Проблемы печатных и одноразовых чипов. Часть 1.

автор Сьюзен Рэмбо (Susan Rambo), Эд Сперлинг (Ed Sperling). Перевод: Сергей Шихов | |   Статьи А-КОНТРАКТ

При поддержке компании А-КОНТРАКТ в журнале «Технологии в электронной промышленности» № 5’2020 опубликована новая статья «Проблемы печатных и...

Далее

Новая цифровая PPL — самая маленькая в мире. Часть 2

автор Перевод: Сергей Шихов | |   Статьи А-КОНТРАКТ

Статья переведена и подготовлена к публикации в журнале "Компоненты и технологии" (№8, 2020г.) при поддержке компании А-КОНТРАКТ.

Далее

Оценка надежности реболлинговых BGA компонентов. Часть 3

автор Дж.Ли (J. Li)1, С.Поранки (S. Poranki)1, М.Эбтью (M. Abtew)2, Р.Киньяньюй (R. Kinyanjui)2, Ph.D., и К.Срихари (K. Srihari)1, Ph.D. |

Рентгеновская проверка

Была проведена 2D рентгеновская проверка всех реболлинговых BGA компонентов для выявления каких-либо дефектов, таких как образование пустот и перемычек.

Было заявлено, что образование пустот является проблемой для надежности в случае с реболлингом компонентов [3]. Причина этого в количестве флюса, необходимого как для удаления шариков, так и для процесса прикрепления. Если остатки флюса не отчищены полностью, эти остатки могут стать источником образования пустот как после реболлинга, так и после монтажа платы. С помощью рентгеновской инспекции было определено, что для данных реболлинговых компонентов образование пустот не является проблемой (см. Рис.7).

Тест на сдвиг холодных шариков

Для определения влияния процесса реболлинга на механические свойства паяных соединений, был проведен тест на сдвиг шариков на реболлинговых паяных соединениях с помощью тестера Dage® Series 4000. Тест на сдвиг проводился при скорости сдвига 1 мм/с (результаты в Таблице 1). Тип повреждения был определен как полный вязкий перелом припоя. Полученные результаты по силе сдвига были схожи с другими SnPb компонентами такого же размера.

Поперечное сечение и анализ микроструктуры

В случае с реболлингом BGA компонентов существует проблема с избыточным ростом IMC из-за множественных циклов пайки во время процесса реболлинга [1, 2, 6]. Из-за жесткой и хрупкой природы слоя IMC, избыточное формирование IMC может ослабить силу паяного соединения, особенно при высоких ударных нагрузках. Соединения были подвергнуты поперечному сечению для изучения структуры IMC. По сравнению с оригинальным IMC слоем, увеличение толщины слоя IMC в реболлинговых BGA не было очевидным. Толщина была в пределах разумного уровня между 1.2 μm и 2.7 μm, что показано на Рис.8. Это может быть из-за слоя никеля в ENIG поверхностном покрытии, который служит хорошим барьером и ингибирует ускоренный рост слоя IMC.

Поперечный разрез показывает микротрещины в углу паяных соединений внутри слоя никеля. На удивление практически каждое соединение имело такие трещины, что было ненормальным, если трещины были вызваны повреждением, созданным процессом реболлинга. Кроме того, как показывает Рис.9, трещины закругляются, что не похоже на трещины, вызванные определенным стрессом. Был проведен дальнейший анализ с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Кроме никеля и золота, на поверхности трещины были обнаружены барий и сера, которые могут быть главными компонентами слоя паяльной маски. Эти данные указывают на то, что скорее всего трещины были вызваны загрязнением. Свежие компоненты были подвергнуты поперечному сечению и в них также были обнаружены подобные трещины. Следовательно, было подтверждено, что процесс реболлинга не был причиной данных трещины и они возникли во время процесса производства компонентов.

Чтобы выяснить, могут ли данные микротрещины стать причиной проблем с надежностью или нет, реболлинговые компоненты были подвергнуты поперечному сечению после ESS теста. Было обнаружено, что микротрещины не распространяются дальше и остаются такими же. Поставщик компонентов также подтвердил, что основной причиной этой проблемы был избыточное травление во время нанесения слоя никеля. Согласно их оценке, эти микротрещины не должны привести к каким-либо проблемам с надежностью.

Рис.7. Рентгеновские снимки, показывающие, что проблем с пустотами нет.

Таблица 1. Сила сдвига реболлинговых паяных соединений

Рис. 8. Структура IMC для реболлинговых BGA.

Рис.9. Трещины в слое никеля из-за загрязнения.

 

Оценка надежности после монтажа

После установки реболлинговых BGA компонентов на печатные платы, собранные устройства были подвержены ESS тестам, после чего тестам на целостность схемы и функциональность. Температурный уровень был установлен от -20 до 100°C, с 20 мин выдержкой при остановке и скоростью линейного измерения  5 °C/мин. Рис.10 показывает профиль тестирования для данного теста. ICT и функциональные тесты были проведены через 24 часа после ESS теста. Все устройства прошли и ICT, и функциональный тест.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из-за сомнений в надежности и проблем в разработке обратно-совместимых процессов, реболлинг BGA считается альтернативным вариантом для процесса смешанных систем монтажа. Главной задачей данного исследования была квалифицированная оценка надежности реболлинговых BGA. Было оценено несколько потенциальных проблем, которые могут влиять на использование реболлинговых BGA. Были измерены размеры реболлинговых шариков и значения Cpk указывают на высокое соответствие как в диаметре шариков, так и в высоте. Как заявлено, образование пустот может быть основной проблемой у реболлинговых компонентов. Однако,  данное исследование показало, что это не так. На снимках поперечного сечения избыточный рост слоя IMC не наблюдается. Кроме этого, сила паяных соединений не ухудшилась, что было доказано данными теста на сдвиг. После установки BGA компонентов на печатные платы, все устройства прошли ESS тест, а также ICT и функциональные тесты. Все эти результаты показывают, что реболлинговые компоненты показывают адекватную надежность и могут быть рекомендованы в качестве решения для процесса монтажа смешанных систем.

ССЫЛКИ

1.      Song, F., and Lee, S.W., “Reliability Assessment on the Re-balling of PBGA from SnPb to Pb-Free Solder Spheres”, Electronics System Integration Technology Conference, Dresden, Germany, 2006.

2.      Horsley, R.M., Ekere, N.N. and Salam, B., “Effect of lead-free BGA Rework on Joint Microstructure and Intermetallic Compound Formation.” Electronic Components and Technology Conference, San Diego, CA, 2002.

3.      Chatterji, I., “Backward Compatibility, Are We Ready - A Case Study.” SMTA International Conference, Chicago, IL, 2006.

4.      Coyle, R., Read, P., and Kummerl, S., “A Comprehensive Analysis of the Thermal Fatigue Reliability of SnPb and Pb Free Plastic Ball Grid Arrays (PBGA) Using Backward and Forward Compatible Assembly Processes.” SMTA Journal, Vol. 21, Issue 4, 2008.

5.      Beair, W., and Vuono, W., “Lead Free to SnPb BGA Reballing Process and Reliability”, SMTA International Conference, Orlando, FL, 2008

6.      Nie, L, Osterman, M., and Pecht, M., “Copper Pad Dissolution and Microstructure Analysis of Reworked Plastic Grid Array Packages in Lead-free and mixed Assemblies.” SMTA Journal, Vol. 22, Issue 2, 2009.

7.      Ahmad, M., Liu, K.C., Ramakrishna, G. and Xue, J., “Impact of Backwards Compatible Assembly on BGA Thermo-mechanical Reliability and Mechanical Shock, Pre-and Post-Aging.” SMTA International Conference, Orlando, FL, 2008

 

Рис. 10. ESS профиль тестирования.

Назад