Анализ роста микротрещин в бессвинцовой пайке смонтированных SMD-компонентов

Введение

В настоящее время технология поверхностного монтажа (SMT) широко распространена в производстве электроники. Пассивные компоненты — поверхностно-монтируемые резисторы и конденсаторы — составляют основную часть от всего количества выпускаемых резисторов и конденсаторов. Раньше эти компоненты монтировались с помощью оловянно-свинцовых припоев. Тем не менее, с введением директивы ЕС RoHS с июля 2006 года производители перешли к альтернативным вариантам — без употребления свинца. Этот переход вызывает вопросы по многим пунктам, в частности, в отношении надежности пассивных SMD-компонентов при бессвинцовой пайке. Поверхностный монтаж пассивных компонентов с оловянно-свинцовым припоем использовался на протяжении более 25 лет, и существует обширная база знаний по их надежности. Однако относительно бессвинцовых припоев данных пока мало.

Одной из причин выхода из строя элементов на печатной плате является термомеханическая усталость паяного соединения. Термомеханические усталостные разрушения происходят из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (CTE) компонента и печатной платы. CTE типичного пассивного элемента лежит в пределах 5–10 ppm/°C, в то время как CTE печатной платы находится в диапазоне 16–18 ppm/°C. Когда печатную плату подвергают нагреву или охлаждению, компонент и плата сжимаются и расширяются с различной скоростью. Напряжение, возникающее из-за несоответствия CTE компонента и платы, воспринимается паяным соединением. В результате таких повторяющихся нагрузок в спайке возникает усталость, в конечном итоге приводящая к неисправности, когда усталостная трещина полностью прерывает электрическое и механическое соединение. На рис. 1 показаны снимки паяных соединений, обычно используемых при монтаже поверхностных компонентов.

Рис. 1. Форма паяных соединений для поверхностного монтажа:
а) резистора;
б) конденсатора

Поверхностно-монтируемые резисторы и конденсаторы, как правило, имеют низкий профиль, и толщина паяного соединения под компонентом составляет 30–80 мкм. Таким образом, возникает необходимость обеспечить податливость подобного соединения.

Методика эксперимента

Работа, представленная в статье, является частью более широкого исследования, цель которого — более четко понять усталостную долговечность пассивных компонентов с бессвинцовым паяным соединением: где происходят сбои, когда они происходят и как быстро распространяется усталостная трещина — в основном для SnAgCu сплавов. В данном случае мы сосредоточимся на получении оценок промежутков времени, в которые усталостная трещина возникает и распространяется. Эта информация необходима для разработки дальнейшей стратегии изучения усталостных трещин бессвинцовой пайки SMD-компонентов.

В качестве тестовой мы использовали печатную плату, разработанную Barco Electronics Manufacturing. Эта тестовая плата, кроме других компонентов, содержит массивы резисторов и конденсаторов из широкого диапазона размеров. В этой работе были исследованы следующие SMD-резисторы — R2512, R2010, R1206 и SMD-конденсатор — C1206.

Наименование этих компонентов основано на стандартных промышленных названиях резисторов и конденсаторов в зависимости от их длины и ширины. Например, R2010 относится к резистору с длиной 5,08 мм и шириной 2,54 мм.

Все компоненты были собраны на восьмислойной плате из FR4 толщиной 1,6 мм. В исследовании оценивались паяные соединения с контактными площадками с химическим покрытием оловом и Ni/Au. Платы были произведены компанией Barco Prints и собраны Barco Electronics Manufacturing. Для монтажа использовалась паяльная паста Sn-Ag(3,8%)Cu(0,7%). В таблице 1 представлены номинальные размеры компонентов и контактных площадок. В процессе сборки использовались стандартные процедуры поверхностного монтажа, в том числе трафаретная печать, нанесение паяльной пасты, установка компонентов и оплавление. На рис. 2 показаны уже смонтированные детали.

Собранные платы подвергались циклическим перепадам температуры от –40 до +125 °C. Этот стандартное ускоренное испытание используется в автомобильной промышленности. Цикл содержал периоды 15-минутного повышения и понижения температуры, а также 15-минутные периоды выдержки на обеих крайних температурах. Проводилась оценка ожидаемой усталостной долговечности устройств в сравнении с некоторыми эмпирическими моделями и изымались образцы для изучения. Впоследствии их разрезали вдоль, и измерялась длина обнаруженной в спайке трещины. Для того чтобы измерить длину трещины на площадке, анализировалась фотография средствами UTSCSA. Это программное обеспечение позволяет пользователю выделить участок изображения и подсчитывает количество пикселей. Подсчет пикселей откалиброван по изображениям образцов с известной длиной, снятых с тем же увеличением, что и трещины в спайке.

Рис. 2. SMD-компоненты, установленные на плате

Моделирование методом конечных элементов

Моделирование проводилось с использованием программного обеспечения MSC Marc Finite Element. Моделирование «ползучести» материала крайне важно для моделирования напряженно-деформированного поведения припоя. Хотя несколько моделей были опубликованы, пока еще не существует общепринятой модели. В этой работе использовалась модель, описанная S. Wiese и др. [1]:

где Т — температура паяного соединения, К; σ — удельное механическое напряжение, МПа.

Для модуля упругости сплава SnAgCu использовались значения, опубликованные Darveaux для припоя SnAg:

E = 52 400–193T,

где Т — температура паяного соединения, °С; Е — модуль упругости (Юнга), МПа.

A.Syed и др. в своей работе [2] оценили использование различных моделей «ползучести» припоя и обнаружили, что предсказания усталостной долговечности согласно большинству этих моделей лежат близко друг к другу. Кроме того, они также пришли к выводу, что модели, которые рассматривают только «ползучесть» (не принимая во внимание пластическую деформацию), могут быть использованы при разумном соотношении с экспериментальными данными усталостной долговечности.

Рис. 3. FE-модель:
а) конденсатора С1206;
б) резистора R1206

Все остальные элементы платы были смоделированы как линейные эластичные материалы. Некоторые свойства материалов, используемых в различных элементах платы, перечислены в таблице 2. На рис. 3 показаны области, в которых проявляется накопленная деформация.

Анализ микроструктуры

Микроструктурный анализ микрошлифов образцов проводился с помощью светового оптического микроскопа и электронного сканирующего микроскопа с рентгенологическим спектрометром.

Результаты моделирования FE и обсуждение

Резисторы

Обнаружены две основные области с большой энергией деформации в трех моделируемых резисторах. Это (1) — торец компонента и (2) — нижняя часть спайки (рис. 4а).

Рис. 4. Накопление механических напряжений в паяном соединении:
а) резистора R2512: 1 — у торца; 2 — у края пайки под компонентом;
б) конденсатора C1206

Средние значения деформации и средней плотности энергии деформации на всех трех моделированных резисторах очень близки друг к другу (табл. 3). Этого следовало ожидать, поскольку размеры контактной площадки (а значит, и объема припоя) увеличиваются с ростом размера компонента, и, следовательно, величина средней деформации, приложенной к припою, остается в том же диапазоне.

Конденсаторы

Самое большое накопление деформации сдвига расположено в нижней части компонента моделируемого конденсатора С1206. Сдвиг при растяжении и плотность энергии деформации выше, чем для R1206, который имеет такую же длину и ширину, но меньшую толщину.

Измерение роста трещины 

Исследования показывают, что есть множество факторов, которые влияют на долговечность паяных соединений SMD-резисторов и конденсаторов. Это взаимное расположение паяных соединений, толщина и угол кромки, а также размеры контактных площадок. В литературе широко представлены оценки усталостной долговечности для паяных соединений для SMD-резисторов и конденсаторов.

В работе J. C. Suhling и др. [3] для типоразмера R2512 с паяльной пастой SnAgCu на плате 1,6 мм и термопрофилем от –40 до +125 °C была продемонстрирована долговечность около 5000 циклов. C. Andersson и др. [4] в их работе по изучению резисторов R1206 также сообщили об инициации трещины в период между 1000-м и 1500-м циклом температурных перепадов от –55 до +125 °C с тем же временем выдержки, что и в нашей работе. Результаты FE-моделирования в сочетании с эмпирической зависимостью скорости роста трещины в предыдущей работе (имеется в виду та же работа C. Andersson [4]) дают оценку долговечности в диапазоне 3000–4000 циклов. На основе этой оценки был запланирован анализ компонентов через каждые 500–600 циклов.

Было показано, что после начала циклов на всех резисторах были отмечены трещины на 50–80% от общей толщины припоя после 600 циклов. Поэтому мы брали дополнительные образцы, чтобы собрать больше информации об инициации и росте трещины до завершения 600 циклов. Это позволило сократить количество образцов для анализа, и поэтому только 10–15 компонентов было доступно для каждого типа и каждого интервала времени. Ограниченное число образцов также стало причиной того, что результаты, полученные для конденсаторов С1206, не будут представлены в этой статье.

Рис. 5. Рост трещины в пайке:
а) R2512;
б) R2010;
в) R1206

На рис. 5 показано поведение скорости роста трещины (длина трещины нормирована на общую доступную ее длину) для компонентов R2512, R2010 и R1206 соответственно в зависимости от числа циклов. Эти графики созданы на основе микрошлифов порядка 400 компонентов. У компонентов R2512 и R2010, собранных на контактных площадках с NiAu-окрытием, темп роста трещины на 50–100% выше по сравнению с собранными на площадках с Sn-покрытием. Разница в скорости роста трещины для R1206 (устройства собраны на площадках с покрытием NiAu и Sn) составляет около 10%. Предполагаемые темпы роста трещины перечислены в таблице 4.

Распространение трещины

Сложилось общее мнение, что есть два этапа образования трещины при поверхностном монтаже резисторов и конденсаторов:

• быстрый рост трещин в припое под компонентом;
• замедленный рост трещины на 45° через галтель припоя.

В компонентах, рассматриваемых здесь, различие было замечено между началом роста трещин для резисторов и конденсаторов.

Резисторы

Согласно результатам FE-моделирования, есть две области в толще припоя с наибольшим деформационным напряжением: в углах компонента и нижней части паяного соединения. При анализе микрошлифа резисторов было замечено, что инициация трещины действительно имеет место в двух указанных местах (рис. 6а). Две трещины распространяются навстречу друг другу и сливаются в одну под краем компонента. Кроме того, трещина, появляющаяся на краю компонента, распространяется в две стороны — под компонентом и в сторону галтели припоя. После этой стадии наблюдаются два разных направления распространения трещины. Трещины идут или под углом примерно 45° через галтель припоя (рис. 6б), или вверх по металлизации компонента. В некоторых случаях наблюдаются оба пути распространения.

Рис. 6. Рост трещины:
а) в паяном соединении R1206;
б) в галтели припоя;
в) в паяном соединении C1206

Конденсаторы

Инициация трещины в монтаже SMD-конденсаторов начинается, как правило, недалеко от нижней кромки паяного соединения в соответствии с FE-моделью. Это было установлено во время экспериментов (рис. 6в). Трещина распространяется вдоль толщи припоя под основание компонента. После 1000 циклов ни один из конденсаторов, как на Sn, так и на NiAu-площадках, не дал сбоя. В то же время некоторые образцы показали полное растрескивание припоя под компонентом; никаких трещин, проходящих через галтель припоя, не наблюдалось, и, следовательно, нет никакой информации о поведении трещины в этой области.

Изучение формы трещины

При измерении длины трещины возникает вопрос: где в компоненте сделать микрошлиф? Если взглянуть на результаты FE-моделирования (которое показывает распределение деформаций в паяном соединении в нулевой момент времени), самое высокое напряжение накапливается в углу компонента (и для резисторов, и для конденсаторов), а также под компонентом в нижней точке спайки. Эти точки находятся там, где трещины наиболее вероятны. Интересно знать, как форма трещины меняется с ее ростом. Для того чтобы исследовать точный характер распространения трещин, резисторы R2512 были рассечены вдоль ширины с шагом 500 мкм на различных этапах термоциклирования. В изучении каждого микрошлифа были записаны длина и местоположение трещины. На основе этих измерений были сделаны двухмерные карты области трещины (рис. 7а). Линии, параллельные длине компонента, показывают, где были сделаны микрошлифы, а заштрихованные зоны — это область трещины.

Рис. 7. Развитие трещины:
а) в паяном соединении R2512 на основе микрошлифов на различных этапах термоциклирования;
б) в паяном соединении R1206

Эти области были рассчитаны на основе измерений трещин и наблюдаемых структурных дефектов в массиве припоя, таких как пустоты. Видно, что трещина перемещается примерно параллельно длине контактной площадки. На рис. 7б показаны различные этапы распространения трещины для резистора R1206.

Влияние пустот

Образование пустот является общей чертой для всех наблюдаемых сборок поверхностного монтажа. Образование пустот происходит во время пайки оплавлением, когда летучие вещества из флюса оказываются окруженными расплавленным припоем при плавлении паяльной пасты. В некоторых исследованиях было сказано, что более высокий уровень образования пустот происходит при пайке на площадках с химическим покрытием NiAu по сравнению с площадками с другими типами покрытий. Наше исследование показало гораздо более высокий уровень образования пустот для резисторов, припаянных на NiAu-площадки, по сравнению с площадками с химическим Sn-покрытием. Это отчетливо видно на изображениях, полученных с помощью электронного сканирующего микроскопа (рис. 8), где изображены контактные площадки после удаления компонентов. На рис. 9 представлен поперечный разрез резистора R2512 на площадках с NiAu-покрытием.

Рис. 8. Изображения, полученные с помощью детектора вторичных электронов, показывающие появление пустот на площадках с Sn и NiAu покрытием

Рис. 9. Резистор R2512, смонтированный на контактной площадке с NiAu-покрытием

Влияние пустот на надежность паяных соединений остается спорным вопросом. Есть исследования, показывающие некоторое влияние большого числа пустот на надежность пайки, а другие специалисты не установили эффекта зависимости долговечности паяного соединения от количества пустот для нормально смонтированных SMD-компонентов. Хотя обсуждение количественной зависимости надежности пайки от образования пустот выходит за рамки этой статьи, тем не менее, качественная зависимость все же наблюдалась. Основываясь на измерениях, проведенных на микрошлифах резисторов R2512 и R2010 (на NiAu-площадках), было подсчитано, что пустоты занимают порядка 35% объема припоя под компонентом по сравнению с 10–15% для R2512 и R2010 на Sn-площадках. Одним из последствий образования пустот является увеличение просвета под компонентом.

На рис. 10 показано сравнение пайки компонента R2512 на площадках NiAu и Sn. Наличие пустот приподнимает компонент вверх и значительно снижает толщину галтели припоя.

Рис. 10. Влияние образования пустот на изменения в паяном соединении

Анализ неисправностей

Как было сказано ранее, компоненты, смонтированные на NiAu-площадках, демонстрируют намного более быстрый рост трещин по сравнению с компонентами на Sn-площадках. Существует широко известный тип неисправности, связанный с применением NiAu-покрытия контактных площадок, называемый «хрупкое разрушение». В этом случае расслоение между интерметаллическим слоем и припоем вызывает очень ранние отказы. Тем не менее, в данных образцах все отказы для компонентов, собранных на NiAu-площадках, были связаны с пластичным усталостным разрушением, то есть усталостные трещины распространяются в толще припоя без отделения от интерметаллического слоя. Это можно видеть на рис. 11 и 12, где представлены компоненты R2512 и R1206 после 250 и 800 циклов соответственно.

Рис. 11. Пластические разрушения в паяном соединении компонента на NiAu-площадке

Рис. 12. Микроструктура пайки компонента R1206 на NiAu-площадке

На рис. 13 показана поверхность трещины в паяном соединении R2512 для площадок с NiAu и Sn покрытием соответственно. Поверхность покрыта рябью, что указывает на пластичное усталостное разрушение. В резисторах на площадках с Sn-покрытием также произошло пластичное разрушение. Микроструктура соединений показывает объемный массив олова с диспергированными в нем вкраплениями частиц интерметаллических соединений Cu-Sn и Ag-Sn. На конденсаторах (C1206), собранных на NiAu-площадках, началось некоторое растрескивание, в то время как интерметаллические частицы Au-Sn наблюдались как в массиве олова (наряду с Cu-Sn и Ag-Sn частицами), так и в непрерывном Sn-Cu-Ni интерметаллическом слое, образованном между припоем и металлизацией компонента (рис. 14). Однако хрупких интерметаллических расслоений не наблюдалось даже после 1000 циклов. Конденсаторы, собранные на площадках с Sn-покрытием, показали большее количество трещин, но так же, как и во всех других случаях, трещина проходила в толще припоя.

Рис. 13. Поверхность трещины с характерной рябью пластического разрушения на NiAu и Sn площадках

Рис. 14. Микроструктура пайки компонента С1206 на NiAu и Sn площадках

Заключение

В этой работе была предпринята попытка понять природу термомеханических дефектов, установить места инициации трещины и определить приблизительную эволюцию трещины. Для этого компоненты R2512, R2010, R1206 и C1206 были смонтированы на FR4 печатной плате с двумя видами химического покрытия контактных площадок — Sn и NiAu. Из этого исследования можно сделать следующие выводы:

• Рост трещины во всех случаях проходил в толще припоя в результате пластичного разрушения.
• Места образования и пути распространения трещин одинаковы для контактных площадок с обоими рассмотренными видами покрытий.
• У резисторов инициирование трещины происходит в двух местах: это торец компонента и нижний край паяного соединения. Трещина от края пайки распространяется внутрь толщи припоя, в то время как трещина от торца компонента распространяется в двух направлениях — под компонент, навстречу другой трещине, и через галтель (или же вдоль металлизации компонента).
• У конденсаторов трещина начинается у нижнего края паяного соединения под компонентом. В проведенных экспериментах (более 1000 циклов) не наблюдалось трещин в галтели.
• FE-моделирование показало, что области с наибольшим накоплением деформации совпадают с местами появления трещин как у резисторов, так и у конденсаторов.
• Была определена плоская форма трещины для некоторых образцов с помощью нескольких продольных микрошлифов компонента. Фронт небольших трещин, очевидно, зависит от распределения деформационных напряжений, но с увеличением области трещины фронт распространяется примерно параллельно длинной стороне контактной площадки по всей ширине компонента.

Таким образом, при малых размерах трещин, длиной трещины нужно считать среднее значение между измерениями с краю и по центру компонента, а при большей длине трещины это не столь важно из-за относительной ее равномерности.

• Образование пустот, очевидно, оказывает положительное влияние на скорость роста трещин, что было показано на компонентах R2512 и R2010 на площадках с NiAu-покрытием.

В результате этой работы был разработан новый испытательный стенд для обнаружения и исследования появления трещин, их развития и факторов, влияющих на это, а также скорости роста трещин в паяных соединениях пассивных SMD-компонентов с использованием бессвинцового SnAgCu-припоя.