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

Cуществует ряд причин появления таких дефектов. Их можно разделить на составляющие, связанные с техпроцессом, материалами и конструкцией. В данной статье проводится исследование обстоятельств, обусловливающих появление дефектов «голова на подушке» после сборки по технологии поверхностного монтажа, и механизмов их образования.

Описаны важнейшие факторы, влияющие на появление дефектов этого типа. Будут рассмотрены возможности определения основной причины подобного изъяна и предложены решения, препятствующие его появлению и позволяющие в результате получить надежный техпроцесс поверхностного монтажа.

Введение

Электронная отрасль двигается в сторону производства, дружественного к окружающей среде, более миниатюрным и тонким корпусам и увеличению плотности монтажа на плате. Однако все эти тенденции вызывают рост проблем при сборке плат. В результате наблюдается увеличение числа дефектов отсутствия смачивания, именуемых «голова на подушке», а также известных и под многими другими названиями — «голова в подушке», «шарик в чашке», «шарик в углублении», «скрытая подушка». Все они относятся к одному и тому же явлению — паяному соединению, состоящему из двух металлургически различных 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».

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. Поскольку наиболее вероятно, что этот дефект проявится полным или перемежающимся отказом после некоторого времени работы изделия у заказчика, важно понять механизм образования дефекта и предотвратить его появление.

Цель данной статьи — выявить факторы, вызывающие дефект «голова на подушке», объяснить их появление и дать наилучшие из известных решений по их предотвращению. В статье причины появления дефекта разбиты на три части: 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, ведь на их возникновение влияет ряд разнообразных факторов. Авторы предприняли попытку выявить важнейшие причины, вызывающие появление дефектов вида «голова на подушке», чтобы помочь инженерам и техникам провести анализ основной причины его возникновения.

Образование дефекта «голова на подушке»

На рис. 2 дано изображение того, как образуется дефект «голова на подушке». 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. 2б).

Рис. 2. Изображение механизма формирования дефекта типа «голова на подушке»:
а) шарик BGA-компонента помещен на паяльную пасту;
б) наличие или отсутствие контакта между шариком припоя и паяльной пастой;
в) оплавление шарика припоя;
г) недостаточная активность флюса или загрязнение, приводящие к отсутствию слияния шарика и пасты;
д) возникновение дефектного паяного соединения «голова на подушке»

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, обычно покрытая небольшим количеством флюса либо не покрытая им совсем, начинает окисляться при условии воздушной атмосферы в печи (рис. 2в). 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, недостаточной для удаления оксидного покрытия с поверхности шарика, или при наличии какого-либо загрязнения на шарике или в массе оплавленной паяльной пасты, шарик и паста вместе не сольются (рис. 2г). В результате получится дефектное паяное соединение «голова на подушке», когда компонент охладится до комнатной температуры и шарик припоя и паяльная паста отвердеют (рис. 2д).

Согласно данному механизму основной причиной возникновения дефекта «голова на подушке» становится присутствие зазора между оплавленными шариком припоя и отпечатком паяльной пасты на печатной плате (рис. 3). Если 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 либо паяльной пасты. В этих случаях оплавленный припой шарика и отпечатка паяльной пасты не могут войти в контакт друг с другом.

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

Недостаточная температура оплавления также вызовет тот же самый характерный признак дефекта «голова на подушке», поскольку либо шарик припоя, либо паяльная паста, либо оба вместе не достигают температуры ликвидуса, чтобы полностью оплавиться до слияния и сформировать надежное с металлургической точки зрения паяное соединение.

Состояния дефекта, связанные с техпроцессом

Объем паяльной пасты

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.

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 процессе оплавления, как показано на рис. 4.

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

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 (рис. 5).

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, и предполагается, что количество флюса непосредственно коррелирует с этим объемом.

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 малых 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.

Рис. 6. Исследование объема припоя 1

Наклонный график объема паяльной пасты для дефектов типа «голова на подушке»/перемычка и безопасное окно процесса с точки зрения объема пасты показан на рис. 7. 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.

Рис. 7. Исследование объема припоя 2

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 (рис. 3).

Объем пасты представляет собой исключительно модулятор дефекта «голова на подушке». Это не определяющий, а вторичный фактор. Когда есть 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 (рис. 8a), что ямка в шарике была смещена от центра, и (рис. 8б) даже хорошие паяные соединения выглядят смещенными.

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

Для того чтобы определить, является ли смещение компонентов при установке основной причиной возникновения паяных соединений с дефектами типа «голова на подушке», с помощью пайки оплавлением было собрано шесть образцов тестовых плат с контактными панелями для BGA-компонентов, некоторые из этих панелей намеренно смещены на контролируемый размер относительно контактных площадок на печатной плате. Осуществлялась пайка пяти панелей на одну плату, причем одна из них устанавливалась точно (контрольный образец), две устанавливались с положительным смещением относительно направления пайки оплавлением на 125 и 250 мкм соответственно, а остальные — 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 видно на рис. 9, фото поперечных сечений демонстрируют, что хорошие паяные соединения сформированы несмотря на намеренное смещение панелей. Таким образом, смещение компонентов при установке может не быть основной причиной появления дефектов типа «голова на подушке».

Рис. 9. Смещения различных панелей. Полученные с помощью оптического микроскопа фотографии поперечных сечений смещенных контактных панелей BGA на тестовом образце платы

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 сформироваться зазор, что приведет к образованию дефекта «голова на подушке» (рис. 10a). Однако если коробление минимально, то даже смещение компонента не обязательно создаст зазор, как это показано на рис. 10б.

Рис. 10. Сценарий, при котором значительное коробление компонента и платы может привести к смещению компонента при установке, вызвав дефект «голова на подушке»:
а) случай значительного коробления;
б) случай небольшого либо отсутствующего коробления

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 смещением компонента при установке, а несоответствием ТКЛР компонента и платы. Это обычно происходит у соединений первого уровня между кремниевым кристаллом и органическим основанием [1]. 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: неполное оплавление возникает, если шарик припоя или паяльная паста не оплавлены 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 стать и 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 лишь на +7 °C превосходила температуру эвтектики. Проявление данного механизма образования дефекта в последнее время участилось при бессвинцовой сборке вследствие того, что в целях улучшения характеристик надежности своих изделий производители компонентов начали применять сплавы, альтернативные материалу SAC305. Примером альтернативного сплава служит SAC105 — сплав с меньшим содержанием серебра. Другой пример — сплав для шариковых выводов с добавлением такого элемента, как никель, магний и т. д. Смена сплава влияет на точку плавления и очень часто требует настройки термопрофиля. Во многих случаях компании-сборщики, использующие компоненты, не осведомлены об этих изменениях, и тогда вследствие неполного оплавления могут появиться дефекты типа «голова на подушке».

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

Рис. 11. Дефекты типа «голова на подушке» вследствие неполного оплавления:
а) механизм дефекта проявляется в виде неосевшего шарика BGA-компонента;
б) припой может выглядеть либо зернистым, либо не слившимся в единое целое

Параметры профиля оплавления

Параметры профиля оплавления оказывают сильное влияние на чувствительность к образованию дефектов типа «голова на подушке». Идеальный вариант — 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

Паста оплавится в первом углу компонента, наклонит его, что приведет к воздействию высоких температур на другую сторону. На открытых шариках увеличится окисление, поскольку у них не будет защиты со стороны флюса из состава пасты, который, в свою очередь, снизит свою активность. Корпус вернется 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.

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 (рис. 13). Эти куски FR4 являются экранами для передачи тепла к BGA-компоненту снизу. При температуре +217 °C было достигнуто значение ΔT = +8 °C. Результаты планирования эксперимента показали рост образования дефектов «голова на подушке» на 35% по сравнению с 0% без наличия кусков FR4 и ΔT = +2 °C.

Рис. 13. Плата для контроля ΔT

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. Поскольку никакой 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 «временная задержка ликвидуса». Так как это время возрастает, происходит тот же эффект, что мы уже наблюдали в сценарии 1. В его рамках увеличивается время, в течение которого происходит окисление открытых шариков, поскольку отсутствует защищающий их флюс, и к тому времени, как происходит полная осадка корпуса, флюс уже потерял бóльшую 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, тоже 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 °C при пиковой температуре и +22 при +220 °C. Истинное время пребывания выше температуры ликвидуса определяется как время, прошедшее с момента осадки корпуса до отверждения первого шарика. Из рис. 14 видно, что оно составляет 40,5 с, хотя это же время из программы равно 72 с.

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 разными термопрофилями в воздушной атмосфере пайки оплавлением. В зоне дефектов «голова на подушке» промаркировано каждое состояние, содержащее этот дефект.

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

Необходимо учесть, что кривая на рис. 15 иллюстрирует конкретный тип испытываемой пасты, имеющей точку пересечения на оси истинного времени пребывания выше температуры ликвидуса на 25 с. Этот период — 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. Когда мы имеем 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» (рис. 16, табл. 1).

Рис. 16. Проверка окна процесса

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 (табл. 2). В эксперименте использовались три различных термопрофиля с разным временем 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.

Рис. 17. Сравнение времен выдержки термопрофилей

Загрязнения

Этот механизм образования дефектов заключается в отсутствии смачивания шарика пастой вследствие присутствия постороннего материала на шарике или в пасте. Данный дефект представляет собой отклонение от нормального режима в присутствии постороннего вещества, такого как NaCl, Si и т. д. 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 выявил 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 (рис. 18). В результате была применена другая процедура маркировки восстановленных модулей без использования клейкой ленты.

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 (рис. 19).

Рис. 19. Темные пятна на шариках

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

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 влияют на 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.

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