«Само-снижение рисков» формирования оловянных перемычек в поверхностно монтируемых компонентах

Анализ материалов образцов

Композиция припоя всех монтируемых образцов (Образец 1, образец 2 и МСМ) был проверен с использованием и рентгеновской флуоресценции (XRF) для всех паяных выводов, и с помощью дисперсионной спектроскопии сканирующего электронного микроскопа (SEM-EDS) для выбранных паяных выводов, которые были приготовлены путем установки и поперечного сечения (деструктивный физический анализ). В целом два вывода были проанализированы на каждом компоненте, от одного до трех локаций для одного вывода. Если компонент имел намотку вокруг вывода, измерения могли быть проведены только на верхней части вывода, но если компонент имел выводы типа “J”, были измерены три локации. Эти факторы дали результаты в большом количестве данных по каждому компоненту и множественных повторениях по компоненту на образцах.
 
Данные, полученные при анализах XRF и SEM-EDS, попадают в точность измерений для двух методик на поверхностных локациях. Данные XRF обычно брались на трех локациях на сформированных выводах на выходе из корпуса детали, сразу перед коленом “J”-типа выводов, и на ноге пайки во всех остальных случаях. Данные SEM-EDS брались на поперечных сечениях, не на верхних видах, как это было в XRF. Данные SEM-EDS были взяты рядом с поверхностью припоя (наиболее сравнимые с измерениями XRF), на средней точке, представляющей массу припоя и затем рядом с соединением между припоем и материалом подложки. Такой план локаций образцов имеет преимущество по скорости измерений и не-деструктивной природе XRF, тогда как есть и преимущество относительно маленьких размеров точек измерений SEM-EDS для того, чтобы уточнить глубину проникновения вывода в чисто оловянное паяное окончание.

A.    XRF количественный анализ данных для Образцов 1 и 2.

Данные измерений XRF для образца платы 2 показаны на Рис.7.

Цветовая кодировка на Рис.7 показывает белый – для само-снижения, розовый для не снижения, голубой для физически невозможных измерений, которые были исключены из анализа, и зеленый для локаций, где компонент не присутствовал. Синий цвет обычно возникал на локациях на «колене», то есть изгибе вывода, и данные XRF обычно не действительны на поверхности, параллельной направлению рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи должны попадать на плоскую поверхность перпендикулярно для стандартной функции рентгеновского детектора в анализе материалов. Синий цвет в приведенных данных обычно присутствует на втором из трех рядов данных для детали, что коррелирует с вертикальной частью зоны вывода.
Однако, несколько локаций с физически невозможными составами были исключены, так как невозможно получить 41.8 Wt % олова, когда изначально деталь 100 Wt% олова, а паяльная паста была 67 Wt% олова. Это указывает на локации, где выравнивание луча на площадку отсутствовало, возможно из-за нарушений в системе установки компонентов.

Цветовая кодировка:
Зеленый – компонент отсутствует
Розовый – Олово Wt% > 97.0
Белый – само-снижение, Олово Wt% < 97.0
Синий – измерение недействительно

1.    XRF количественный анализ данных для MCM

Данные XRF по МСМ показаны на Рис.8. Цветовая кодировка на Рис.8 показывает белый для само-снижения, розовый для не снижения, голубой для физически невозможных измерений, которые были исключены из анализа, бежевый для локаций, где паяные соединения были вручную переделаны согласно с измерениями XRF.

2.    SEM-EDS количественный анализ данных для Образца 2.

SEM/EDS (энерго-дисперсионная рентгеновская спектроскопия) анализ нескольких выбранных выводов компонентов был проведен с помощью оборудования SEM JSM (JEOL)-6460 с детектором IncaPentaFETx3 и программным анализатором. Количественный анализ данных был доведен до точности, используя стандартные материалы 97wt%Sn-3wt%Pb, выпускаемые Matrix Metrologies, что можно видеть на Рис.9. Процедура теста соответствовала Требованиям 9 MIL-STD-1580.

Рис. 9: SEM-EDS данные для 97 Wt% стандартного олова.

Рис. 10: Типичные для чип-компонента паяные выводы с высотой (H) и верхней поверхностью (T2).

Объяснение результатов

Результаты по снижению рисков для комбинированного олова по образцам плат 1 и 2 показаны в Таблице 2. Желтым выделены типы деталей, которые не проявили само-снижения, хотя применение «правила половины высоты» предсказывало потенциальное само-снижение. В рядах с желтым выделением горизонтальная длина вывода была больше, чем 0,035 дюйма. Некоторые из измерений размеров корпуса не указаны в спецификациях производителя, и они были получены прямо от корпусов деталей. Расчет измерений для каждого вывода и типа корпуса обеспечен дополнительным разделом в измерениях образцов 1 и 2.

Анализ образца МСМ показал само-снижение для относительно маленьких чип-резисторов, и отсутствие само-снижения для значительно больших по размеру паяных окончаний чип-конденсаторов (Таблица 1 и Рис. 10). Результаты по МСМ, приведенные в Таблице 1 и включенные в диаграмму разброса данных на Рис.11, в целом согласуются с результатами в Таблице 2, которые так же отражены в диаграмме на Рис.11, и соответствуют предполагаемым правилам по прогнозированию само-снижения риска образования оловянных перемычек.

Объяснение диаграммы разброса данных

Диаграмма разброса данных по вертикальному и горизонтальному измерениям по статусу само-снижения риска образования оловянных перемычек, приведенным в Таблицах 1 и 2, представляет собой графическое отображение результатов, что показано на Рис.11. Точки данных над и справа от красной линии на Рис.11 соответствуют тестовым образцам, которым не удалось проявить само-снижение, с паяными окончаниями, которые содержат менее, чем 3 wt% свинца. Точки данных ниже и слева от зеленой линии соответствуют условиями само-снижения.

Предлагаемые правила для прогнозирования само-снижения риска образования оловянных перемычек

1.    Горизонтальный компонент длины вывода должен быть менее 0,035 дюйма от кончика вывода на паяльной площадке до выхода вывода из корпуса.

2.    Комбинированные измерения высоты и длины должны быть менее 0,045 дюйма.

Заключение

В настоящее время процессы снижения риска образования оловянных перемычек имеют серьезные недостатки, включая добавочную стоимость процессов, увеличивающиеся затраты на переделку (удаление конформных покрытий), добавочные процессы контроля (проверка низкого напряжения в оловянных поверхностях) и риск повреждения компонентов (стирание, перепокрытие и погружение в припой). При определенных условиях пайка при поверхностном монтаже с легкоплавким оловянно-свинцовым припоем может дать в результате плавление покрытых чисто оловянных выводов компонента, покрытых минимум 3 wt% свинцом и без добавочных затрат. Мы назвали этот эффект «само-снижение риска», несмотря на то, что это не совсем правильно, так как наличие 3 wt% свинца – это не настоящее снижение; это эффективно убирает риск увеличения образования оловянных перемычек.

Рис. 11: Диаграмма разброса данных показывает отношение размеров выводов к статусу снижения.

Легенда Таблицы 2:
PSM – прогнозируемое само-снижение
Design Status: Да – само-снижение;
Нет – отсутствие само-снижения;
н/д – не доступно
** - Не определено
 

Таблица 2: Общие результаты по Образцам плат 1 и 2.

Предложенные правила относятся в наибольшей мере к геометрии паяного вывода компонента, показывая способность к само-снижению риска образования оловянных перемычек при стандартном для сегодняшней индустрии дизайне и производственных условиях, используя три образца, разнообразных по характеристикам, включая общий размер, толщину платы, присутствие или отсутствие панелей заземления и плотность размещения компонентов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность следующим персонам: Aryn Hernandez, Richard Ho, Nicholas AdelchaНетw, William VuoНет, Jonathan Kanner, Bill Rollins, Daniel Barry, Ron Mathis, Mark Stibitz, John Stephens, Joe Whitaker, и Ricardo Rodriguez.

Ссылки

1, George E, Pecht M,, "Tin Whisker Analysis of an Automobile Engine Control Unit," Micro-Electronic Reliability, (2013),

2,    Dave Pinsky, "Tin Whisker Risk Mitigation at a Large Defense OEM—Past, Present, and Future," Нетvember 12, 2013, IPC 7th International Symposium on Tin Whiskers,

3,    Craig Hillman, Gregg Kittlesen, and Randy Schueller, DfR Solutions, A New (Better) Approach to Tin Whisker Mitigation,

4,    L, Panashchenko, "The Art of Appreciating Metal Whiskers: A Practical Guide for Electronics Professionals", IPC Tin Whisker Symposium, Dallas, TX, April 2012,

5,    Michael Osterman, Mitigation Strategies for Tin Whiskers, 28 August 2002

6,    GEIA-STD-0005-2, Standard for Mitigating the Effects of Tin Whiskers in Aerospace and High Performance Electronic Systems, Rev, A, Draft, 5 January2011.

7,    JEDEC Standard JESD213, Standard Test Method Utilizing X-Ray Fluorescence (XRF) for Analyzing Component Finishes and Solder Alloys to Determine Tin (Sn) – Lead (Pb) Content, March 2010.

8. MIL-STD 1580B, Change 2, Dated 15November 2010, Requirement 9: Detailed Requirements for Prohibited Materials Analysis of External Package Plating Materials (and/or Incoming Inspection of External Package Plating Materials) Using X-Ray Fluorescence (XRF), and Prohibited Materials Analysis of Internal Package Materials Using Energy Dispersive Spectroscopy (EDS).
9. John Stephens, SAS, TAS, EWS, “Sn Whiskers and Mitigation Techniques,” Goleta CA, 18 June, 2008.

10. Email correspondence between David Pinsky (Raytheon), and David Hillman (Rockwell Collins), dated 11 April 2013

12. Masanobu Tsujimoto, “Study of Tin Whisker Inhibiting Systems Controlling Copper Substrate Roughness Controlling the Tin Deposit Crystal Structure,” 12 November 2013,7th IPC Symposium on Tin Whiskers.

12. David M. Lee and Lesly A. Pinol, Ph.D., “Effects of Tin and Copper Nano-texturization on Tin Whisker Formation.”

13. Sony Matthew, Weiqiang Wang, Michael Osterman, and Michael Pecht, “Assessment of Solder Dipping as a Tin Whisker Mitigation Strategy,” IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Vol. 1, No. 6, June 2011.

Томас Хестер (Thomas Hester) – главный многопрофильный инженер, инженерия компонентов, Hardware Engineering Center, Space and Airborne Systems, в компании Raytheon.

Дэвид Пински (David Pinsky) – инженер компании Raytheon