Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №2

Проблемы бессвинцовой пайки. Международный форум «Асолд-2008»

Павлов Николай


8–10 октября 2008 года на базе дома отдыха «Подмосковье» в Поведниках прошел симпозиум «Асолд,2008» на тему «Проблемы бессвинцовой и комбинированной технологии в поверхностном монтаже». Симпозиум был организован ЗАО «Предприятие ОСТЕК».

Программа симпозиума была насыщенной и крайне интересной. В первый день с докладами выступили специалисты из Швеции: Ларс-Олаф Уоллин (Lars-Ollaf Wallin), представитель IPC в Европе, и Ларс-Гуннар Кланг (Lars-Gunnar Klang), независимый эксперт в области пайки. Во второй день — Вернер Энгельмайер (Werner Engelmaier), председатель главного комитета IPC по вопросам надежности изделий, США, а в третий, заключительный день доклады прочли российские специалисты: Николай Иванов, заместитель генерального директора по новой технике и технологии ОАО «Авангард»; Владимир Ивин, начальник отдела радиотехнологий этого же предприятия, и Станислав Гафт, технический директор ЗАО «Предприятие ОСТЕК».

А теперь расскажем подробнее о каждом из докладчиков и их выступлениях.

Ларс-Олаф Уоллин — преподаватель Королевского института технологии. Ларс-Гуннар Кланг — независимый эксперт в области пайки с 20-летним опытом, консультант по переходу на бессвинцовые технологии пайки.

Доклады Ларса-Олафа Уоллина и Ларса-Гуннара Кланга касались проблем бессвинцовой и смешанной технологии монтажа. Выступления были разделены на несколько частей.

В начале были рассмотрены вопросы, связанные со стадией проектирования печатных плат (далее ПП) и печатных узлов (далее ПУ). Так, были затронуты вопросы проектирования печатных плат с точки зрения их дальнейшей сборки и испытаний. В очередной раз были указаны проблемы, возникающие при желании разработчиков и конструкторов разместить сложный функционал в малом объеме, что вызывает необходимость «плотного» размещения компонентов и многослойных структур ПП.

Для разрешения вопросов проектирования — размеров контактных площадок (далее КП) компонентов и зазоров между ними и проводящим рисунком — было рекомендовано руководствоваться IPC-7351А (рис. 1).

Рис. 1. Варианты изменения КП в соответствии с IPC-7351A, в зависимости от плотности монтажа под:  а) чип-компоненеты; б) компоненты с выводом типа «крыло чайки»
Рис. 1. Варианты изменения КП в соответствии с IPC-7351A, в зависимости от плотности монтажа под:
а) чип-компоненеты; б) компоненты с выводом типа «крыло чайки»

Были приведены примеры дефектов, которые возникают при неправильном проектировании и в том случае, когда не учтены возможности производителя ПП (рис. 2).

Рис. 2. Смещение паяльной маски  может приводить к вскрытию дорожек,  либо к перекрытию КП под BGA-микросхему
Рис. 2. Смещение паяльной маски
может приводить к вскрытию дорожек,
либо к перекрытию КП под BGA-микросхему

Далее была рассмотрена вся технологическая цепочка операций создания печатных плат (рис. 3) и сборки печатных узлов (рис. 4), с указанием стандартов IPC, которыми следует руководствоваться на каждом этапе производства.

Рис. 3. Схема построения участка изготовления ПП
Рис. 3. Схема построения участка изготовления ПП

Схема построения участка изготовления ПП (рис. 3):

  1. CAD (получение CAD-данных от заказчика).
  2. САМ (обработка CAD-данных, подготовка управляющих программ).
  3. Новые материалы.
  4. Бессвинцовые стклотекстолиты.
  5. FR4 с высоким Tg.
  6. FR4.
  7. Укладка.
  8. Сверление.
  9. Нанесение химического покрытия 2–3 мкм.
  10. Послойное нанесение.
  11. Лазерный плоттер.
  12. Экспонирование.
  13. Удаление ПТЭФ.
  14. Проявление.
  15. РТН-выход.
  16. Нанесение покрытия.
  17. Отмывка.
  18. Контроль.
  19. Электролитическое нанесение Cu 25 мкм.
  20. Электролитическое нанесение Sn 4–5 мкм.
  21. Удаление фоторезиста.
  22. Травление меди.
  23. Удаление металлорезиста Sn.
  24. АОИ.
  25. Нанесение паяльной маски.
  26. Экспонирование.
  27. Проявление.
  28. Отверждение.
  29. Травление и флюсование.
  30. HASL.
    или
  31. HASL SnPb, HSAL SnCu, ENIG, иммерсионное Ag; Immersion иммерсионное Sn, OSP.
  32. Водная отмывка.
  33. Контроль.
  34. Печать надписей.
  35. Разводка.
  36. Разделение.
  37. Электрическое тестирование.
  38. Выпускаемая продукция.
  39. Механическая очистка.
  40. Травление меди.
  41. Отмывка.
  42. Утилизация.
Рис. 4. Схема построения участка сборки ПУ
Рис. 4. Схема построения участка сборки ПУ

Схема построения участка сборки ПУ (рис. 4):

  1. Подготовка производства (анализ присланных проектов).
  2. Паяльная паста.
  3. Трафареты.
  4. Компоненты.
  5. Шкафы сухого хранения.
  6. Печатные платы.
  7. Отмывка.
  8. Пайка волной.
  9. Ручная пайка.
  10. Зарузчик.
  11. Автомат трафаретной печати.
  12. Fuji — автомат-установщик.
  13. Mydata — автомат-установщик.
  14. Печь конвекционного оплавления.
  15. АОИ (автоматическая оптическая инспекция).
  16. Разгрузчик.
  17. Зарузчик.
  18. My 500 — автомат трафаретной печати.
  19. Assembleone — автомат-установщик.
  20. Mydata — автомат-установщик.
  21. Печь конденсационного оплавления.
  22. Разгрузчик.
  23. Ремонтный центр.
  24. Рентгеновский контроль.

Следует отметить, что наши иностранные коллеги представили очень наглядный и качественный иллюстративный материал, показывающий дефекты и причины их появления. Примерами служили описания дефектов, возникающих при неправильном конструировании трафаретов для нанесения пасты, подборе параметров нанесения (рис. 5) и температурного профиля (рис. 6).

Рис. 5. Остатки пасты после трафаретного нанесения: а) большая апертура; б) маленькая апертура
Рис. 5. Остатки пасты после трафаретного нанесения: а) большая апертура; б) маленькая апертура
Рис. 6. Влияние температурного профиля на формирование паяного соединения: а) полное оплавление пасты;  б) неполное оплавление частиц диаметром 0,25 мм; в) неоплавленные частицы диаметром от 0,25 мм
Рис. 6. Влияние температурного профиля на формирование паяного соединения: а) полное оплавление пасты;
б) неполное оплавление частиц диаметром 0,25 мм; в) неоплавленные частицы диаметром от 0,25 мм

Были представлены снимки высокого разрешения различных дефектов, которые возможно обнаружить визуально (смещение компонентов, подрез, пустоты и отрыв паяного соединения, шарики припоя, плохая смачиваемость и некоторые другие), многочисленные микрошлифы, на которых были видны не только дефекты (смещение слоев ПП, разрыв металлизации внутренних соединений — между внутренним слоем и стенкой отверстия и аналогичные описанным выше — рис. 7, 8), но и структуры самого паяного соединения с интерметаллическими фазами. Были представлены и результаты при проведении неразрушающих типов контроля — рентгеновские снимки (пустоты в паяных соединения, смещения слоев ПП, брызги и шарики припоя и другие — рис. 9, 10) и снимки, сделанные на установках УЗ-контроля (расслоение микросхем, отсутствие контакта — рис. 11, 12). Были продемонстрированы видеоматериалы: процесс пайки компонентов и дефекты, возникающие при сушке компонентов (эффект попкорна).

Рис. 7. Трещина во внутренних слоях стеклотекстолита
Рис. 7. Трещина во внутренних слоях стеклотекстолита
Рис. 8. Трещина внутри микросхемы  (вверху - корпус микросхемы, внизу - стеклотекстолит)
Рис. 8. Трещина внутри микросхемы
(вверху — корпус микросхемы, внизу — стеклотекстолит)
Рис. 9. Пример рентгеновского снимка QFP-микросхемы, дефект - непропай
Рис. 9. Пример рентгеновского снимка QFP-микросхемы, дефект — непропай
Рис. 10. Пример рентгеновского снимка BGA-микросхемы, дефект - перемычки припоя
Рис. 10. Пример рентгеновского снимка BGA-микросхемы, дефект — перемычки припоя
Рис. 11. Пример УЗ-контроля платы с микросхемами в BGA-корпусах,  красным показаны области расслоения
Рис. 11. Пример УЗ-контроля платы с микросхемами в BGA-корпусах,
красным показаны области расслоения
Рис. 12. Пример УЗ-контроля микросхемы в корпусе SOIC 16,  красным показаны области расслоения
Рис. 12. Пример УЗ-контроля микросхемы в корпусе SOIC 16,
красным показаны области расслоения

Рассмотрены вопросы о покрытиях компонентов и финишных покрытиях плат, марках и типах паяльных материалов с описанием наиболее приемлемых комбинаций и свойств покрытий и материалов.

Особый интерес вызвало обсуждение выбора финишного покрытия плат: были даны сравнительные характеристики таких покрытий, как OSP (органическое покрытие), HASL (горячее лужение), ENIG (иммерсионное золото), оловянное и серебряное. Приведены сравнительные характеристики финишных покрытий: их сроки хранения, паяемость, смачиваемость и некоторые другие параметры (рис. 13).

Рис. 13. Пример паяемости различных финишных покрытий ПП
Рис. 13. Пример паяемости различных финишных покрытий ПП

Кроме известных преимуществ и недостатков перечисленных финишных покрытий, была затронута очень интересная тема — замена иммерсионного золота на иммерсионное серебро. Наши коллеги не считают иммерсионное золото оптимальным покрытием (заметим, что большинство отечественных предприятий использует либо иммерсионное золото, либо «старое доброе» горячее лужение). Они указали на такие недостатки иммерсионного золота, как недостаточная паяемость (что может быть вызвано некачественным технологическим процессом — не до конца стравлена маска) и высокая скорость образования интерметаллических соединений практически со всеми металлами, входящими в паяное соединение. В то же время, по их словам, иммерсионное серебро приведенных недостатков лишено. Была приведена схема процесса осаждения серебра на медь с описанием полученных характеристик покрытия (рис. 14–17).

Рис. 14. Технологическая цепочка процесса формирования финишного покрытия ПП: иммерсионное серебро ASIG
Рис. 14. Технологическая цепочка процесса формирования финишного покрытия ПП: иммерсионное серебро ASIG
Рис. 15. Процесс нанесения тонкого серебра: *Иммерсионное серебро наносится непосредственно на медь, очень тонкое (<0,1 мкм) и прочное покрытие. *Утолщения слоя во время реакции не происходит, так как тогда нанесенный слой имел бы большую пористость. Для увеличения толщины слоя (0,7-1 ммк) используется оригинальная автокаталитическая реакция на втором этапе.
Рис. 15. Процесс нанесения тонкого серебра:
• Иммерсионное серебро наносится непосредственно
на медь, очень тонкое (<0,1 мкм) и прочное
покрытие.
• Утолщения слоя во время реакции не происходит,
так как тогда нанесенный слой имел бы большую
пористость. Для увеличения толщины слоя
(0,7–1 ммк) используется оригинальная
автокаталитическая реакция на втором этапе.
Рис. 16. Процесс нанесения автокаталитического серебра: *Автокаталитическая реакция, процесс осаждения поддерживается с помощью восстановителя в электролитической ванне. *Создает беспористую и очень прочную серебряную поверхность, которая блокирует любую диффузию меди через серебряную пленку при многократной пайке оплавлением или длительном хранении.
Рис. 16. Процесс нанесения автокаталитического
серебра:
• Автокаталитическая реакция, процесс осаждения
поддерживается с помощью восстановителя
в электролитической ванне.
• Создает беспористую и очень прочную серебряную
поверхность, которая блокирует любую диффузию
меди через серебряную пленку при многократной
пайке оплавлением или длительном хранении.
Рис. 17. Процесс осаждения тонкого золота: *Благодаря осаждению автокаталитического серебра серебряная пленка имеет достаточную толщину для дальнейшего осаждения иммерсионного золота. *Из-за небольшого различия потенциалов между золотом и серебром, а также из-за устойчивости серебра к коррозии становится возможным произвести процесс осаждения очень тонкого слоя золота, что позволяет значительно снизить затраты в сравнении с иммерсионным золотом.
Рис. 17. Процесс осаждения тонкого золота:
• Благодаря осаждению автокаталитического серебра
серебряная пленка имеет достаточную толщину
для дальнейшего осаждения иммерсионного золота.
• Из-за небольшого различия потенциалов между
золотом и серебром, а также из-за устойчивости
серебра к коррозии становится возможным
произвести процесс осаждения очень тонкого слоя
золота, что позволяет значительно снизить затраты
в сравнении с иммерсионным золотом.

Охарактеризованы были и финишные покрытия самих компонентов (табл. 1). В дальнейшем говорилось о совместимости покрытий компонентов и марок паяльных материалов. В очередной раз акцентировано внимание участников на необходимости учитывать влагочувствительность компонентов, их хранение и сушку перед монтажом. Видеоролик, где был представлен паровоздушный взрыв компонента в корпусе BGA, отчетливо продемонстрировал, что может происходить с компонентом, который неправильно хранился и не прошел предварительную сушку. Другой пример показал, как ведет себя компонент в корпусе QFP: при установке на пасту и в начале пайки все шло нормально, но при приближении к пику температурного профиля (паста уже расплавилась) компонент «приподнялся» и потом снова опустился — паяное соединение не образовалось, причина дефекта та же.

Таблица 1. Сравнительные характеристики паяемости различных финишных покрытий выводов компонентов
  Покрытие выводов компонентов
Sn-Pb Sn-Bi Sn-Cu Sn-Ag Sn-Pd-Au Ni-Au
Состав сплава, % Pb: 10 Bi: 4 Cu: 1,5 Cu: 3,5
Температура плавления, °С 183∼215 213∼227 227∼296 221
(эвтектика)
Растворимое
покрытие
Растворимое
покрытие
Паяемость Смачивание Хорошая Удовлетворит. Слабая Слабая Удовлетворит. Слабая
Температура пайки, °С Хорошая Удовлетворит. Низкая Низкая Удовлетворит. Удовлетворит.
Прочность соединения Удовлетворит. Удовлетворит. Удовлетворит. Удовлетворит. Удовлетворит. Удовлетворит.
Продуктивность Хорошая Удовлетворит. Удовлетворит. Низкая Удовлетворит. Удовлетворит.
Стоимость/затраты Оптимальная Удовлетворит. Удовлетворит. Низкая Низкая Низкая

Марки материалов, используемых при монтаже, были охарактеризованы с точки зрения состава, совместимости с возможными комбинациями финишных покрытий плат и компонентов. Кроме характеристик материалов, были представлены статистические графики, к примеру, график, характеризующий скорость растворения металлов в оловянно-свинцовом припое при 225 °С (рис. 18).

Рис. 18. Скорость растворения металлов  в оловянно-свинцовом припое при 225 °С
Рис. 18. Скорость растворения металлов
в оловянно-свинцовом припое при 225 °С

Рассмотрены возможные комбинации: финишное покрытие ПП – покрытие выводов компонентов – паяльная паста. Недопустимой была признана комбинация «бессвинцовая паста – свинцовосодержащий компонент», наилучшей – «свинцовосодержащая паста – свинцовосодержащий компонент» и допустимой – «свинцовосодержащая паста – бессвинцовый компонент». При этом отдельное внимание было уделено компонентам в корпусах типа BGA, CSP, QFN. От участников симпозиума поступало много вопросов о возможности пайки BGA-микросхем с бессвинцовым покрытием выводов свинцовосодержащими пастами, и как поступать при использовании подобных компонентов в спецтехнике. Сразу хочется отметить, что ни Ларс-Олаф Уоллин, ни Ларс-Гуннар Кланг, ни их коллега, выступавший на следующий день, — Вернер Энгельмайер не смогли дать точных рекомендаций при подобной комбинации и гарантировать надежность пайки.

Проблема заключается в том, что «смешанная» (или «комбинированная») технология применяется только в России. Когда был задан вопрос о пайке при смешанной технологии в военной технике, наши иностранные коллеги ответили, что в их странах таких проблем не возникает: пайка проводится по классической технологии с применением исключительно свинцовосодержащих компонентов. Как рекомендация, было предложено использовать при смешанной технологии термопрофили, аналогичные бессвинцовой технологии, с учетом теплоемкости и сложности самого ПУ, таким образом, под корпусом BGA-компонента должна быть температура ∼235 °С (рис. 19). Но даже при этом надежность пайки они гарантировать не берутся (далее, в обзоре доклада Вернера Энгельмайера этот вопрос будет освещен подробнее).

Рис. 19. Изменение температуры по поверхности ПУ  (под микросхемой в BGA-корпусе и на кристалле самой микросхемы) при пайке оплавлением
Рис. 19. Изменение температуры по поверхности ПУ
(под микросхемой в BGA-корпусе и на кристалле самой микросхемы) при пайке оплавлением

Докладчики акцентировали внимание на проблемах оловянных «усов» и «оловянной чумы». Ведь, как известно, именно проблема формирования оловянных «усов» привела уже не к одному отказу в ответственных узлах (к примеру, отказ блока управления АЭС и выход из строя одного из спутников), проблема «оловянной чумы» не так распространена, но тоже вызывает определенные опасения. Что касается оловянных «усов», наши коллеги представили примеры данных кристаллических образований (рис. 20). Следует уточнить, что по их данным к формированию «усов» склонно не только олово (Sn), но и цинк (Zn), кадмий (Cd), индий (In), свинец (Pb), сурьма (Sb), золото (Au), алюминий (Al), серебро (Ag, точнее сульфид серебра), однако вопрос заключается в величине данных кристаллических образований: для олова они наиболее значительны. По поводу борьбы с «усами» процитируем текст одного из слайдов: «На данный момент не существует теории, которая может прогнозировать количество или длину «усов» и момент начала их роста». В отечественной технологии считается, что добавление хотя бы 5% свинца подавляет рост «усов», длина которых может привести к КЗ.

Рис. 20. Примеры дефекта оловянные «усы» (у наших коллег они уже поделены на 5 групп - узелки, петли, нити, полосы и кольца)
Рис. 20. Примеры дефекта оловянные «усы»
(у наших коллег они уже поделены на 5 групп — узелки, петли, нити, полосы и кольца)

С «оловянной чумой» ситуация проще: возникновение данного дефекта возможно при использовании олова высокой чистоты, порядка 99,99%. Таким образом, добавление примеси надежно гарантирует невозможность формирования «оловянной чумы». Как пример, были приведены следующие величины примесей: >> 5% меди (Cu), либо > 5% серебра (Ag), либо 0,5% висмута (Bi), либо 0,1% сурьмы (Sb), либо 50–100 ppm свинца (Pb). Представлены снимки исследований, показывающих процесс формирования α-Sn — «оловянной чумы» (рис. 21, 22).

Рис. 21. «Оловянная чума»: а) образцы из олова с 0,5% меди в начале испытаний, через 1,5 и 1,8 года соответственно (образцы хранились при температуре -18 °С); б) поперечный срез образца, выдержанного 1,5 года
Рис. 21. «Оловянная чума»: а) образцы из олова с 0,5% меди в начале испытаний,
через 1,5 и 1,8 года соответственно (образцы хранились при температуре –18 °С);
б) поперечный срез образца, выдержанного 1,5 года
Рис. 22. Образец из олова высокой чистоты (99,99%),  который хранился при температуре -45 °С:  а) исходный образец; б) частичный переход; в) полный переход
Рис. 22. Образец из олова высокой чистоты (99,99%),
который хранился при температуре –45 °С:
а) исходный образец; б) частичный переход; в) полный переход

Вывод: материалы зарубежных специалистов представляют большой интерес и могут быть использованы при подготовке к выпуску ПП и непосредственно при их производстве. Однако приходится констатировать, что в связи с «особенностью» отечественной промышленности не на все вопросы наши иностранные коллеги могут дать ответ.

Весь второй день был посвящен докладу Вернера Энгельмайера. Г-н Энгельмайер — признанный эксперт в области надежности паяных соединений. Его доклад был крайне насыщенным и информативным. Так, было приведено множество графиков и диаграмм, отражающих испытания паяных соединения на надежность, сдвиг, смачиваемость покрытия после ускоренного старения и др. Эти статистические данные интересны и говорят о том, что наиболее надежными являются классическая свинцовая и бессвинцовая пайка. Бессвинцовая технология находится в процессе изучения. Г-н Энгельмайер представил математические модели критериев надежности паяных соединений (зависящие от многих параметров, в том числе учитывающих выводной или безвыводной компонент, его тип, общее количество выводов и их размеры, время и температуры выдержки при оплавлении и многие другие параметры). Однако эта модель применима только для классической свинцовой технологии.

Данная методика позволяет прогнозировать надежность паяного соединения без проведения испытаний (табл. 2). Расчет суммарной вероятности отказа системы после N циклов рассчитывается по формуле:

где ni— число i -х компонентов; βi— параметр формы кривой распределения Вейбулла для паяных соединений i -го компонента поверхностного монтажа; Ni,j — число циклов, которым подвергается i -й компонент на j -м уровне нагрузки; Nf,i, j — усталостная долговечность паяного соединения i -го компонента поверхностного монтажа на j -м уровне нагрузки к суммарной вероятности отказа х%.

Таблица 2. Расчет надежности системы (красным шрифтом выделены ненадежные компоненты,
конструкция которых не удовлетворяет требованиям по надежности:
отказ произойдет в течение 2 месяцев с начала эксплуатации или во время отбраковки)
 j   i  \bar{N_j}
(циклы)
Nf(x%)
(циклы)
N/Nf (x%) FM
(надежность)
1 1 144 000 12 200 0,146 2,42 –0,00165
2 131 38 47,8 0,17 –262000
3 17 700 5160 0,352 1,62 –0,00231
1 1 31 600 2680 0,0037 14,06 –0,000001
2 36 10 1 1,02 –0,0501
3 4410 1290 0,0078 9,84 –5,6×10–10
Примечание. Вероятность отказа системы после 5 лет работы — FΣ(N) = 100%.

Сейчас разрабатывается модель для бессвинцовой пайки. На вопрос, чем руководствоваться при смешанной технологии, г-н Энгельмайер ответил, что возможно брать двойной-тройной запас в величинах оценки, саму модель для бессвинцоцвой пайки (в нашем понимании) вряд ли можно будет построить — слишком много факторов и комбинаций параметров.

Также были представлены многочисленные параметры процесса, влияющие на качество паяного соединения, и конкретные примеры возможных дефектов, некоторые из них приведены на рис. 23–25. В том числе и дефекты, уже описанные нами (рис. 26).

Рис. 23. Дефект бессвинцовой пайки - поднятие галтели. (Распространенное поднятие галтели было впервые описано в программах NCMS и IDEALS.) *Причиной отделения галтели припоя от контактной площадки считается низкая локальная температура плавления, которая обусловлена загрязнением свинцом бессвинцовых припоев Sn-xAg-yBi, не Sn-58Bi. *Sn-Bi-Pb образует фазу с температурой плавления 96 °С. *При дополнительных исследованиях у других бессвинцовых припоев также был обнаружен данный дефект, хоть и не в столь сильной степени.
Рис. 23. Дефект бессвинцовой пайки — поднятие
галтели. (Распространенное поднятие галтели было
впервые описано в программах NCMS и IDEALS.)
• Причиной отделения галтели припоя от контактной
площадки считается низкая локальная температура
плавления, которая обусловлена загрязнением
свинцом бессвинцовых припоев Sn-xAg-yBi,
не Sn-58Bi.
• Sn-Bi-Pb образует фазу с температурой плавления
96 °С.
• При дополнительных исследованиях у других
бессвинцовых припоев также был обнаружен
данный дефект, хоть и не в столь сильной степени.
Рис. 24. Киркендаловы пустоты  (пустоты, которые охрупчивают пайку по границе медь/интерметаллическое соединение) *Пустоты, образованные вследствие эффекта Киркендала, обнаружены между медной площадкой и интерметаллическим соединением Cu<sub>3</sub>Sn шариковых выводов микросхемы в BGA-корпусе после пребывания в течение некоторого времени при повышенной температуре, при использовании бессвинцовых SAC-припоев. *Механизм формирования данного дефекта до сих пор не известен, но может быть связан с медным покрытием.
Рис. 24. Киркендаловы пустоты
(пустоты, которые охрупчивают пайку по границе медь/интерметаллическое соединение)
• Пустоты, образованные вследствие эффекта Киркендала, обнаружены между медной площадкой
и интерметаллическим соединением Cu3Sn шариковых выводов микросхемы в BGA-корпусе после пребывания
в течение некоторого времени при повышенной температуре, при использовании бессвинцовых SAC-припоев.
• Механизм формирования данного дефекта до сих пор не известен, но может быть связан с медным покрытием.
Рис. 25. Финишное покрытие ПП иммерсионное золото/хрупкая структура пайки Финишное покрытие иммерсионное золото с «черной площадкой», приводящей к практически полному хрупкому разрушению по границе паяного соединения. Данная проблема связана с высокой концентрацией фосфора на границе раздела Ni/интерметаллическое соединение. Проявляется достаточно редко. Отсутствуют качественные возможности диагностики.
Рис. 25. Финишное покрытие ПП
иммерсионное золото/хрупкая структура пайки
Финишное покрытие иммерсионное золото
с «черной площадкой», приводящей к практически
полному хрупкому разрушению по границе паяного
соединения. Данная проблема связана с высокой
концентрацией фосфора на границе раздела
Ni/интерметаллическое соединение.
Проявляется достаточно редко.
Отсутствуют качественные возможности диагностики.
Примечание. Качественное смачивание произошло
только по кратерообразному «ободу» площадки,
где покрытия не было вообще или было
его малое количество.
Рис. 26. Оловянные «усы» на выводах керамического конденсатора 0201
Рис. 26. Оловянные «усы» на выводах керамического конденсатора 0201

Повышенный интерес участников симпозиума вызвали компоненты в корпусах BGA. Докладчик привел ряд очень интересных диаграмм и иллюстраций по напряжениям, возникающим в паяном соединении шариковых выводов (рис. 27).

Рис. 27. Зависимость деформации шарикового вывода от энергии деформации:  а) суммарная деформация ползучести после 2 термоциклов;  б) суммарная деформация ползучести после одного температурного перехода и 15 минут выдержки
Рис. 27. Зависимость деформации шарикового вывода от энергии деформации:
а) суммарная деформация ползучести после 2 термоциклов;
б) суммарная деформация ползучести после одного температурного перехода и 15 минут выдержки

Он охарактеризовал дефект шарикового вывода, имеющий за рубежом наименование «голова на подушке» (рис. 28). Участники поинтересовались у г-на Энгельмайера, как влияет на надежность BGA-микросхемы процесс ребондинга (замены или восстановления шариковых выводов). По его мнению, этот процесс фактически приводит к абсолютной неремонтопригодности микросхем. На большинство элементов предусмотрено не более 3 перепаек. Посчитаем: после установки шариковых выводов на заводе-изготовителе (эту процедуру обычно забывают и за цикл не считают) мы предварительно нагреваем микросхему для удаления шариков и зачистки подложки, вторым циклом можно считать сам процесс восстановления шариков — когда мы устанавливаем шарики на подложку, и третий цикл — пайка микросхемы на плату, таким образом, мы на 100% вырабатываем ресурс перепаек микросхемы. Если не просто менять шарики, а демонтировать микросхему с ПУ и восстанавливать, то получается 5 циклов (еще плюс два цикла — монтаж и демонтаж на ПУ) плюс установка шариков на заводе-изготовителе: о надежности говорить не приходится. В спецтехнике ребондинг — процесс нежелательный.

Рис. 28. Дефект «голова на подушке»: причиной его возникновения является недостаточный нагрев
Рис. 28. Дефект «голова на подушке»: причиной его возникновения является недостаточный нагрев

Участники задали вопросы о возможности применения смешанной технологии в спецтехнике. Основываясь на собственном опыте, г-н Энгельмайер ответил, что наилучшей считает классическую свинцовую технологию, допустимой бессвинцовую технологию и монтаж бессвинцовых компонентов свинцовосодержащей пастой (повторимся — допустимой, но нежелательной) и не рекомендовал применять при бессвинцовой технологии свинцовосодержащие компоненты. Подтверждением этой точки зрения можно считать многочисленные микрошлифы, показывающие неравномерность формирования интерметаллидов в паяном соединении.

Также были приведены данные по компонентам с выводами под корпусом компонента (рис. 29). Однако они не настолько еще распространены в нашей промышленности, эти сведения носили скорее информативный характер и большого количества вопросов не вызвали. Кроме указанных на рисунке, был показан компонент со «столбиковыми» выводами: эта разработка позволяет за счет использования тугоплавких металлических столбиков длиной 2–3 мм компенсировать разницу ТКЛР ПП и подложки компонента.

Рис. 29. Различные типы выводов компонентов поверхностного монтажа
Рис. 29. Различные типы выводов компонентов поверхностного монтажа

Вывод: на данный момент у наших коллег из комитета по надежности IPC имеются математические модели и статистика поведения паяных соединений при классической свинцовой и бессвинцовой технологии, смешанная технология находится в процессе рассмотрения и обработки. Представленные модели можно использовать и при смешанной технологии, введя двух-трехкратный запас.

Третий день работы симпозиума наиболее интересен с точки зрения отечественной технологии: с докладами выступили представители головного предприятия отрасли ОАО «Авангард» и технический директор ЗАО «Предприятие ОСТЕК» Станислав Гафт.

Первую часть доклада прочел Николай Иванов, заместитель генерального директора ОАО «Авангард» по новой технике и технологии. Он продемонстрировал участникам симпозиума общую программу испытаний разных модулей с применением различных компонентов и паяльных ма териалов. Основная цель — «сравнительные ускоренные испытания паяных соединений на надежность и определение наиболее надежных конструкций паяных соединений из большого числа вариантов паяных соединений, отличающихся геометрическими размерами и различными комбинациями применяемых материалов, в том числе покрытий выводов компонентов, типов припоя и финишных покрытий контактных площадок ПП. Задача определения нижней границы средней наработки паяных соединений различных типов определяется как вторичный результат проводимых сравнительных ускоренных испытаний». Данная программа испытаний была согласована с 22 ЦНИИ.

Были представлены виды испытываемых модулей и созданные специально для данных исследований тестовые устройства, определяющие наличие разрыва цепи (например, АСР — автоматический стенд регистрации). В качестве элементов использовались «пустышки» реальных компонентов, у которых расположенные рядом выводы попарно замкнуты, таким образом, используя системы электрического контроля, наши коллеги могли четко отслеживать моменты возникновения обрыва. В качестве критерия возникновения обрыва цепи принимался резкий скачок сопротивления цепи, 10 таких скачков принимались за дефект, и узел выбраковывался.

За счет комбинаций финишных покрытий плат, компонентов и паяльных материалов была составлена матрица всех возможных комбинаций указанных параметров. Из всех возможных комбинаций были выбраны 128 вариантов бессвинцовых и комбинированных паяных соединений и 2 образцовых (выполненных по классической технологии). Были запаяны 5 ПУ по бессвинцовой технологии и 5 ПУ по комбинированной технологии. Использовались ПП с финишными покрытиями: OSP-Cu, хим. Sn, HALS SnPb, HAL Pb-free, ENIG, ImSn, ImAg. Были применены паяльные пасты ПОС61, Sn63Pb37 SAC305, Castin, Sn62. Монтировались различные ЭРИ: чип-компоненты в корпусах 01005-1206, ЭРИ в корпусах SOD80, SOT 23, SO8, BGA46T.75C, BGA169T1.5C, LQFP128T15.7, LQFP144T19.7, QFP100T25T, TQFP128T15.7, TSSOP28M25B, DIP8M3-TIN, DIP16M3F, D2PAK, TO220M3, HQFP48/64.8F, HSOP20M-F и некоторые другие с типовыми финишными покрытиями выводов SnPb, Sn100, NiAu, NiPd, Sn97Bi3, SAC305, Sn98Cu2.

Сами испытания разделены на 2 группы: в одной были проведены медленные воздействия (40 тестовых плат), а во второй — быстрые воздействия (40 тестовых плат). Была и контрольная партия из 20 тестовых плат.

О результатах испытаний докладывал Владимир Ивин, начальник отдела радиоэлектронных технологий. Он продемонстрировал гистограммы распределения отказов по элементам после первых и вторых механических испытаний (многократные удары, вибрация): основная масса отказов приходилась на чип-компоненты типоразмера 0201, ЭРИ в корпусах TSSOP, HSOP и TQFP. Относительно комбинаций «финишное покрытие платы – компонента – паяльный материал» минимальный уровень дефектов (что было предсказуемо) возникает при классической технологии, все остальные комбинации дали в той или иной форме большее количество дефектов. Кроме механических испытаний, были приведены результаты проверок после термошока. Также были представлены иллюстрации конкретных дефектов.

Вывод: исследования, проводимые ОАО «Авангард», представляют огромный интерес и аналогов на данный момент не имеют, эти исследования моделируют реальные ситуации, имеющие место на реальных производствах уже сейчас. К сожалению, испытания проведены еще не до конца, но не вызывает сомнения, что, проведенные в полном объеме, они будут представлены к обсуждению и как руководство к действию всем предприятиям, занимающимся выпуском спецтехники.

После представителей «Авангарда» выступил технический директор ЗАО «Предприятие ОСТЕК» — Станислав Гафт. Так как за время симпозиума неоднократно поднимался вопрос об оптимальном профиле для пайки при смешанной технологии, он привел пример расчета и построения такового. Данная информация полезна как опытным, так и начинающим технологам.

Вне плана слово было предоставлено Аркадию Медведеву, президенту Гильдии профессиональных технологов, заслуженному технологу РФ, профессору кафедры «Технология приборостроения» МАИ. Аркадий Максимович в очередной раз назвал навязывание бессвинцовой технологии провокацией крупных фирм, производящих массовую электронику для подавления слабых конкурентов. Свинец в припоях занимает 0,05% от общего объема использования свинца. На первом месте — боевые пули и аккумуляторы. Свинец широко используется для оболочек кабелей, гидроизоляции фундаментов, в красках и многом другом. И никто не собирается от него отказываться в этих видах использования.

Однако для отечественных производств приходится считаться с неизбежностью поставок компонентов в исполнении, предназначенном для бессвинцовой пайки. Национальные программы развития технологий микроэлектроники предусматривают поэтапную интеграцию микросхем вплоть до литографического разрешения 45 нм, но не планируют технологии корпусирования кристаллов. Значит, мы опять будем получать компоненты из-за рубежа с нашими чипами, но в бессвинцовом исполнении по западному варианту.

Аркадий Максимович отметил, что на этом фоне НИОКР ОАО «Авангард» очень актуальна. Эта работа востребована всеми отраслями электроники России. Выполнен большой фронт работ, достойный всяческого одобрения. Информация, которую они получили, настолько широка и объемна, что после ее обработки мы получим от них ответы на все вопросы, так необходимые нам в дальнейшей работе. Пользуясь присутствием на симпозиуме директора по науке ОАО «Авангард» Николая Иванова, президент Гильдии профессиональных технологов выразил тревогу по поводу состояния программы обновления нормативной базы. ОАО «Авангард» — головная организация в разработке новых стандартов. Но до сих пор нет анализа состояния вопроса, нет программы стандартизации, нет консолидации усилий ведущих специалистов в разработке новых редакций стандартов, и главное, до сих пор не принята концепция в интеграции с международной системой стандартов. Не определен порядок согласования разрабатываемых стандартов. В результате ОАО «ЦНИТИ "Техномаш"» уже выпустило проекты трех документов, никак не согласующихся с международной системой стандартов. Мало того, никто не знает об их существовании, не проходит никакого обсуждения этих редакций. А д ействующие стандарты настолько устарели, что стали тормозом современного производства. Гильдия профессиональных технологов и секретарь технического комитета ТК91 (РКЭ-91) МЭК К. Н. Стась предложили концепции вариантов программы отечественной стандартизации, но официального отклика не получили. Время идет, предприятия пытаются самостоятельно решить свои проблемы, используя американские стандарты IPC, что не является легитимным для электроники ответственного назначения. И все мы ждем активизации головного института отрасли на этом очень важном направлении.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке