Исследование качества пайки компонентов BGA

В рамках реализации программы по отработке технологических процессов сборки печатных узлов на одном из ведущих российских предприятий специалистами Предприятия ОСТЕК на базе технологического центра были проведены комплексные исследования качества сборки и пайки тестовых печатных узлов. Один из наиболее интересных этапов наших исследований — оценка качества паяных соединений компонентов в корпусах BGA.

Исходные данные

Изделие: при отработке технологических процессов применялись специальные тестовые печатные платы, разработанные заказчиком с учетом требований международного стандарта IPC-TM-65O. Краткая информация об исследуемом изделии приведена в таблице 1.

Цель исследований

1. Оценить качество паяных соединений наиболее сложных с точки зрения контроля компонентов:

– PBGA352 с шагом выводов 1,27 мм;

– PBGA169 с шагом выводов 1,5 мм;

– PBGA225 с шагом выводов 1,5 мм.

2. При обнаружении дефектов установить причину их возникновения и определить корректирующие действия.

Место проведения исследований

Исследования проводились в технологическом центре ЗАО Предприятие ОСТЕК.

Оборудование для проведения исследований

Визуальный контроль: цифровой микроскоп Hirox (увеличение до 3500/) (рис. 1).

Рентгеновский контроль: система контроля рентгеновским излучением Microme|x с разрешением 1 мкм и возможностью исследования образцов под углом от 0 до 70°.

Измерительное оборудование: система бесконтактных измерений по трем осям HAWK, для сверхточного измерения сложных компонентов и деталей.

Порядок сборки печатных узлов

Сначала осуществлялась сборка нижней стороны тестовых печатных узлов (рис. 2), затем они подвергались отмывке в отдельно стоящей системе струйной отмывки SMT1000-LD в промывочной жидкости Vigon А200, после этого производилась сборка верхней стороны печатного узла (рис. 3). После сборки верхней стороны печатный узел вторично подвергался отмывке от остатков флюса. Необходимость проведения двух этапов отмывки вызвана высокой активностью остатков флюса паяльной пасты WS200. Следует отметить, что пайка данных печатных узлов производилась в среде азота.

Порядок проведения экспертизы

Контроль проводился на предмет наличия перемычек, пустот, трещин, шариков припоя.

1. Визуальный контроль качества паяных соединений.

Визуальный контроль, проведенный на цифровом микроскопе Hirox, показал высокое качество паяных соединений, отвечающих требованиям стандарта IPC-A-610D для всех классов аппаратуры (рис. 4). Однако визуальный контроль не позволяет оценить качество паяных соединений компонентов в корпусах BGA.


Рис. 4. Пример качественных прямых соединений на микросхеме корпуса QFP100
2. Рентгеновский контроль качества паяных соединений компонентов в корпусах BGA.

Исследование качества паяных соединений рентгеновским способом позволяет обнаружить перемычки между выводами, трещины, шарики припоя, пустоты, а также отсутствие паяных соединений. Содержание пустот оценивается в соответствии с действующими стандартами IPC, при этом под содержанием пустот понимается площадь области, имеющей пустоты, в процентах от площади всего паяного соединения, отображаемого на рентгеновском снимке при прямом сканировании. Стандарт IPC-7O95A Design and Assembly Process Implementation for BGAs («Конструкция и внедрение процессов сборки с применением BGA») определяет четкие критерии качества для паяных соединений компонентов с шариковыми выводами. Согласно данному стандарту, предельное содержание пустот зависит от класса изделия и расположения пустот, как показано в таблице 2. Немаловажным является и то, что в стандарте указаны требования по допустимому содержанию пустот в шариковых выводах компонента до процесса пайки (типы А и В). Это позволяет эффективно применять настоящий стандарт на этапах входного выборочного контроля электронных компонентов.

Так как предприятие, на котором были собраны печатные узлы, выпускает изделия класса 3, был использован самый жесткий критерий, то есть 4%. В процессе исследования печатных узлов был обнаружен только один дефект: перемычки припоя между угловыми выводами компонента в корпусе PBGA352 (рис. 5). Важным является тот факт, что обнаруженный дефект присутствовал на трех из четырех печатных узлов, представленных на исследование, только в левом верхнем и правом нижнем углах, а на четвертом — во всех углах.

Наиболее вероятными причинами возникновения данного дефекта являются:

• коробление корпусов компонентов при пайке;
• газация корпусов компонентов.

Для установления причины возникновения дефекта на двух печатных узлах были измерены расстояния от поверхности платы до верхнего края подложки корпуса PBGA352 во всех четырех углах. Для этого использовалась система бесконтактных измерений по трем осям HAWK, имеющая погрешность менее 2 мкм. Результаты измерения приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы, разница в расстоянии незначительна, что говорит не в пользу версии коробления компонентов. Поэтому наиболее вероятной причиной образования перемычек является газация компонентов в процессе пайки. Известно, что газация компонентов при пайке может приводить не только к образованию перемычек, но и к повреждению корпуса компонента и даже расположенных рядом компонентов (рис. 6).

В свою очередь, газация вызвана поглощением компонентами влаги в результате нарушения условий хранения. Как известно, компоненты, чувствительные к влаге, следует хранить в герметичной вакуумной упаковке, а после ее вскрытия — в шкафах сухого хранения. Компоненты, хранившиеся во вскрытой упаковке в производственных условиях, необходимо просушить при одном из следующих режимов (по J-STD-013):

• 24 часа при температуре 125 °С и влажности <50%;
• 192 часа при температуре 40 °С и влажности <5%.

Система контроля рентгеновским излучением Microme|x позволяет в автоматическом режиме произвести оценку количества и размера пустот в паяных соединениях. В результате проведенного исследования в большинстве паяных соединений пустот не обнаружено. Отдельные паяные соединения имеют незначительные пустоты размером не более 1%. Среднее расчетное значение пустот составляет всего около 0,3%.

Результаты экспертизы:

• Качество паяных соединений всех компонентов (кроме PBGA352) очень высокое, отвечает требованиям международных стандартов IPC-A-610D и IPC-7095A по классу 3 — спецтехника.
• В процессе исследования трещины в паяных соединениях и шарики припоя не обнаружены.
• Форма галтелей паяных соединений правильная, непропаи отсутствуют.
• Причина единственного обнаруженного дефекта — перемычек припоя — связана с нарушением условий хранения компонентов.

Рекомендации

• Во избежание образования перемычек припоя рекомендуется обеспечить хранение компонентов в вакуумной упаковке или в шкафах сухого хранения.
• При невозможности обеспечить рекомендуемые условия хранения компонентов сушить компоненты перед монтажом в соответствии с требованиями стандартов J-STD-013 и J-STD-033.
• Контроль качества пайки компонентов с шариковыми выводами (BGA) следует осуществлять с помощью рентгена (табл. 4).
Таблица 4. Среднее расчетное значение пустот в паяных соединениях исследуемых ПУ

Заключение

Результаты экспертизы показали, что оборудование, материалы и технологические режимы подобраны правильно. Отсутствие шариков припоя, непропаев, а также правильная форма галтелей свидетельствуют о верном подборе паяльной пасты, режимов трафаретной печати и профиля пайки.

В этой статье мы рассмотрели лишь одно из многочисленных исследований, которые проводятся в технологическом центре ЗАО Предприятие ОСТЕК, который, помимо рентгеновского контроля, оказывает услуги многим производителям электроники в России по контролю качества отмывки, анализу технологичности печатных узлов, а также отработке и внедрению технологических процессов, поддержке и исследованию производства с целью повышения его эффективности.

Статьи в журнале Технологии в электронной промышленности по тематике