Проблемы пайки BGA микросхем

 

Игнатьев Александр Сергеевич,

инженер-технолог Акционерного общества «Ракетно-космический центр «Прогресс», г. Самара.

 

В статье рассмотрены существующие проблемы бессвинцовой пайки, произведен анализ научных трудов в части образования «оловянных» усов, приведены примеры возможных отказов, предложено направление исследования контроля образования оловянных нитей под BGA микросхемами.

 

1 июля 2006 года вступила в действие директива RoHS, ограничивающая применение в изделиях следующих опасных материалов:

-                   свинец (Pb);

-                   ртуть (Hg); –

-                   кадмий (Cd); –

-                   хром 6-валентный (Cr VI);

-                   полибромин бифенил (PBB); –

-                   полибромин дифенил этер (PBDE).

Директива RoHS распространяется на 8 категорий изделий ЕЕЕ (Electrical and Electronic Equipment), функционирующих с напряжением, не превышающим 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока [1]:

-                   крупные бытовые электроприборы;

-                   малые бытовые электроприборы;

-                   информационно-технологическое и телекоммуникационное оборудование;

-                   потребительское оборудование;

-                   осветительная аппаратура;

-                   электрические и электронные инструменты;

-                   игрушки, принадлежности для отдыха и спорта;

-                   торговые автоматы.

Также определены категории изделий, на которые данная директива не распространяется:

-                   изделия военного и космического применения;

-                   отдельные виды медицинского оборудования;

-                   оборудование мониторинга и контроля;

-                   крупное стационарное промышленное оборудование;

-                   изделия, входящие в оборудование, находящееся вне рамок Директивы (например, поездах, самолётах).

Данная директива вызвала немалый резонанс среди приборостроительных предприятий и институтов России, что дало толчок для проведения тематических форумов и технических семинаров по проблемам бессвинцовой пайки [2]:

1.                  13-14 марта 2007 г. международный консультационный семинар «Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники», собравший 47 специалистов предприятий, заслушано 6 докладов.

2.                  22 мая 2007 г. Научно-технический семинар-совещание «Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники и пути технологического обеспечения надежности бессвинцовых паяных соединений». В работе приняли участие 153 специалиста и заслушано 11 докладов.

В [2] приводится краткий обзор докладов последнего семинара. Среди большинства докладчиков была обозначена проблема возникновения оловянных «усов». Оловянные усы – это нитевидные монокристаллы, составляющие в диаметре нисколько микрометров и в длину достигающие нескольких миллиметров [3]. Хотя это явление и известно более 50-ти лет, но не все механизмы их возникновения до конца изучены. Одной из основных причин возникновения оловянных нитей является наличие термомеханических напряжений, вызванных различиями ТКЛР различных подслоев [2]. На рисунке 1 приведен пример образования оловянных усов на SMD конденсаторе.

 

Рис. 1. Оловянные усы на контактах SMD конденсатора типоразмера 0805.

 

В [3] проведено экспериментальное исследование образования «усов» на чистом олове и на сплавах с разными процентными соотношениями свинца и олова. Образцы хранились при 20-25°С 40-80% относительной влажности воздуха в течение полугода, после чего исследовались с помощью электронного микроскопа (табл. 1).

 

Таблица 1.

Результаты эксперимента после хранения образцов в течение 6 месяцев [3].

№	Толщина слоя, мкм	Состав сплава	Класс «усов»
			Опыты	Данные из практики
1	10	100% Sn	3-4	4
2	10	95% Sn, 5% Pb	0	1*
3	10	90% Sn, 10% Pb	0	1*
4	10	60% Sn, 40% Pb	0	0

 

Классы усов:

·                    0 – нет «усов»;

·                    1 – «усы» образовывается редко, короткие (< 5 мкм);

·                    2 – «усы» образовывается редко (< 5 мкм);

·                    3 – «усы» встречаются чаще, с короткой и средней длиной (> 25 мкм);

·                    4 – длинные «усы» (> 25 мкм, диаметром 3-4 мкм);

·                    * – в отдельных случаях.

Таким образом повышение уровня содержания свинца в припое сводит на нет образование «усов». Но как уже говорилось ранее, директива RoHS не распространяется на особо ответственные отрасли. Поэтому проблема актуальна для отраслей, попадающих под действие директивы. Известно немало случаев, когда причиной отказа было короткое замыкание между соседними контактами (рис. 2). В блоках, подвергающихся механической нагрузке (удары, вибрация, тряска), куски «усов» могут отрываться, что ускорит наступление отказа. При больших токах «усы» могут оплавляться, что приведет к кратковременным отказам блока [4].

Образование оловянных перемычек между соседними элементами печатной платы (рис. 2), либо между контактами микросхемы (рис. 3) в какой-то мерее поддается визуальному контролю. Куда больший интерес и сложность контроля представляют BGA-микросхемы. В самых современных BGA-микросхемах шаг шариковых выводов достигает 0,5 мм, что представляет проблему в плане своевременного контроля роста кристаллов и предотвращения отказов.

 

Рис. 2. Образование перемычки между соседними радиоэлементами.

 

Рис. 3. Образование «усов» между соседними выводами микросхемы.

 

Для ухода от проблемы образования оловянных «усов» стали производиться поиски оптимального сплава, используемого в качестве припоя. Наиболее перспективным оказался сплав Sn/Ag/Cu (SAC). Применение данного сплава вводит существенные ограничения на технологический процесс, так как имеет температуру плавления 217°С, что на 34°С больше эвтектического Sn/Pb, а с увеличением температуры на каждые 8°С количество дефектов удваивается [1]. Переход к припою олово-серебро-медь (SAC) замедляет рост усов, однако полностью не прекращает [6].

Дефекты связанные с процессом пайки BGA-микросхем подробно рассмотрены в работе [5]. Приведены примеры рентген-контроля и УЗ-контроля контроля микросхем. Данные методы хорошо зарекомендовали себя на этапе выходного контроля продукции. Но не рассмотрен вопрос контроля образования оловянных «усов» на шариковых выводах BGA-микросхем в долгосрочной перспективе.

Предлагается создать опытные образцы печатных плат с установленными BGA-микросхемами. Затем провести ускоренные испытания, разбив печатные узлы по категориям изделий и условий применения по методике изложенной в табл. 8-1 [7]. В качестве испытательного оборудования предлагается использовать климатическую камеру VC-7018 (рис. 4). По результатам испытаний можно оценить рост оловянных «усов» на испытуемых образцах для каждой категории изделий, спрогнозировав таким образом наступление отказа изделия.

 

Рис. 4. Климатическая камера VC-7018.

 

Литература

 

1.                  Архипов А. В. Особенности пайки компонентов с бессвинцовыми покрытиями [Электронный ресурс]: комплекс тестовых материалов для интерактивного обучения / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). – сост. А. В. Архипов, Б. Н. Березков, Электрон. текстовые и граф. дан. (0,22 Мбайт). - Самара, 2011. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM).

2.                  Медведев А., Новиков А. Форум по бессвинцовым технологиям пайки. // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – №4.

3.                  Ван Жанг, Феликс Швагер. Функция свинца для предотвращения образования «усов» в покрытиях из олова // Технологии в электронной промышленности. – 2007. – №8.

4.                  Медведев А., Шкундина С. Иммерсионное олово. Прошлое и будущее // Технологии в электронной промышленности. – 2010. – №3.

5.                  Павлов Н. Проблемы бессвинцовой пайки. Международный форум «Асолд2008» // Компоненты и технологии. – 2009. – №2.

6.                  Курт Якобсен. «Усы» олова // Технологии в электронной промышленности. – 2009. – №2.

7.                  IPC 7095B. Design and Assembly Process Implementation for BGAs.

 

Поступила в редакцию 15.05.2017 г.