Обнаружение и предотвращение «дефекта подушки»

Метод образования мелких капель пасты позволяет оценить ее устойчивость к окислению, тогда как метод погружения шариков припоя в пасту определяет стойкость припоя к окислению и способность флюсования. Оба метода просты в использовании и достаточно хорошо моделируют реальный процесс, причем у второго из них это получается лучше. Дефект подушки предотвращается путем: 1) конструирования недеформирующихся корпусов; 2) нанесения большего количества пасты; 3) обработки компонентов паяльной пастой или флюсом; 4) использования инертной среды пайки; 5) уменьшения температуры плавления; 6) установки теплового экрана на корпуса BGA или CSP; 7) отказа от использования водорастворимой пасты для формирования выводов BGA в безотмывном процессе; 8) применения столбиковых выводов с припоем или порошкового припоя, стойких к окислению; 9) использования флюсов с высокой стойкостью к окислению и степенью адгезии. Среди перечисленных мер применение стойкой к окислению паяльной пасты и хорошей способностью к флюсованию считается наиболее легко реализуемым методом. 

От современных электронных устройств требуется, чтобы они были миниатюрными, быстродействующими и недорогими. В случае применения корпусов CSP или BGA шаг между контактными выводами и размеры шариков уменьшаются. Из-за высокой сложности конструкции многие элементы неизбежно страдают от коробления при пайке, что приводит к возникновению дефекта подушки (см. рис. 1). Этот непропай возникает из-за отсутствия соединения между двумя оплавленными частями припоя при контакте паяльной пасты и шарикового припоя на выводах BGA.

Рис. 1. Пример возникновения дефекта подушки

Несмотря на механический контакт, паяное соединение не становится металлургическим и не принимает соответствующей формы. Более того, в этих случаях не наблюдается устойчивого электрического соединения. Этот дефект возникает из-за некачественных компонентов, разности температур плавления двух припоев разного состава и плохой работы флюса. До сих пор не обеспечен действенный метод определения предрасположенности компонентов к возникновению этого дефекта для заданной комбинации процесса и материалов. Однако потребность в таком методе очень велика при выборе надежной паяльной пасты. В статье описываются методы тестирования, устанавливающие возможность возникновения дефекта подушки при использовании той или иной пасты. При этом обсуждаются также механизмы образования этого дефекта, а также новые паяльные пасты, исключающие его возникновение.

Механизм образования дефекта подушки схематично показан на рисунке 2. Из-за несоответствия тепловых коэффициентов расширения некоторых корпусов BGA или CSP либо самой платы при термообработке возникает деформация. На этапе сборки платы из-за этой деформации появляется зазор между паяльной пастой и припоем на столбиковом выводе. Дальнейший нагрев приводит к раздельному расплавлению пасты и припоя на выводе, как видно из среднего рисунка. В результате охлаждения платы происходит постепенное смыкание припоя на выводе и шарика пасты. Если деформация была значительной, припой может отвердеть до того, как возникнет контакт, в результате чего образуется непропаянное соединение. В других случаях обе части жидкого припоя не образуют при контакте требуемого соединения из-за оксидной пленки между частями припоя, образовавшейся при нагреве или из-за несоблюдения правил эксплуатации.

Рис. 2. Механизм образования дефекта подушки

Способность BGA или CSP деформироваться устанавливается путем анализа этой возможности при тепловом воздействии, имитирующем условия пайки оплавлением припоя с помощью методов муаровых полос [1—3]. В другом качественном, быстром и простом способе определения деформаций корпус BGA, установленный на стеклянную пластину шариковыми выводами вниз, помещается в печь, в которой имитируются условия BGA-монтажа, после чего исследуется форма выводов. Если те выводы, которые расположены по периметру корпуса или в его центре, расплющились в большей мере по сравнению с другими, шансы возникновения дефекта подушки велики.

Признаки возникновения дефекта подушки можно установить в процессе монтажа, но поскольку частота возникновения этого эффекта в большинстве случаев невелика, такой подход не оправдан из-за его высокой стоимости. По этой причине желательно использовать метод, который повышает частоту возникновения дефекта для оценки вероятности его появления в реальных условиях производства.

Станция наладки BGA

Одним из методов моделирования дефекта подушки является использование станции наладки BGA. В этом методе корпус BGA и наносимая на печатную плату паста разогреваются горячим воздухом на этапах, имитирующих процесс оплавления, а затем выводы BGA образуют контакт с пастой. По завершению полного цикла оплавления установленный корпус BGA исследуется на наличие дефекта подушки. Как правило, рентгеновский анализ не обеспечивает необходимой чувствительности к обнаружению этого дефекта, и потому применяется метод разрушающего контроля. В целом использование наладочной станции достаточно эффективно при оценке возможности возникновения дефекта, но трудоемко.

Образование мелких капель пасты

Поскольку главной причиной возникновения дефекта подушки является оксидная пленка припоя, способствующие ее образованию факторы ускоряют появление этого эффекта. Поскольку отношение площади поверхности шариков пасты к их объему обратно пропорционально радиусу, небольшие частицы паяльной пасты в большей мере подвержены окислению. На основе этого вывода был разработан метод использования капель пасты, после которого проводилась процедура тестирования, описанная ниже.
Паста наносится на не ограниченные паяльной маской контактные площадки для BGA-компонентов с органическим защитным покрытием (NSMD OSP) с шагом 245/600, 325/800 и 406/1000 мкм (см. рис. 3). Толщина трафарета составляет 127 мкм, а его отверстия имеют тот же размер, что и контакты.
Паста подвергается оплавлению горячим воздухом в двух режимах — кратковременной и продолжительной термообработки (см. рис. 4).
После оплавления элементы корпуса изучаются под микроскопом с 40-кратным увеличением для выявления образовавшихся капель (см. рис. 5).

Рис. 3. Контактные площадки круговой формы с шагом 245/600, 325/800 и 406/1000 мкм

Рис. 4. Кратковременная (выше) и длительная (ниже) термообработка выводов

Рис. 5. Образование мелких капель на припое столбиковых выводов в форме виноградной кисти (слева) и отсутствие такого эффекта (справа)

При кратковременной термообработке капель образуется больше.
Составляется рейтинг паст, способствующих образованию капель. Та паста, применение которой приводит к большему образованию капель, в большей мере способствует возникновению дефекта подушки.
Метод образования капель пасты легко реализуется. Это очень информативный метод, возможности которого ограничены тем, что он определяет лишь способность окисления пасты, не выявляя этой способности у контактных выводов.

Погружение шарика припоя в пасту

В этом методе паста и шарик припоя подвергаются окислению до их контакта. В данном случае используются одинаковые припои. Метод реализуется следующим образом. 
Шарик припоя диаметром 2,3 мм в течение 25 мин нагревается при 200°C.
На медную пластину с помощью трафарета толщиной 125 мкм и диаметром отверстия 3,0 мм наносится паяльная паста, которая предварительно нагревается до 200°C в течение 1—4 мин.
Затем эта медная пластина помещается на горячую поверхность с температурой 260°C.
После расплавления пасты при 260°C пластина выдерживается на поверхности до 80 с.
Предварительно нагретый шарик припоя погружается в жидкообразный купол пасты на медной пластине и выдерживается при 260°C еще 20 с. Затем медную пластину удаляют с горячей поверхности.
Образец изучается под микроскопом с 40-кратным увеличением, чтобы определить качество соединения.
На рисунке 6 демонстрируется медная пластина с нанесенной пастой (внизу слева), результат хорошего соединения пасты и припоя (верхний правый угол) и частичное соединение (внизу справа). Метод моделирования, в данном случае основанный на регулируемом окислении шарика припоя и паяльной пасты (до и после их расплавления), выявляет влияние окисления на вероятность возникновения дефекта. Следует заметить, что способность паяльной пасты противостоять окислению обеспечивает ее правильное оплавление, но не гарантирует устранения оксида на шариковом выводе. На самом деле, возможность удаление окисла зависит от способности пасты флюсоваться. Таким образом, данный метод тестирования позволяет установить общую способность припоев противостоять окислению и возможность флюсования. Преимущества этого метода заключаются в его оперативности, простоте и в обеспечении высокой прогнозируемости реального процесса.

Рис. 6. Метод погружения шарика в пасту, позволяющий оценить возможность возникновения дефекта на подушке

В этом разделе мы рассмотрим способы, позволяющие предотвратить возникновение эффекта подушки, и их эффективность путем сравнительного тестирования.

Качество изготовления

Для пайки компонентов BGA/CSP или плат следует выбирать те, которые не подвержены короблению. Дефектные компоненты или платы следует ввернуть поставщику этих изделий, чтобы исключить риск их коробления при монтаже.

Процесс

При возникновении дефекта подушки по периметру корпуса следует наносить большее количество пасты на края, чтобы: 1) паста соединилась с припоем на контактных выводах и 2) паста меньше окислялась и лучше растекалась для очистки окисленных выводов. Дополнительное количество флюса или пасты снижает степень окисления выводов BGA. Если дефект подушки происходит в центральной части корпуса, рекомендуется обрабатывать ее пастой или флюсом.
Дефект подушки может возникать при использовании водорастворимой паяльной пасты, которая наносится при монтаже BGA в безотмывном процессе. После этого процесса всегда остается несмываемая пленка флюса на поверхности контактных выступов. Этот осадок обладает гидрофобными свойствами, что предотвращает возникновение тока утечки. С другой стороны, водорастворимая паста по своей природе гидрофильная. Водорастворимый флюс с большим трудом проникает сквозь пленку осадка на столбиковых выводах из-за разницы в свойствах, что в итоге приводит к возникновению дефекта подушки. Следовательно, при выборе корпуса BGA или CSP для монтажа в безотмывном процессе следует применять безотмывную пасту или безотмывный флюс на этапе монтажа платы.
Если дефект подушки возникает нерегулярно, главной причиной того, скорее всего, является высокая степень окисления столбиковых выводов при их формировании. Чтобы устранить эту проблему, следует изменить процесс по принципу изготовления в порядке очередности. Можно также повысить устойчивость выводов к окислению с помощью дополнительных материалов или припоев с добавками фосфора или германия.
Некоторые производители изменяют условия оплавления, уменьшая, главным образом, время термообработки. Так или иначе, замена среды оплавления инертной средой всегда является действенным средством. Коробление платы или компонентов также уменьшается при снижении температуры оплавления или с помощью теплового экрана, особенно если корпус BGA имеет относительно малые размеры.

Материал

Возможно, наиболее простым способом предотвратить дефект подушки является применение паяльной пасты или флюса с высокой устойчивостью к окислению. Такая способность особенно важна потому, что количество используемой пасты и флюса быстро уменьшается с миниатюризацией устройств.
У осадка с меньшей массой отношение между поверхностной площадью и объемом выше, в результате чего повышается степень выгорания флюса (см. рис. 7). Из графика видно, что около 90% флюса выгорает, если его масса мала. Очевидно, что при большем выгорании остается меньше флюса, который защищает от окисления, ведущего, в свою очередь, к возникновению дефекта подушки. 
Однако в равной степени и даже важнее мер противодействия выгоранию флюса является повышение стойкости к его окислению, т.к. в противном случае порошковый припой или металлические детали, покрытые флюсом, легко подвергаются воздействию кислорода при пайке. Если не обеспечить дорогостоящую инертную среду термообработки, дефекты неизбежны. Потребность в этой среде снижается за счет повышения стойкости к окислению (см. рис. 8).

Рис. 7. Степень выгоревшего флюса увеличивается при уменьшении его массы

Рис. 8. Эффективность пайки улучшается при повышении устойчивости к окислению

То, как влияет устойчивость флюса к окислению на дефект подушки, хорошо демонстрируют уже рассмотренные методы тестирования. На рисунке 9 представлены сравнительные результаты измерений, полученные методом образования мелких капель паст A—J, которые характеризуются разной степенью устойчивости к окислению. Образец пасты I имеет самую высокую стойкость к окислению, в отличие от других стандартных паст, используемых в технологии поверхностного монтажа.

Рис. 9. Результаты зависимости дефекта подушки от стойкости паяльных паст к окислению, полученные с помощью метода образования мелких капель

Превосходная неточечная структура образца пасты I со всей очевидностью указывает на необходимость повышения устойчивости пасты к окислению. В таблице 1 приводятся сравнительные результаты тестирования методом погружения шариков припоя в несколько специально приготовленных паст IA–IE.
Рейтинг паст по степени устойчивости их к окислению составлен в порядке убывания: IA, IB > IC, ID, IE. Несмотря на некоторый разброс данных, в целом можно утверждать, что дефект подушки усугубляется с ростом времени термообработки при 200°C, а пасты с высокой устойчивостью к окислению и хорошим флюсованием предотвращают этот дефект.

Дефект на подушке, вызванный короблением компонентов или плат в процессе оплавления, усугубляется при их окислении. Для оценки потенциальной возможности возникновения этого дефекта используются два простых метода — образования мелких капель пасты и погружения шариков припоя в пасту.
Первый метод позволяет оценить стойкость паяльной пасты к окислению, второй — общую устойчивость припоев к окислению и способность к флюсованию. Оба метода обеспечивают быструю, простую и хорошую прогнозируемость, при этом второй из них лучше моделирует реальные условия процесса.
Предотвращение дефекта подушки осуществляется путем: 1) конструирования корпусов, не подверженных короблению; 2) нанесения большего количества пасты; 3) обработки компонентов паяльной пастой или флюсом; 4) использования инертной среды в процессе оплавления; 5) уменьшения температуры оплавления; 6) отказа от использования водорастворимой пасты для формирования выводов BGA в безотмывном процессе; 8) применения столбиковых выводов с припоем или порошкового припоя, стойких к окислению; 9) использования флюсов с высокой стойкостью к окислению и степенью адгезии.