Встроенные компоненты: сравнительный анализ надежности

Тот факт, что компоненты встраиваются внутрь основания, приводит к отличиям в характеристиках в результате испытаний на стойкость к удару при падении и на воздействие термоциклирования. В результате можно ожидать, что:

1. характеристики соединений, получаемых гальванической металлизацией внутри многослойной структуры, и применяемых в настоящее время внешних паяных соединений будут качественно отличаться на фундаментальном уровне;
2. стойкость к температуре встроенных в основание компонентов при воздействии испытаний на термоциклирование будет иной, чем у паяных компонентов.

Задача проведенной работы — проанализировать и подтвердить характеристики надежности встроенных компонентов (в терминах критериев указанных выше испытаний) в сравнении с обычными компонентами поверхностного монтажа на основе тестирования образцов со встроенными и поверхностно монтируемыми компонентами. При этом анализе применяются технологии и подходы к изготовлению изделий выполняющегося в настоящее время проекта «Гермес» (Hermes), финансируемого Евросоюзом.

Введение

Решение о необходимости проведения такого сравнительного анализа было совершенно естественным. С учетом появления новых технологий встраиваемых компонентов возник вопрос: какие преимущества и недостатки вскроются при сравнении с традиционным методом поверхностного монтажа?

Безусловно, исследование всех показателей (электрических, механических, тепловых) и всех возможных взаимодействий различных материалов и компонентов заслуживает более глубоких исследований, таких как выполняющийся в настоящее время проект «Гермес» (финансируемый ЕС и предусматривающий участие нескольких компаний). Но в данном случае была поставлена цель найти более практически осуществимый подход к достаточно ощутимой проблеме: надежность соединений при воздействии механического напряжения.

Испытания на воздействие одиночного удара и термоциклирование были выбраны как два показательных (хоть и не исчерпывающих) метода испытания надежности. Конструкция испытательного образца выбрана насколько возможно «типовой» (более подробное описание приводится далее), а компоненты — исходя из их наиболее типичного применения в сфере поверхностного монтажа. Кроме того, одна и та же испытательная плата включала и компоненты поверхностного монтажа, и встроенные компоненты, чтобы обеспечить при испытаниях воздействие на оба типа компонентов одинаковых составляющих механического напряжения.

Гипотеза эксперимента включала два момента:

• Испытания падением. В силу расположения встроенных компонентов, то есть нахождения их между слоями препрега в основании печатной платы и, как следствие, ближе к центру ее структуры, и пластичности смолы вокруг компонента ожидалось, что результаты испытаний падением будут лучше, чем для обычных компонентов поверхностного монтажа, воздействие на которые из-за местонахождения на внешнем слое обладает большей энергией.
• Испытания термоциклированием. Ожидалось, что результаты испытаний термоциклированием для встроенных компонентов будут по меньшей мере такими же, если не лучше, чем для обычных компонентов поверхностного монтажа.

Результаты, как это будет показано далее, по сути, подтвердили исходную гипотезу и поэтому могут служить основой для общего представления о технологии встроенных компонентов и определенных ее применениях. Кроме того, результаты могут рассматриваться как отправная точка для дополнительных, более глубоких исследований (сравнительных или изолированных).

Структурно статья включает три основные части: подготовка испытаний, испытания на надежность и оценка результатов.

Испытательный образец

Поскольку стандартного образца для испытания на надежность встроенных компонентов в настоящее время не существует, была предпринята попытка создать образец, основанный на конструкции образца для испытаний падением стандарта JEDEC (рис. 1), приближенный к оригиналу насколько это возможно.

Рис. 1. Стандарт JEDEC 22 B111, п. 5.2.1 «Предпочтительные структура, материал и конструкция платы»

Испытательная плата со встроенными компонентами (далее обозначенная как REL2000ec) имела те же габаритные размеры (132×77×1 мм), что и стандартный образец JEDEC. Однако у нее были некоторые отличия, учитывающие особенности проведенных испытаний. Среди этих отличий: замена стандартного испытательного посадочного места компонента BGA на рисунки с несколькими посадочными местами с двумя контактными площадками для монтажа вместо компонента BGA групп резисторов 0402. Эти рисунки выполнены так, чтобы получалось последовательное соединение компонентов для тестирования, что позволяло лучше отслеживать события в процессе и после испытаний (рис. 2). Данный рисунок был фактически продублирован на внутреннем слое для встроенных компонентов, но с одним отличием: группы с последовательным соединением 9 и 11 на внешнем слое были расположены не над группами 4 и 6 внутреннего слоя, что сделано для оценки возможного влияния на результаты расположения компонентов друг над другом (рис. 3). По 16 контрольных сквозных металлизированных отверстий с каждой стороны платы были сохранены в конструкции образца, но не все из них были задействованы, как и показано на рис. 3.

Рис. 2. Тестовый рисунок с последовательным соединением на плате REL2000ec

Рис. 3. Проводящий рисунок внешнего слоя платы REL2000ec

Структура печатной платы имела 8 слоев (рис. 4). Неиспользуемые медные области на всех внутренних слоях были выполнены в виде штриховки, то есть они не представляли собой поверхности со сплошной медью. Это обычная практика для конструкции печатных плат, направленная на достижение тепловой и, как следствие, термомеханической стабильности (предотвращение коробления). Материал соответствовал обычному материалу, применяемому в платах высокой плотности соединений (HDI), и ни в коей мере не обладал специальными свойствами для встроенных компонентов.

Рис. 4. Структура слоев платы REL2000ec

Компоненты

В целом было решено использовать в данном образце пассивные компоненты (в данном случае резисторы) из-за простоты тестирования и отсутствия излишних отклонений характеристик, вызванных производственным процессом. Иными словами, активные компоненты имеют дополнительные особенности в отношении тестирования и своих рабочих характеристик, что требует исследований в более специализированной области, большего количества видов тестов и более широкого круга участников. Такие исследования, безусловно, проводятся, например в рамках упоминавшегося проекта «Гермес», но цель данного эксперимента заключалась в том, чтобы получить практическую картину, используя как можно больше обычных решений (испытаний, материалов, конструкций и т. п.).

Для монтажа на внешний слой были выбраны обычные резисторы для поверхностного монтажа 0402 номиналом 10 Ом исходя из их распространенности как в производстве методом поверхностного монтажа, так и в применяемой на тот момент технологии встроенных компонентов на предприятии, где изготовлен испытательный образец. Этот выбор должен был отражать имеющуюся практику, но, безусловно, не являлся единственно возможным.

Размеры встроенных компонентов по осям x и y соответствовали размерам компонентов 0402 (рис. 5), а их электрические характеристики были такими же, как у компонентов поверхностного монтажа. Размер встроенных компонентов по оси z различался: они были тоньше обычных компонентов поверхностного монтажа 0402 (рис. 6). И компоненты поверхностного монтажа, и встроенные компоненты были одного производителя.

Рис. 5. Встроенные компоненты и компоненты поверхностного монтажа имели одинаковые размеры по осям x и y:
а) встроенный компонент 0402;
б) компонент поверхностного монтажа 0402

Рис. 6. Размеры встроенных компонентов и компонентов поверхностного монтажа по оси z различались

Из-за особенностей разных методов получения соединений контактные поверхности компонентов также различались. Поверхностно монтируемые компоненты имели металлическое покрытие для сборочного процесса методом поверхностного монтажа (контактные поверхности покрывались оловом), тогда как контактные поверхности встроенных компонентов были медными. Почему и как применяются медные контактные поверхности, объясняется в разделе «Изготовление».

Изготовление

Испытательный образец, применявшийся в эксперименте, был изготовлен в Австрии. Плата со встроенными компонентами сделана на производстве компании AT&S, а сборка по технологии поверхностного монтажа выполнена компанией Flextronics.

Встроенные 10‑Ом резисторы были установлены в слой основания многослойной структуры и фактически заключены в препрег.

Затем была выполнена обработка медных слоев основания с применением сухого пленочного фоторезиста и процессов проявления, травления и удаления резиста. В результате был получен окончательный проводящий рисунок слоя основания.

Соединение со слоем меди и, как следствие, между тестовой схемой и контрольными сквозными металлизированными отверстиями было получено путем лазерного формирования микропереходных отверстий между медной фольгой слоя основания и медными контактными поверхностями встроенных компонентов с последующим меднением самих отверстий (рис. 7). Диаметр переходных отверстий составлял 80 мкм.

Рис. 7. Базовый метод сборки слоя основания со встроенными компонентами

Далее это многослойное «основание» со встроенными компонентами прошло три цикла обычного сборочного прессования, в результате чего была получена готовая 8‑слойная структура.

Испытания на надежность

Одной из наиболее очевидных характеристик встроенных компонентов (в приложении к описанному здесь методу изготовления) является то, что они заключены внутри печатной платы и, следовательно, их окружают смола и стекловолокно препрега. Любое напряжение от внешнего воздействия теоретически будет распределяться по всей структуре и в меньшей степени приходиться на сам компонент в отличие от системы «компонент поверхностного монтажа — паяное соединение», которая, находясь на внешнем слое, подвергается непосредственному воздействию источника механического напряжения. Также центр структуры, где расположены встроенные компоненты, ближе к нейтральному положению при механических напряжениях, изгибающих плоскость платы. Кроме того, при данном методе изготовления (см. раздел «Изготовление») соединение теоретически будет иметь не настолько слоистую металлургическую структуру, как система «компонент — припойный сплав — медная площадка», которая имеется при поверхностном монтаже.

Для проверки данной гипотезы в качестве возможных методов тестирования на надежность были выбраны испытания падением и термоциклированием, поскольку они широко применяются среди производителей печатных плат и OEM-компаний. В данном разделе рассмотрены оба испытания и приведены их результаты. Оценка результатов представлена далее, в соответствующем разделе статьи.

Испытания падением

За основу условий испытаний падением был взят стандарт JEDEC JESD22‑B111 (табл. 1). К контрольным отверстиям испытательного образца REL2000ec были припаяны провода, как показано на рис. 8. События, возникающие при испытаниях, наблюдались в реальном времени в отличие от апостериорного тестирования и контроля.

Рис. 8. Установка тестирования падением и подключение контрольных контактов

Испытательный образец не подготавливался каким-либо специальным способом, кроме подпайки жгута проводов для записи событий к контрольным контактам. Испытаниям было подвергнуто 18 плат в соответствии с приведенными выше условиями (табл. 1). Падение плат выполнялось до тех пор, пока не регистрировалось значение сопротивления более 1000 Ом («событие»). Затем выполнялось еще около пяти дополнительных падений для проверки наличия изменения сопротивления до величины свыше 1000 Ом. Как только этот факт подтверждался, с помощью контрольных контактов и контрольных площадок определялось местонахождение конкретного компонента (поверхностно монтируемого или встроенного). После идентификации компонента выполнялся анализ микрошлифа для определения вида дефекта.

Результаты испытаний падением

Испытания падением привели к следующим результатам (табл. 2). На 17 из 18 испытательных образцов до достижения 1000 падений проявились дефекты, относящиеся к поверхностно монтируемым компонентам. Один образец выдержал 1000 падений без отказов компонентов поверхностного монтажа. У одного из 18 образцов был зарегистрирован отказ, связанный со встроенными компонентами.

Самый ранний отказ из-за падения среди компонентов поверхностного монтажа был зарегистрирован на 304‑м падении. Самый поздний зарегистрированный отказ из-за падения среди компонентов поверхностного монтажа произошел на 974‑м падении.

Самый ранний и единственный отказ среди встроенных компонентов был зарегистрирован на 832‑м падении. Результаты испытаний падением сведены в таблицу 2. На рис. 9 показаны позиции групп с последовательным соединением, а цветом указаны частоты отказов для каждой такой группы: красный соответствует наивысшей частоте, оранжевый — второй по величине частоте. Каждая группа была выполнена либо так, что компоненты поверхностного монтажа находились непосредственно над встроенными компонентами, либо так, что в данной позиции находились только поверхностно монтируемые или встроенные компоненты.

Рис. 9. Позиции компонентов: сплошные окружности указывают на группы с последовательным соединением компонентов поверхностного монтажа, штриховые окружности — на группы с последовательным соединением встроенных компонентов внутри платы

Виды отказов при испытаниях падением

Как уже говорилось, конструкция поверхностного монтажа проявила сравнительно низкую надежность при испытаниях падением относительно встроенных компонентов. Отказы компонентов поверхностного монтажа относились в основном к двум видам: разрыв печатного проводника и трещина в компоненте. Разрыв печатного проводника проявлялся наиболее часто и всякий раз возникал в проводнике между двумя компонентами поверхностного монтажа (рис. 10).

Рис. 10. Примеры отказа вида «разрыв печатного проводника» между компонентами поверхностного монтажа при испытаниях падением

Вторым видом отказов, относящихся к компонентам поверхностного монтажа, были трещины в компоненте. Этот отказ возник в двух компонентах и привел к полному (сквозному) разлому компонента (рис. 11).

Рис. 11. Вид отказа «трещина в компоненте»

Как отмечалось ранее, один возникший отказ был связан со встроенными компонентами. Данное событие зарегистрировано в группе с последовательным соединением 8 (внутренний слой со встроенными компонентами) на 832‑м падении. После этого, с целью подтверждения события, было выполнено пять дополнительных падений. Для определения вида отказа было сделано множество микрошлифов всех компонентов данной группы, но ни в одном компоненте и ни в одном микропереходном отверстии не найдено ни одного явного признака дефекта, такого как, например, трещина (рис. 12).

Рис. 12. Примеры микрошлифов, сделанных для зарегистрированного отказа внутреннего компонента на 832 м падении: ни одного признака дефекта компонента или межсоединения

Были также предприняты попытки отыскать причины отказа в сквозных металлизированных отверстиях и проводниках внутренних слоев, но ни одной очевидной причины найдено не было.

Испытания термоциклированием

За основу условий испытаний термоциклированием был взят стандарт JESD 22-A 104C (табл. 3). К контрольным отверстиям испытательного образца REL2000ec были припаяны провода. События, возникающие при испытаниях, наблюдались в реальном времени в отличие от апостериорного тестирования и контроля.

*Скорость нагрева и охлаждения необходимо задать таким образом, чтобы выполнялось 2 цикла/ч

Были проведены испытания пяти образцов REL2000ec, каждый из которых содержал семь групп с последовательным соединением компонентов поверхностного монтажа и семь групп с последовательным соединением встроенных компонентов (всего 14 групп на каждой плате). Общее количество подвергнутых испытаниям групп составило 70: 35 с компонентами поверхностного монтажа и 35 со встроенными компонентами. В каждой группе было по восемь компонентов.

Платы подвергались непрерывному изменению температуры в диапазоне –40…+125 °C и обратно, в однокамерной испытательной установке. Целевым количеством циклов считалось 1000.

Событие, считавшееся отказом, регистрировалось при изменении сопротивления до >1000 Ом. Все группы (как поверхностно монтируемых, так и встроенных компонентов) на испытательных образцах выдержали 1000 циклов без возникновения отказов. Микрошлифы и другой последующий анализ не выполнялись из-за отсутствия отказов.

Оценка результатов

В данном эксперименте было приложено множество усилий для обеспечения повышенной объективности и сопоставимости результатов за счет того, что в основе конструкции платы, методов испытаний и выбранных компонентов лежали действующие стандарты. Применительно к цели эксперимента — выявить различия общего характера в надежности между традиционными компонентами поверхностного монтажа и встроенными компонентами (смонтированными в том виде, который описан в данной статье) — конструкция испытательного образца и методика испытаний доказали свою эффективность. Безусловно, на следующих этапах должна и будет приниматься во внимание необходимость улучшения конструкции платы и планирования испытаний.

Результаты испытаний падением оказались вполне ожидаемыми, учитывая механизм самих испытаний и нахождение встроенных компонентов внутри платы. При испытаниях падением на уровне платы на жесткую поверхность удар не действует (как и в случае испытаний падением некоторых изделий на уровне устройства). Говоря точнее, плата закреплена по четырем углам и ускоряется до точки останова. С учетом этого становится ясно, почему группа № 4 (обозначена на рис. 9 красной окружностью) проявила наихудшие характеристики. Когда плата в испытательной установке достигает нижней точки падения, четыре точки закрепления в углах остаются неподвижными, а центр платы растягивается, прогибаясь вниз. Место расположения группы № 4 при таком растяжении находится в области максимального искривления. Другими словами, во время падения ближайшая к краю точка (в которой располагается группа № 4) является самой удаленной от нейтральной линии, а с другой стороны, встроенные компоненты находятся ближе к этой линии (рис. 13). Для поверхностно монтируемых компонентов, при условии качественных паяных соединений и адгезии меди, результатом становится разрыв печатного проводника между паяными соединениями.

Рис. 13. Модель распределения напряжений в нижней точке при испытаниях падением. Внутренние компоненты будут находиться в области, показанной зеленым цветом

К расколу компонентов, описанному в разделе статьи, посвященном результатам испытаний падением, вероятно, также приводят подобные напряжения. Испытания падением с воздействием удара непосредственно на поверхность, конечно же, могут дать иные результаты в отношении раскола компонентов, тем не менее очевидно, что удаление компонента от нейтральной линии сказывается неблагоприятным образом, когда плоскость жесткой платы искривляется.

Корневая причина единственного отказа одного из встроенных компонентов за 832 падения все еще требует выяснения. В рамках проводившегося анализа не было найдено каких-либо очевидных признаков повреждения ни компонентов, ни межсоединений. Если бы интенсивность отказов была выше, возможно, удалось бы выявить определенные общие моменты. Однако из единственного отказа как такового очень трудно вывести какое-либо фундаментальное положение или вероятностную модель (такую как, например, модель Вейбулла).

Таким образом, в данном эксперименте встроенные компоненты проявили очевидное превосходство по надежности в условиях испытаний падением на уровне платы. Данное заключение можно обобщить следующим образом: применение таких компонентов может обладать определенными преимуществами относительно компонентов поверхностного монтажа, если воздействие на печатные узлы или устройства подобно условиям, смоделированным в испытании падением.

Говоря о результатах испытаний термоциклированием, сложно сформулировать окончательное утверждение помимо упоминания того факта, что и для компонентов поверхностного монтажа, и для встроенных компонентов были получены сравнимые результаты, и оба варианта можно, таким образом, считать подходящими для условий, которые предполагалось смоделировать с помощью данного метода испытаний термоциклированием. Это утверждение можно развить, заключив, что оба вида компонентов сочетаемы между собой в рамках одной структуры печатной платы, то есть встроенные компоненты не становятся причиной, препятствующей успешному прохождению испытаний компонентами поверхностного монтажа, и наоборот.

Поскольку испытания термоциклированием в основном используются для проверки надежности при изменении температуры (в автомобильной, аэрокосмической, промышленной и других сферах применения), критерием успешного прохождения подобного теста очевидно является соответствие КТР материала и компонента. Чем больше размеры компонента и чем выше число соединений между компонентом и платой, тем большее влияние оказывает КТР отдельных составных частей. Так как компоненты 0402 относительно малы (в сравнении с компонентами BGA на испытательных платах по стандарту JEDEC) и имеют только два контакта, можно ожидать возникновения в целом меньшего числа отказов, связанных с компонентами.

Подводя итог, отметим, что встроенные компоненты показали заметные преимущества в надежности в рамках описанных методов производства и испытаний. Эти преимущества, по крайней мере в отношении данных компонентов и их соединений, в основном заключаются в меньшем удалении от нейтральной линии жесткой печатной платы. В отношении тепловой надежности в этих испытаниях не было отмечено каких-либо недостатков встроенных компонентов.