Обеспечение высокой надежности соединений BGA

Изготовление сборок, содержащих компоненты с матричным расположением выводов, является сложной задачей для OEM- и EMS-производителей. Часто возникают проблемы с характеристиками и надежностью таких соединений. Под компонентами с матричным расположением выводов будем иметь в виду интегральные схемы (ИС) в корпусах с шариковыми, штырьковыми и другими типами выводов (BGA, CSP и т.д.). Рассмотрим основные сочетания материалов выводов и паяльной пасты:
– BGA с шариками SAC305, паста SAC305;
– BGA с шариками SAC с низким содержанием серебра, паста SAC305;
– BGA с шариками SAC305, паста SnPb(E);
– BGA с шариками SAC с низким содержанием серебра, паста SnPb(E);
– BGA с шариками SAC и SnPb, паста SAC305;
– BGA с шариками SAC и SnPb, паста SnPb(E).
Приведенные выше комбинации делятся на обратно совместимые и нормально совместимые. В первых материал выводов не содержит свинца, а паяльная паста имеет его в своем составе. В нормально совместимых комбинациях свинец не используется.
Микросхемы в корпусах BGA, CSP или WLP, изображенные на рисунке 1, будут применяться еще долго. Требования к ним отличаются от требований к выводным корпусам QFP или SO (см. рис. 2). Разница фундаментальная: паяное соединение в выводных корпусах образуется за счет металлических выводов и паяльной пасты, а в BGA — за счет припоя на контакте и паяльной пасты.

Рис. 1. Внешний вид корпуса BGA

Рис. 2. Внешний вид корпуса QFP

В связи с переходом на бессвинцовые припои появляется много вопросов относительно пайки BGA:
1. Нужно ли подбирать профиль оплавления так, чтобы контакты BGA оплавились?
2. Можно ли одновременно использовать контакты SAC305 и пасту SnPb или пасту, не содержащую свинец?
3. Можно ли использовать пасту SAC305 для шариков SnPb?
4. Можно ли для контактов SAC с низким содержанием серебра использовать пасту SnPb или другую пасту, не содержащую свинца?
5. Можно ли для контактов SAC с низким содержанием серебра использовать пасту SAC305?
6. Можно ли использовать пасту SAC и микросхемы с контактами SAC для устройств, эксплуатирующихся в экстремальных условиях?
7. Как технологический процесс влияет на надежность соединения и целостность печатной платы?
8. Как обеспечить приемлемое качество при пайке BGA?
9. Как обеспечить высокое качество сборок с BGA, чтобы они могли эксплуатироваться в экстремальных условиях?
Первые два вопроса задают наиболее часто, поскольку требования RoHS распространяются не на все области, и в некоторых случаях можно пользоваться свинцовосодержащими припоями. Припой SAC не характеризуется высокой надежностью, поэтому его нельзя использовать в устройствах, рассчитанных на работу в экстремальных условиях. В итоге по-прежнему используется припой SnPb, хотя производители BGA перешли на бессвинцовые контакты.
В процессе оплавления наиболее критичным материалом является паяльная паста. Если она качественная, наиболее важными технологическими параметрами являются максимальная температура, время ее воздействия и время нахождения при температуре выше ликвидуса. Параметры стадии предварительного нагрева в этом смысле менее важны. Максимальная температура оплавления должна быть достаточно высокой, а нагрев должен быть достаточно долгим, чтобы паста расплавилась и обеспечила нормальное смачивание. Когда паяльная паста и шариковые выводы состоят из родственных материалов, например, содержат олово, соединение априори будет качественным.
При оплавлении термодинамического равновесия нет, процесс идет по кинетическим законам. Соответственно, время нахождения в расплавленном состоянии, которое обычно называется временем выдержки, имеет такое же значение, что и максимальная температура. Его подбирают так, чтобы паяное соединение было качественным.
Рассмотрим шесть наиболее распространенных комбинаций материала выводов BGA и паяльной пасты (см. табл. 1). Заметим, что большинство сборок, изготавливаемых с применением оловянно-свинцовых припоев, содержит компоненты, не рассчитанные на воздействие слишком высоких температур. Хотя некоторые из них могут выдержать температуру оплавления, необходимую для SAC, это чревато появлением отказа из-за повреждения компонента, паяного соединения или внутренней структуры печатной платы. Тепловое разрушение может привести к различным нежелательным эффектам, и не все из них легко обнаружить и устранить во время тестирования изделия. Например, ухудшаются характеристики изделия или его надежность.

Когда в сборке присутствуют бессвинцовые компоненты и компоненты, содержащие свинец, или когда печатная плата не соответствует требованиям RoHS, рекомендуется использовать оловянно-свинцовую пасту. Рассмотрим пример.

В такой ситуации (пример 1 из таблицы 1) рекомендуется использовать профиль оплавления для оловянно-свинцового припоя, поскольку максимальная температура в профиле оплавления для SAC выше, соответственно, появится производственный брак, либо надежность изделий будет слишком низкой. Во-первых, могут повредиться некоторые компоненты или внутренняя структура печатной платы, что приведет к производственным дефектам или скрытым отказам. Паяльная паста также может потерять свои качества, вследствие чего возникнут дефекты, такие как шарики припоя, плохое смачивание и плохая отмывка (если используется) и т.д.
Ключевые параметры процесса для сборок, содержащих бессвинцовые компоненты SAC305 BGA и компоненты SnPb BGA, в случае использования оловянно-свинцовой пасты должны быть такими:
– максимальная температура 208–233°C (желательно 215–230°C);
– время выдержки выше ликвидуса 40–120 с (желательно 60–90 с);
– время выдержки при максимальной температуре 10–30 с (желательно 15–25 с).
При данных параметрах припой на контактах может расплавиться сам по себе, однако рекомендуется использовать пасту, чтобы гарантированно обеспечить достаточное смачивание. При использовании пасты SAC 305 должна быть более высокая температура оплавления. Для подтверждения качества соединения следует провести испытания, обследовать паяное соединение с помощью микроскопа и провести оценку механических свойств.
Для отдельных компонентов и платы вид оптимального профиля, особенно значения максимальной температуры и время выдержки при максимальной температуре и выше ликвидуса, могут различаться. Чтобы получить наиболее высокий выход при сохранении низкой стоимости, необходимо подобрать профиль оплавления так, чтобы его параметры имели допустимые значения для всех компонентов и материалов в системе. Другими словами, не стоит задавать слишком узкий профиль оплавления.

Для данного сочетания рекомендуются следующие параметры:
– максимальная температура: 239–259°C (желательно 240–250°C);
– время выдержки выше ликвидуса: 40–120 с (желательно 45–70 с);
– время выдержки при максимальной температуре: 10–30 с (желательно 5–10 с).
Эти диапазоны подходят для случая, когда на одной плате содержатся компоненты с различными по размеру контактными шариками. Для меньших контактов предпочтительнее выбирать нижнюю температурную границу, для больших — наоборот. Поскольку невозможно избежать более высоких температур, компоненты BGA с оловянно-свинцовыми контактными шариками более уязвимы. Именно в них в первую очередь возникают дефекты соединений, внутренние повреждения, расслоения на поверхности раздела контакта и материала корпуса (см. рис. 3). Заметим, что данная комбинация припоя и пасты встречается редко.

Рис. 3. Пример отслоения компонента под воздействием слишком высокой температуры

Рассмотрим случай, когда пайка производится без применения свинца. Как уже говорилось, такие комбинации относятся к нормально совместимым. Основные параметры для данного варианта практически такие же, как во втором случае. Отличие в том, что предпочитаемые диапазоны сдвигаются выше:
– максимальная температура: 239–259°C, но лучше 245–255°C;
– время выдержки выше ликвидуса: 40–120 с, но лучше 60–90 с;
– время выдержки при максимальной температуре: 10–30 с, лучше 10–15 с.
Для этой комбинации способность паяльной пасты обеспечивать смачивание является ключевым фактором. Для пасты SAC305 температура оплавления должна быть по крайней мере на 20°C выше температуры ликвидуса, чтобы обеспечить достаточное смачивание и уравнять способность к смачиванию для всех контактных шариков (имеются в виду разные по размеру контакты BGA), обеспечив тем самым качественные паяные соединения на плате.
Пасты SAC сильнее схватываются, чем SnPb. Однако при определенных условиях они могут вести себя непредсказуемым образом. Чтобы избавиться от этого эффекта, в пасту SAC добавляется серебро. Формулировка «SAC с малым содержанием серебра» на практике означает, что массовая доля серебра не превышает 3%. При использовании этих паст в паяном соединении не происходит разлома из-за механического шока, например, когда мобильный телефон падает на пол. Для снижения вероятности возникновения разлома при охлаждении или эксплуатации изделия применяется еще ряд мер.
Ниже приведены температурные диапазоны оплавления для бессвинцовых паст с низким содержанием серебра:
– SAC105 (1,0% Ag, 0,5% Cu): 217–227°C;
– SAC0807 (0,8% Ag, 0,7% Cu): 218–227°C;
– SAC0307 (0,3% Ag, 0,7% Cu): 218–229°C.
При уменьшении содержания Ag в пасте ее другие основные характеристики практически не изменяются.

В данной системе параметры профиля оплавления примерно такие же, как в предыдущем случае. Должна обеспечиваться достаточная температура плавления припоя с серебром. Для примера возьмем SAC105. Температура ликвидуса для нее примерно на 8–10°C выше, чем для SAC305. Рекомендуются следующие параметры профиля оплавления:
– максимальная температура: 239–259°C (желательно 240–250°C);
– время выдержки выше ликвидуса: 40–120 с (желательно 55–85 с);
– время выдержки при максимальной температуре: 10–30 с (желательно 15–20 с).
Как мы уже говорили, данные диапазоны подходят для различных по размеру шариковых контактов, если на плате содержатся разные микросхемы с матричным расположением выводов.

В этом случае рекомендуемые диапазоны сдвигаются чуть выше, чем для комбинации 3. Если паста сделана на основе SAC105, то параметры профиля оплавления должны быть следующими:
– максимальная температура: 247–265°C, лучше 247–257°C;
– время выдержки выше ликвидуса: 40–120 с, лучше 50–80 с;
– время выдержки при максимальной температуре: 10–30 с, лучше 8–12 с.
Для этой комбинации надежность паяного соединения в большой степени зависит от способности пасты к смачиванию. При пайке бессвинцовыми материалами максимальная температура оплавления должна быть по крайней мере на 20°C выше температуры ликвидуса паяльной пасты, чтобы смачивание было приемлемым и одинаковым для всех размеров контактов BGA.

Рассмотрим случай, когда припой на контактах и паста одинаковые (SAC105) и содержат немного серебра. Оптимальные условия для этого варианта:
– максимальная температура: 247–265°C, лучше 247–257°C;
– время выдержки выше ликвидуса: 40–120 с, лучше 60–90 с;
– время выдержки при максимальной температуре: 10–30 с, лучше 10–15 с.
Параметры такие же, как и в предыдущем примере, с тем отличием, что увеличивается предпочтительное время выдержки.