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

№ 6’2015
PDF версия
В условиях перехода отрасли 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-and-pillow, HnP). Эти дефекты трудно обнаружить после завершения сборки по технологии поверхностного монтажа, и наиболее вероятно, что они проявятся уже у заказчика.

Механизмы образования дефектов, связанные с материалами

Ключевые свойства паяльной пасты

Свойства паяльной пасты важны для решения проблем, связанных с бессвинцовой пайкой. Химический состав флюса бессвинцовых паяльных паст должен обладать характеристиками, 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

Стабильность материала паяльной пасты [3] зависит от воздействия на нее температуры и прошедшего времени. В ходе поставки, хранения и трафаретной печати внутри флюса в пасте может произойти преждевременная реакция. Это приводит 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 (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»

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»

Данный 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 становятся индикаторами преждевременной реакции. В результате из-за недостаточной способности флюса выполнять свои функции в процессе пайки оплавлением в воздушной атмосфере возникает дефект «голова на подушке». 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 же условиях испытаний по сравнению с пастой B.

Смачиваемость пастой меди и припоя

Предполагается, что более быстрое смачивание меди с помощью паяльной пасты благоприятствует ходу данного процесса. Причина в том, что при удалении поверхностных слоев окислов эффективность флюса выше, и это обеспечивает лучшее взаимодействие поверхности с пастой. Более быстрое смачивание обычно отражает ускоренное реагирование флюса. Вот почему паяльные пасты, обладающие коротким временем смачивания, демонстрируют хорошую смачивающую способность (рис. 22).

Результаты времени смачивания для нескольких паяльных паст, полученные с использованием прибора для испытания смачивания

Рис. 22. Результаты 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 такую способность, 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 появляется маленький припойный шарик, что характеризует плохую смачиваемость (большой угол смачивания). Фото образовавшихся после оплавления маленьких шариков припоя представлено на рис. 23.

Испытание на смачиваемость на шариковых выводах из припоя и фото образования шариков припоя

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

Можно установить взаимосвязь между формированием маленьких шариков припоя и уровнем образования дефектов «голова на подушке», выполнив пайку оплавлением BGA-компонентов с применением одной и той же паяльной пасты и при тех же параметрах процесса. Такой эксперимент и был проведен, его результат представлен на рис. 24. Данное испытание показало, что чем больше процент формирования маленьких шариков припоя, тем выше уровень образования дефектов «голова на подушке».

Повышенный процент формирования шариков припоя влечет увеличение уровня образования дефектов «голова на подушке»

Рис. 24. Повышенный процент формирования шариков припоя влечет увеличение уровня 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. Окисный слой станет барьером на паяльной пасте для формирования паяного соединения и таким образом увеличит вероятность образования дефектов «голова на подушке». Механизм воздействия стойкости к окислению, влияющий на образование дефектов «голова на подушке», представлен на рис. 25.

Механизм стойкости к окислению, влияющий на образование дефектов «голова на подушке»

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 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, при уменьшении размеров апертур две паяльные пасты (W и Z) продемонстрировали повышенный в сравнении с другими тремя пастами «эффект клубники», то есть обе пасты обладают пониженной стойкостью к окислению. В итоге пасты W и Z также показали повышенный процент образования дефектов «голова на подушке» (рис. 26б).

Процент не слипшейся паяльной пасты в зависимости от уменьшения размеров апертур трафарета

Рис. 26.
a) Процент не слипшейся паяльной пасты в зависимости от уменьшения размеров апертур трафарета;
б) процент не слипшейся паяльной пасты ведет к опасности образования дефектов «голова на подушке»

Из полученных результатов можно сделать вывод, что для формирования годного соединения паяльная паста должна иметь не только хорошую смачивающую способность, но и достаточную стойкость к окислению.

Окисление шариков припоя

Как показано на диаграмме Эллингема [2], олово в припоях SAC будет окисляться в воздушной атмосфере более интенсивно, чем остальные два присутствующих в сплаве важных элемента — Ag и Cu. Диаграмма Эллингема для Sn/SnO2 также демонстрирует, что Sn будет окисляться на воздухе при всех температурах, представляющих интерес с точки зрения пайки. Таким образом, окислы олова должны быть удалены химическим или физическим способом с поверхности шарика припоя прежде, чем 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), его окисление не будет уменьшено и может только увеличиваться при оплавлении шарика в печи. Когда в итоге шарик припоя войдет в контакт с флюсом из массы паяльной пасты, лишь тогда флюс будет в состоянии уменьшить окисление на поверхности шарика припоя.

Для уменьшения окисления поверхности оплавленного шарика припоя и обеспечения его слияния с оплавленной массой паяльной пасты с целью формирования годного паяного соединения требуется, чтобы в составе флюса присутствовало достаточное количество кислоты — это позволит снизить окисление металлического олова. Причем пары воды, шарик припоя и масса паяльной пасты должны находиться в расплавленном состоянии. Таким образом, чем толще окисный слой на шарике припоя, тем сложнее его уменьшить в процессе пайки оплавлением, в особенности при потере контакта между шариком и пастой.

Для подтверждения тезиса о том, что избыточное окисление шарика припоя имеет реальное отношение к образованию дефектов «голова на подушке», три различных BGA-компонента, обозначенных как A, P и E, были подвергнуты сушке в воздушной атмосфере в течение 24, 48 и 72 часов, а затем пайке оплавлением в идентичных условиях.

Результаты исследования показаны на рис. 27. Очевидно, что с увеличением времени сушки уровень образования дефектов «голова на подушке» растет. Однако это увеличение варьируется у различных типов компонентов, 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 «голова на подушке» после пайки оплавлением для трех различных BGA-компонентов

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

Для того чтобы проверить, действительно ли 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.

Контакт панели

Рис. 29. Контакт панели:
а) контакт PGA;
б) контакт LGA

У двух из трех измеренных корпусов (компонентов A и P) увеличение толщины окисного слоя вызвало рост уровня образования дефектов «голова на подушке» с формированием устоявшегося значения этого уровня при толщине слоя около 15 нм. Однако у компонента E увеличение толщины окислов не привело к видимому увеличению 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.

С учетом вышесказанного данные результаты позволяют констатировать, что более толстый слой окислов на поверхности шарика припоя способен повысить уровень образования дефектов «голова на подушке», но может и не быть определяющим фактором появления таких дефектов. Основная причина 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 в ходе операции прошивания, напоминающей действие швейной машины, с чем и связано данное наименование (рис. 29).

Связь шарика/контактной поверхности с зазором контактной панели

Необходимо, чтобы шарик припоя выходил за пределы зазора панели — таким образом гарантирован контакт шарика с пастой. Этот зазор именуется зазором шарика припоя. Поскольку шарик припоя присоединен к контактной поверхности на контакте, важно, чтобы высота прошивания была достаточной, как показано на рис. 30.

Зазор шарика припоя

Рис. 30. Зазор шарика припоя

Отклонения высоты контактных поверхностей

Для сохранения копланарности шариков припоя нужно, чтобы контактные поверхности прошивались на одинаковой высоте. Если высота соседних контактных поверхностей различается, это может привести к образованию вытянутых паяных соединений, а в некоторых случаях и паяных соединений «голова на подушке» (рис. 31).

Дефект «голова на подушке» 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 становится результатом повреждений при обращении. Так происходит, когда контактные панели помещаются в поддоны вручную. Причем контакты могут еще больше поджаться в тело панели, и только некоторые из шариков припоя будут контактировать с такими объектами, как край поддона, в итоге усилие концентрируется именно на этих шариках. Подобные случаи наблюдаются после инспекции копланарности, когда панель вручную помещают обратно в поддон. Среди прочих ручных операций обращения с панелями, которые следует тщательно контролировать, — возвращение неправильно захваченных панелей в поддон и перекладка из одного поддона в другой.

Динамическое коробление

Некоторые особенности корпуса оказывают влияние на его динамическое коробление при высоких температурах. Основная причина состоит в том, что при высоких температурах коэффициенты теплового расширения (КТР) подложки и кремния не соответствуют друг другу: величина расширения подложки выше по сравнению с тем же параметром кремния. 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 как традиционный и коммерчески доступный оптический способ определения смещения за пределы плоскости или коробления контура поверхности. Он широко применяется в отрасли корпусирования электроники для 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 (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 при определении опасности, связанной с короблением. Для типового Flip-Chip-корпуса форма BGA при комнатной температуре — выпуклая («с опущенными уголками рта»), а при высоких температурах она переходит в вогнутую («улыбающуюся»). Это указывает на 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. 34б можно видеть поперечное сечение дефекта «голова на подушке» в углу корпуса и два вытянутых соседних соединения.

Дефекты «голова на подушке» вследствие коробления BGA-корпуса

Рис. 34. Дефекты «голова на подушке» вследствие коробления BGA-корпуса:
а) дефекты «голова на подушке» в угловых соединениях и вытянутые соединения;
б) поперечное сечение дефекта «голова на подушке» в углу корпуса и два вытянутых соседних соединения

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

Корреляция между короблением при комнатной температуре и температуре пайки оплавлением

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

Одним из решений, позволяющих 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, вот почему важно убедиться, что относительное положение шариков припоя управляется максимально жестко, чтобы максимизировать прочность их паяных соединений. Плохо управляемое положение шарика припоя может привести к отклонению положения его контура, что вызовет снижение надежности в условиях эксплуатации и транспортировки и повысит вероятность образования дефектов «голова на подушке». Поскольку это важно для обеспечения качества паяных соединений, характеристика истинного положения шариков между собой является ключевой, ведь 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.

Типичное обозначение истинного положения шариков припоя на механическом чертеже 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, сокращающее общую высоту 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. 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».

Копланарность и процент выхода годных по JEDEC

Рис. 37. Копланарность и процент выхода годных по JEDEC

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

Маленький шарик после сборки по технологии 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». Весьма вероятно, что на возникновение подобных дефектов оказывают влияние другие механизмы.

Коробление и прогиб платы

Коробление плат в процессе 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». Кроме того, соседние паяные соединения выглядят вытянутыми. Прогиб платы вследствие действия силы тяжести обычно представляет собой вторичный эффект и сам по себе не может вызвать образования «головы на подушке».

Когда плата слишком тонкая и не поддерживается в процессе пайки, ее коробление 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 палете и без нее. Пик уровня образования дефектов «голова на подушке» обнаружился у платы толщиной 0,024 (0,61 мм) без палеты. Доминирующим стал дефект «голова на подушке» (рис. 39). Коробление платы измерялось в процессе пайки оплавлением с помощью теневого муарового анализа для каждой толщины платы.

Планирование эксперимента 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 дефекта «голова на подушке» у нескольких соседних паяных соединений, показано на рис. 41.

Образование дефектов «голова на подушке» вследствие коробления платы

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

Для того чтобы предотвратить появление дефектов «голова на подушке» из-за коробления платы, в процессе пайки оплавлением необходима ее поддержка. Данные демонстрируют, что палета может успешно устранить дефекты «голова на подушке» в пределах вплоть до 130 мкм коробления платы. Предел коробления платы для дефектов «голова на подушке» без палеты был установлен на уровне 110 мкм. Эти значения будут немного 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 разной чувствительностью к образованию дефектов «голова на подушке» при использовании одного и того же корпуса. Чувствительность определяется передачей тепла, наложением слоев платы и внутренними слоями меди под площадкой. Все это влияет на разность температур между площадками, а также 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. 42б) демонстрирует несколько оплавленных площадок со слиянием пасты, в то время как остальные площадки не оплавлены. На третьем кадре (рис. 42в) 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 с.

Задержка оплавления пасты

Рис. 42. Задержка оплавления пасты:
а) нагрев посадочного места;
б) несколько оплавленных площадок со слиянием пасты;
в) оплавление и слияние пасты произошло на всех площадках, кроме одной

Другой пример плотности меди показан на рис. 43. Здесь наблюдается 15%-ное 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. 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.

 

Под большинством BGA-компонентов имеются промежуточные переходные отверстия, закрытие которых 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 наблюдается изменение температуры на 2…3 °C, что уменьшает ΔT.

Площадки, ограниченные паяльной маской (SMD) и металлом (MD), чувствительны к образованию дефектов «голова на подушке». Обычно ограниченные маской площадки заканчиваются бóльшим диаметром площадки, что вызывает образование меньшего по размеру пика припоя после пайки оплавлением (рис. 44, 45).

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 подобных 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. 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 имеют зазор, необходимый 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 худшем случае шарик и паста могут не войти в соприкосновение после осадки, и паяное соединение не образуется.

Обычно этот механизм приводит к появлению дефектов «голова на подушке» и вытянутых соединений в области с сильным короблением, что очень напоминает механизм коробления. Если вы обнаружили подобные признаки и у вашего корпуса есть зазор, то основной причиной образования дефектов «голова на подушке» является именно зазор. При его уменьшении или устранении дефект пропадет. На рис. 47 показан BGA-компонент с двумя вытянутыми соединениями и двумя дефектами «голова на подушке», вызванными наличием зазора корпуса.

Дефект «голова на подушке» и вытянутые соединения

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

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, или 0,762 мм (рис. 48). Диапазон был достаточен для проявления и устранения дефектов «голова на подушке».

Зависимость процента дефектов «голова на подушке» от размера шариков

Рис. 48. Зависимость процента дефектов «голова на подушке» от размера шариков

 

Заключение

Проблему дефекта «голова на подушке» решить не очень легко, поскольку к его появлению может привести множество различных причин. В данной работе описаны все известные механизмы, создающие дефект «голова на подушке» или оказывающие воздействие на его появление. Понимание этих механизмов полезно для решения существующей проблемы дефекта «голова на подушке», а также для того, чтобы полностью избежать ее. Во многих случаях проблема дефекта «голова на подушке» очень сложна и включает несколько одновременно действующих механизмов. Наилучший подход к ее решению заключается в установлении основных механизмов, которые необходимо рассмотреть для устранения проблемы, поиска способов повышения надежности процесса сборки, а также для того, чтобы сделать процесс нечувствительным к найденным механизмам проявления дефекта. Использование защитной азотной атмосферы в печи пайки оплавлением — эффективный способ облегчения большинства 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 выполнения таких операций, проведение технологического контроля процесса пайки с помощью оптической и рентгеновской аппаратуры, а в случае ремонтных работ — применение высококачественного оборудования для монтажа и демонтажа микросхем.

 В исследование особенностей дефектов «голова на подушке» внесли вклад многие специалисты компании Intel. Авторы выражают особую благодарность Сатиажиту Валвадкару (Satyajit Walwadkar) и Срини Аравамудхану (Srini Aravamudhan).

Литература
  1. Xiong Z. P., Sze H. P., Chua K. H. Bump Non-wet issue in large-die flip chip package with eutectic Sn/Pb solder bump and SOP substrate pad. Proceedings of the Electronic Packaging Technology Conference, 2004.
  2. Darken L. S., Gurry R. W. Physical Chemistry of Metals. Mc-Graw Hill. NY, 1953.
  3. Chin W. W., Chong C. C., Ng L. H., Tay C. S. Air Reflow of Lead Free Soldering for Fine Pitch BGA. Proceedings of SMTAi Conference, 2006.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *