Надежность паяных соединений: влияние оплавления в вакуумной среде на образование пустот и отказы из­-за термической усталости.
Часть 2. Результаты исследования

Начало статьи.

Тестовые образцы представляют собой печатную плату с установленным на ней корпусом, который имеет выводы, расположенные в виде сетки на нижней стороне. Сначала образцы подвергались обычной пайке оплавлением с использованием паяльной пасты, которая создает значительное количество пустот в паяных соединениях. Далее половина тестовых образцов повторно оплавляется в вакуумной среде. Затем проводится проверка паяных узлов с помощью просвечивающей рентгеновской микроскопии. Далее образцы из обеих партий подвергаются термическому испытанию с ускоренным циклированием температур.

В статье обсуждаются результаты данного испытания с точки зрения влияния пустот в пайке на надежность пайки при термической усталости. Кроме того, даются рекомендации по использованию других методов уменьшения образования пустот и проверке надежности паяных соединений.

Результаты. Характеристики пустот в паяном соединении

Рентгеновский контроль паяных соединений со стандартным монтажом SMT (на рис. 7 обозначен как STD SMT) показывает образование пустот в паяных соединениях обоих компонентов. Изображения, полученные аппаратом рентгеновского контроля, показаны на рис. 7a (корпус 192CABGA) и рис. 8a (корпус 84CTBGA). Необходимо отметить, что самые большие пустоты приводят к заметному увеличению диаметра затвердевших шариков припоя.

Рис. 7. Рентгеновское изображение образовавшихся пустот паяного узла с компонентом 192CABGA:
а) после монтажа SMT;
б) после пайки оплавлением в вакууме

Далее половина тестовых образцов была оплавлена в вакууме для того, чтобы проверить, как это повлияет на поведение образовавшихся пустот. Рентгеновские изображения полученных паяных соединений на рис. 7б (компонент 192CABGA), который обозначен STD SMT, и рис. 8б (компонент 84CTBGA), который обозначен STD SMT + VAC SMT, показали, что после пайки оплавлением в вакууме количество пустот значительно уменьшилось.

Рис. 8. Рентгеновское изображение полученных пустот в паяных соединениях с компонентом 84CTBGA:
a) после монтажа SMT;
б) после пайки оплавлением в вакууме

Поперечное сечение образца показано на рис. 9. Количество и размер пустот в поперечном сечении превышает рекомендации стандарта IPC-JSTD‑001, где определен максимальный порог 30% от площади паяного соединения [23]. Это наблюдение качественно подтверждается заметным увеличением диаметра затвердевших шариков припоя, показанных на рентгеновских снимках на рис. 7.

Рис. 9. Фотографии, показывающие различные пустоты и их расположение в паяных узлах с компонентами
а) 192CABGA
б) 84CTBGA.
Пустоты в некоторых паяных соединениях могут быть расположены вблизи поверхности пайки, где возникают и распространяются усталостные трещины (схематично показано на рис. 2б), что увеличивает риск преждевременного выхода из строя при термоциклическом испытании

В отличие от плоских рентгеновских изображений (рис. 8 и 9), поперечные сечения могут показать положение пустот относительно поверхностей, где могут возникнуть усталостные трещины (рис. 2). Но поперечные сечения не могут указать на размер пустот, более того, некоторые пустоты, расположение которых смещено относительно центра, даже могут быть не видны в поперечном сечении. Тем не менее на полученных поперечных сечениях (рис. 9) можно видеть, что существует риск образования пустот на границе пайки, что в свою очередь увеличивает риск преждевременного отказа узла при термоциклическом испытании. Для анализа разрушений паяных соединений лучше всего использовать изображения поперечного сечения в дополнение к рентгеновским изображениям, но очевидно, что разрушающее поперечное сечение нельзя использовать для характеристики образцов прежде, чем они будут подвергнуты тесту с термоциклическим нагружением.

Термоциклическое испытание

На рис. 10 и 11 показано распределение Вейбулла для термических циклов 0…+100 °C и –55…+125 °C соответственно. В таблице 7 даны основные статистические выкладки для обоих испытаний.

Рис. 10. Распределение Вейбулла для образцов с компонентами
а) 192CABGA;
б) 84CTBGA,
подвергнутых термоциклическому испытанию с изменением температуры в пределах 0…+100 °C. Распределение показывает улучшенную надежность полученного паяного соединения после оплавления образца в вакууме

Рис. 11. Распределение Вейбулла для корпусов
а) 192CABGA;
б) 84CTBGA,
которые были подвержены термоциклическому испытанию –55…+125 °C. Показано увеличение надежности паяного соединения после снижения количества пустот после оплавления в вакууме

Результаты термоциклического исследования, которое проводится после оплавления образцов в вакууме, показывают явное улучшение характеристического срока службы (надежность) и кривой Вейбулла (качество). Хотя само по себе образование пустот в паяных соединениях очень часто не представляет риска для надежности соединения [14–16], их размер и расположение влияют на срок службы и отказы изделий. Кроме того, разумно предположить, что вариации размеров и локализаций пустот в отдельных образцах и во всех наборах образцов как раз и объясняют более пологий наклон в графике распределения Вейбулла.

Анализ отказов

Термоциклические испытания при –55…+125 °C начались сразу после испытания 0…+100 °C, и на момент написания статьи для анализа были доступны только образцы, прошедшие тест 0…+100 °C. Примеры разрушения паяных соединений из-за образования пустот в ходе испытания термоциклированием TC1 при 0…+100 °C показаны на фотографиях на рис. 12. Пустоты большого размера снижают эффективную площадь соединения, что приводит к образованию и распространению трещин, уменьшению количества циклов до отказа, а значит, и сокращению срока службы узла. Один из способов решить эту проблему — уменьшить путь распространения трещины. Образцы, показанные на рис. 12, — это два из первых образцов, вышедших из строя при термоциклическом испытании 0…+100 °C, и очевидно, что более ранний отказ связан с огромным размером пустот.

Рис. 12. Разрушение паяных соединений из-за образования пустот после термоциклического испытания при температуре 0…+100 °C:
а) отказ 192CABGA после 1358 циклов;
б) отказ 84CTBGA после 1541 цикла

На рис. 13 показаны примеры разрушения паяных соединений (термоциклическое испытание при 0…+100 °C) в образцах, прошедших дальнейшее оплавление вакуумом. На этих изображениях видно растрескивание припоя, характерное для термической усталости в сплавах SAC. В корпусе 192CABGA отказы возникают в основном на стороне печатной платы в местах пайки, при этом на стороне корпуса наблюдается зарождение усталостной трещины. Хотя для BGA-корпусов более типичны отказы паяных соединений со стороны корпуса [24], у корпусов 192CABGA чаще возникали отказы со стороны платы. Усталостные разрушения для корпуса 84CTBGA чаще наблюдались со стороны самого корпуса.

Рис. 13. Отказы из-за усталости припоя в паяных соединениях:
а) отказ 192CABGA после 3826 циклов;
б) отказ 84CTBGA после 4572 циклов. 
Профиль термоциклического испытания 0…+100 °C

Металлографический анализ компонентов, вышедших из строя во время термоциклирования, подтверждает результаты анализа с использованием распределения Вейбулла, обобщенные в таблице 7, и согласуется с критериями стандарта IPC-JSTD‑001. Очевидно, что последующее оплавление в вакууме устранило образовавшиеся в процессе пайки пустоты и улучшило термическую надежность припоя.

Когда размер пустот слишком большой, а сами пустоты находятся на траектории, где потенциально может возникнуть усталостная трещина, снижение характеристического срока службы, вызванное разрушением паяного соединения с образованием пустот, составляет 25–50%. Эта взаимосвязь между сроком службы паяного соединения, образованием пустот и их отсутствием демонстрируется предложенным исследованием, в котором использовано два разных компонента и два разных профиля термоциклических испытаний.

Планируемые испытания и эксперименты

На момент написания статьи термоциклическое испытание при –55…+125 °C близилось к завершению, но у авторов не было достаточно времени для завершения анализа отказов образцов. Анализ отказов и характеристики для профиля термоциклирования –55…+125 °C будут представлены позже. Основываясь на распределении Вейбулла, можно ожидать, что анализ отказов даст результаты, согласующиеся с наблюдениями, полученными при испытаниях при температуре 0…+100 °C.

Результаты термоциклических испытаний показывают явное увеличение характеристического срока службы (надежность) и кривой Вейбулла (качество) при использовании оплавления в вакууме. В основе текущего исследования лежит вопрос устранения пустот в существующих паяных соединениях, что можно отнести к процессу доработки на уровне платы. Конечно, производители изделий, которые сталкиваются с проблемой пустот, чья интенсивность образования превышает требования стандарта, предпочтут устранить пустоты во время первоначальной оплавки, а не переделывать продукт с дефектами пайки.

Выводы и заключения

В статье приводится исследование эффективности процесса вакуумного оплавления для паяных соединений, который применяется для уменьшения образования дефектов пайки, например пустот. Тестовые образцы представляли собой платы с установленными на них BGA-корпусами. Пайка выполнялась с использованием обычной обработки оплавлением и бессвинцовой паяльной пасты. Половина тестовых образцов была повторно оплавлена в вакууме. Для проверки надежности полученных паяных соединений использовались термоциклические тесты с двумя профилями: 0…+100 и –55…+125 °C. Основные результаты испытаний на термоциклирование и последующего анализа отказов заключаются в следующем:

• Рентгеновский и металлографический контроль показали, что при пайке с используемой паяльной пастой образование пустот оказалось таким значительным, что превысило критерии надежности паяного соединения, определяемые в стандарте IPC-JSTD‑001.
• Рентгеновский и металлографический контроль показали, что последующая обработка вакуумным оплавлением практически полностью устранила пустоты в обоих компонентах.
• Результаты термоциклического исследования демонстрируют явное улучшение характеристического срока службы (надежность) и кривой Вейбулла (качество) при последующем оплавлении в вакууме. Характеристики долговечности после вакуумной обработки улучшились на 25–50%.
• Металлографический анализ поперечного сечения показал, что в образцах, изготовленных с использованием стандартного процесса сборки, то есть без последующего оплавления в вакууме, наблюдаются множественные разрушения паяного узла из-за образования пустот. Очень большие, расположенные в стратегически важных местах пустоты снижают надежность, поскольку уменьшают эффективную площадь поверхности пайки и становятся причиной появления и распространения усталостных трещин. Проведенный металлографический анализ образцов, подвергнутых процессу оплавления в вакууме, показал значительное улучшение паяного соединения.
• Хотя считается, что пустоты, образовавшиеся в паяных соединениях с компонентами BGA, обычно не представляют риска для надежности соединения [14–16], проведенное термоциклическое исследование показало, что большой размер пустот и их расположение значительно влияют на надежность пайки и снижают количество циклов до разрушения.