. Более высокое значение ТКЛР заливочной массы ведет к увеличению эффективного значения ТКЛР компонента и к сокращению разницы ТКЛР с печатной платой. В связи с этим было исследовано влияние двух различных компаундов на срок службы. В одном случае ТКЛР компаунда (LS № 2) ниже ТКЛР печатной платы: αЭК < αПП. Во втором случае ТКЛР компаунда (LS № 2), наоборот, выше ТКЛР печатной платы: αЭК > αLP.

Качественное сравнение термомеханических характеристик компонента с компаундами с различными значениями ТКЛР представлено на рис. 14. При температуре –40 °C происходит одинаковая деформация обоих компаундов, а при температуре +125 °C — расширение компаундов отличается друг от друга (рис. 14). Моделирование методом конечных элементов с определением численных значений из диаграммы Вейбулла показало, что компаунд LS № 1 в отличие от компаунда LS № 2 ведет к увеличению срока службы (рис. 20). В то время как характерный срок службы компонентов с компаундом LS № 1 составляет 7000 циклов, срок службы компонентов с компаундом LS № 2 достигает 5000 циклов.

Моделирование количества циклов

Позиция критической зоны с наибольшей нагрузкой зависит от применяемого компаунда. Так, в случае применения компаунда LS № 2 для всех моделей компонента μBGA критическая зона с наибольшим растяжением была зафиксирована в угловых шариках. Для компонентов с компаундом LS № 1 критическая зона перемещается на следующий шарик по диагонали по направлению к центру корпуса (рис. 15). Для некоторых вариантов конструкций зона максимального расширения наблюдалась вновь в угловых шариках.

Выводы

Было разработано и верифицировано вероятностное моделирование с целью прогнозирования срока службы бессвинцовых паяных соединений электронных узлов с компонентами CSP при циклической температурной нагрузке. Данный метод пригоден для конструирования кривых распределения срока службы с учетом различных факторов влияния. Прогноз срока службы для компонентов μBGA с большой точностью совпадает с результатами тестирования.

Кроме того, экспериментально исследовано и смоделировано влияние ряда факторов, связанных с технологией монтажа. Для этого был проведен сравнительный анализ компонентов ?BGA и QFN относительно геометрических параметров и свойств материалов. Результаты моделирования, базирующиеся на анализе чувствительности, показали одинаковые характеристики для обоих типов компонентов:

  • Увеличение отверстия в паяльной маске для компонентов ?BGA и увеличение ширины периферических контактных площадок компонента QFN ведут к увеличению срока службы паяных соединений.
  • Разница между ТКЛР заливочной массы и ПП может оказывать влияние на позицию критических зон (с максимальным растяжением) компонентов BGA и QFN.
  • Важно использовать заливочную массу с оптимальным коэффициентом расширения для предотвращения отрицательной разницы ТКЛР.

Предсказанные в ходе моделирования методом конечных элементов термомеханические характеристики надежности электронных узлов соответствуют экспериментальным результатам качественно, а при использовании компонента BGA и количественно. В связи с этим данный метод годится как для оптимизирования конструкции, так и для оценки срока службы.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen, 2007, N 12, Германия).

Литература

  1. Reichl H., Wolf M. J. Microelectronic packaging in the first decade of the third millennium // IZM Annual Report, 2001/2.
  2. Beelen-Hendrikx C., Verguld M. The future of IC packaging. APEX 2002 — Proceedings of the technical conference. San Diego, 19–24 January, 2002.
  3. Neumann A. et al. Chip in polymer — the next step in miniaturization // IZM Annual Report, 2001/2.
  4. Hall P. M., Sherry W. M. Materials, structures and mechanics of solder joints for surface mount technology. Proc. 3. Int. Conf. Fellbach // Verbindungstechnik in der Elektronik, DVS-Ber., Bd. 102, S. 47-61, DVS-Verlag, Dьsseldorf, 1986.
  5. Engelmaier W. IEEE Trans. CHMT, Bd. 13, N 4, 1990.
  6. Wilde J. Design-for-reliability in the packaging of sensors and Microsystems. Tagungsband zum Kongress “Sensor 2001”, Nьrnberg, 8–10 Mai, 2001.
  7. Wilde J., Cheng Z., Wang G. Influence of packaging materials on the reliability of solder joints on a CSP. Materials Packaging Symposium and Flip Chip Workshop. Braselton, GA, USA, 17 Mдrz, 1999; Tagungsband zur Konferenz, Hrsg.: IMAPS, Reston, VA, USA
  8. http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3449
  9. Wilde J., Zukowski E., Deier E. Correct modelling of geometry and materials properties in the thermo-mechanical finite-elements-simulation of chip scale packages. Proc. Eurosime, 2005.
  10. Schubert A., Dudek R., Auerswald E., Gollhardt A., Michel B., Reichl H. Fatigue life models of SnAgCu and SnPb solder joints evaluated by experiments and simulations, 53rd ECTC Conference Proc. 2003.
  11. Wilde J., Zukowski E. Comparative sensitivity analysis for ?BGA and QFN reliability. Proc. EuroSimE 2007, April 16–18, 2007, London, UK.
  12. Dudek R., Rzepka S., Dobritz S., Doring R., Keybig K., Wiese S., Michel B. Fatigue life prediction and analysis of wafer level packages with SnAgCu solder balls. Proc. ECTC, 2006, Bd. 2.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо