Авторы: Дженифер Нгуйен (Jennifer Nguyen), Гектор Марин (Hector Marin), Дэвид Гейджер (David Geiger), Анвар Мухаммед (Anwar Mohammed) и Мурад Курва (Murad Kurwa).
Flextronics International
847 Gibraltar Drive
Milpitas, Калифорния, США
Резюме
Компоненты с контактными площадками внизу корпуса (ВТС) – это бессвинцовые компоненты, где площадки покрываются с целью защиты с нижней стороны корпуса. Они все слегка отличаются и имеют различные названия, такие как QFN (плоский корпус с четырёхсторонним расположением выводов, без свинца), DFN (с двусторонним расположением выводов, без свинца), LGA и MLF. Устройства ВТС очень быстро растут в последние годы. Этот тип корпуса привлекателен из-за своей низкой стоимости и хорошей эффективности, например, улучшенная скорость сигнала и усиленная тепловая производительность.
Однако, компоненты с нижними площадками не имеют свинца для поглощения напряжения и натяжения в паяных соединениях. Это зависит от правильного объема припоя, использованного во время процесса монтажа для того, чтобы иметь хорошее качество паяных соединений и достаточную надежность. На ВТС паяных соединениях обычно возникает образование пустот, особенно на термальной площадке компонента. Образование пустот является главной проблемой надежности паяных соединений ВТС компонентов. На сегодняшний день нет промышленных стандартов на критерии образования пустот для компонентов с нижними площадками. Влияние наличия пустот на надежность паяных соединений и влияние этих пустот на характеристики теплообмена ВТС компонента хорошо не изучено и не понимается. Данное исследование представит некоторые данные по этой проблеме. Мы провели свое исследование по надежности компонентов с нижними контактными площадками в термальном цикле, включая несимметричные LGA и QFN компоненты. Два различных по условиям пайки процесса и различные уровни образования пустот были включены в исследование, результаты которого здесь обсуждаются. Данная статья также касается нашего исследования по термальному моделированию характеристик теплообмена ВСТ компонентов.
Ключевые термины: Компонент с нижними контактными площадками, ВТС, LGA, QFN, надежность BTC, образование пустот и надежность, образование пустот и теплообмен ВТС компонента.
Введение
BTC – это компонент с нижними контактными площадками. Это бессвинцовый компонент, у которого выводы покрываются металлом с целью защиты и находятся на нижней стороне корпуса. Наиболее распространенные ВТС компоненты – это QFN, LGA, MLF, DFN и др. ВТС компоненты доступны в различных размерах, количествах выводов и дизайнах. Большинство деталей является уникальными от поставщика к поставщику с различными дизайнами площадок.
Большинство ВТС компонентов обычно имеют большие контактные площадки для заземления или питания одновременно с маленькими сигнальными площадками. Образование пустот обычно заметно на паяных соединениях ВТС компонентов, особенно на термальных площадках. Во многих случаях большие пустоты и множество пустот, которые могут превышать 25% зоны могут быть замечены на термальных площадках ВТС компонентов. Образование пустот доставляет много проблем для надежности паяных соединений ВТС компонентов. Когда имеешь дело с ВТС компонентами, возникают следующие вопросы. Уменьшит ли избыточное образование пустот надежность паяного соединения? Повлияет ли образование пустот на теплообмен и термальное поведение ВТС компонента? В данной статье мы представляем наше исследование по надежности ВТС компонентов в термальном цикле. Мы сравним данные по надежности и образование пустот. Мы обсудим теплообменные характеристики ВТС компонента, используя наше исследование с термальным моделированием.
Детали эксперимента
Тестовое устройство
В эксперименте использовалось тестовое устройство компании с компонентами с нижними контактными площадками, Rev 1.0 (Рис. 1a). Это двусторонняя плата размером 8" x 11" x 0.093" [203mmx279mmx2.4mm]. Тринадцать различных типов ВТС компонентов от различных поставщиков было разработано для данного теста (Рис. 1b). Устройство также имеет другие компоненты, такие как BGA, SMT разъем, чип-компоненты и др.
Компоненты
В Таблице 1 приведены детальная информация по компонентам, тестируемым в исследовании надежности. Оба типа компонентов - QFN и LGA – были включены в тестирование надежности.
Мы также включили компоненты BGA и FQFP для сравнения данных. Для QFN типа компонента мы взяли как симметричный QFN (Рис.2), так и не симметричный QFN компонент для исследования (Рис.3).
Для LGA типа компонента – некоторые LGA компоненты имели одинаковые размеры сигнальной площадки и площадки заземления (Рис.4). Некоторые другие LGA компоненты имели различные размеры сигнальных площадок и площадок заземления (Рис.5).
Подготовка образцов
Предыдущие исследования (1-2) показали, что большее количество припоя обычно в результате дает меньшее количество пустот. Для изучения влияния пустот на надежность, мы произвели платы, используя два различных по условиям пайки процесса для симулирования различных уровней образования пустот в паяных соединениях. Условия первого процесса состояли в том, что платы были выполнены с использованием стандартного шаблона, что дало в результате большее количество пустот в паяном соединении. В другом процессе были использованы компоненты, предварительно покрытые оловом. При таком процессе обычно образуется меньше пустот в паяном соединении.
Условия испытания тепловым циклом
Тестирование тепловым циклом было проведено в комнате для теплового цикла воздух-воздух, от 0 до 100°C приблизительно 10-15°C в минуту. Температурный профиль относительно затраченного времени показан на Рис.6.
Продолжительный мониторинг был проведен на компонентах, соединенных последовательной цепью. Компоненты без последовательной цепи были подвержены поперечному сечению после 1000 циклов, 2000 циклов и 3000 циклов.
Результаты и обсуждения
Рентгеновское инспектирование
Предварительно покрытые оловом ВТС компоненты обычно имеют меньшее количество пустот, чем не покрытые оловом ВТС компоненты. Однако, количество пустот варьируется в зависимости от типа компонента. Большинство компонентов имеют среднее количество пустот менее 25% за исключением двухрядного QFN132 и FQFP176 (Рис.7a). Максимальное количество пустот достигало 30%, 40%, 50% в зависимости от типа компонента, размера его площадки и условий процесса (Рис.7b).
Компоненты с покрытием не исключают образование пустот. Однако, размер пустот в предварительно покрытых образцах обычно меньше, чем размер пустот в паяных соединениях не пре-покрытых компонентов (Рис.8).
Форма пустот в пре-покрытых образцах была более определенной и круглой по сравнению с образцом с непокрытыми паяными соединениями (Рис.9).
Микроструктура паяного соединения – Анализ нулевого момента времени
Было выполнено поперечное сечение ВТС паяных соединений для оценки микроструктуры и внутренней металлической формации на момент времени, принятый за начало отсчета (time zero) (перед тестированием тепловым циклом). Не пре-покрытые компоненты имеют высоту просвета от 2 до 3 mil в зависимости от типа компонента. Пре-покрытые компоненты имеют высоту просвета между 4-7 mil. То есть приблизительно в два раза больше, чем высота просвета у непокрытых компонентов (Таблица 2). Компонент BGA196 имел высоту просвета около 11mil.
Хорошее смачивание паяного соединения и нормальные IMC слои наблюдались у всех компонентов. При нулевом времени на всех образцах не было обнаружено растрескивания паяных соединений (Рис.10, Рис.11 и Рис.12).
Источник: www.circuitinsight.com