Влияние состава припоя, поверхностного покрытия печатных плат и объема паяного соединения на надежность при ударной нагрузке. Часть 3.

автор Джим Вилкокс (Jim Wilcox), Ph.D. и Френсис Мутуку (Francis Mutuku), UNIVERSAL INSTRUMENTS CORP.; и Шуай Шао (Shuai Shao) и Бабак Арфай (Babak Arfaei), Ph.D., BINGHAMTON UNIVERSITY |

Чувствительность места установки

Механические колебания (выравнивание стоек, размеры втулки и т.д.) среди монтажных крепежей четырех плат на столе могут придать позиционную зависимость в шоковом импульсе.

Магнитуда этих колебаний (и соответственно позиционная ошибка эксперимента) измеряется путем измерения деформации изгиба платы во время шоковых событий на каждой крепежной позиции. Четыре инструментальные платы установлены как показано на Рис.8.

Рис. 8: Измерения деформации платы (максимальная основная деформация, в микродеформации) при установке на стол.

Индивидуальные платы с отслеживанием деформации обозначены как A, B, C, и D. После одного падения с платами в первоначальной позиции, показанной на левом рисунке, платы проворачиваются по часовой стрелке на следующую установочную позицию. Например, плата А сдвигается с Северо-запада на Северо-восток. Плата А к тому же поворачивается на 90° так, что ориентация тензометрического датчика будет по прежнему радиальной, исходящей от центра стола. Таким же образом поворачиваются и три остальные платы на свои новые позиции. Итоговые измерения деформации от успешных падений приведены на Рис.8 для каждого из четырех уникальных положений платы. Отслеживание любой из данных плат во всех четырех различных позициях обнаруживает экспериментальное изменение деформации. Позиционное колебание превышает колебания индивидуальной тестовой платы на порядок величины с позиции Северо-запад, последовательно производящей максимальную деформацию (на 6% выше общего значения). Индивидуальные тестовые платы согласуются в пределах 1% относительно общего значения.

Результаты и Обсуждения

График распределения Вейбулла нарушений при падении BGA

Рис.9 показывает распределение Вейбулла по нарушениям в зависимости от сплава припоя для нарушений при падении у (а) плат с Cu-OSP поверхностным покрытием и (б) плат с поверхностным покрытием ImmAg. Указанная длительность падения – это данные для первого поврежденного угла на каждой тестовой плате. Сплав SAC105 был ограничен до восьми образцов из-за отбраковки при сборке.

SAC305 показал наилучшие результаты при обоих поверхностных покрытиях платы. Отмечая вариативность в продолжительности падения (например, низкие факторы формы Вейбулла, β), другие сплавы можно считать показали более низкие, но в целом сходные результаты по падению. В этом эксперименте сплав SAC-M с поверхностным покрытием Cu-OSP повреждался с значительно более низкой вариативностью, чем в все другие экспериментальные ячейки (β = 8.5).

Рис.9. График распределения Вейбулла соединений BGA для пяти сплавов на (a) Cu-OSP поверхностном покрытии ПП (b) ImmAg поверхностном покрытии ПП.

Рис.10 сравнивает характерное время жизни при падении соединений BGA среди пяти сплавов припоя между двумя поверхностными покрытиями ПП. Влияние содержания серебра в сплаве оказалось сходным у обоих покрытий с наибольшим содержанием серебра (3%, SAC305), что показывает, что отличная эффективность и продолжительность падения обычно снижается со снижением содержания серебра в сплаве. Компоненты BGA на ImmAg поверхностном покрытии ПП одинаково показали слегка лучшую надежность, чем такие же с Cu-OSP покрытием.

Рис.10. Сравнение характерного времени жизни при падении для BGA256 компонентов между двумя поверхностными покрытиями для пяти сплавов припоя, приведенных в порядке уменьшения содержания Ag.

Рис.12 показывает другое соединение с похожей трещиной в покрытии, начинающейся от внешней стороны соединения и идущей под площадкой. Она еще не прошла сквозь соединение, чтобы создать электрическое нарушение. Второй наблюдаемый тип нарушения BGA: комбинация нарушения IMC/припоя. Полная сквозная трещина видна, проходящая в припой, также, как и вдоль межслойного IMC. Так как эта трещина IMC/припоя полностью пересекает соединение, направление продолжения трещины не очевидно только из этого рисунка.

Рис.12. Тип нарушения BGA: повреждение IMC/припоя.

Анализ микроструктуры и нарушений соединений BGA

Микроструктурный анализ проводился для всех сплавов как для только спаянных (перед падением), так и после нарушений при повторяющемся падении. Устройства были разрезаны поперечно вдоль корпуса по диагонали платы таким образом, что дрожки двух каналов ввода на угловой площадке оказались видимыми на любой стороне разрезанного соединения. Металлографические секции приготовлены в обычной манере: последовательная шлифовка с использованием 80, 200, 800, 1200, 2000 и 4000 абразивной SiC бумаги, после чего финальная полировка с 3μm м 1μm алмазным компаундом и 0.05μm Al2O3.

Типы нарушений BGA

Нарушения припоя определялись во время повторяющегося падения с использованием детектора события для захвата отклонений электрического сопротивления выше порогового значения. Нарушение признавалось, когда наблюдались три таких события в течении пяти идущих подряд падений. Тест на падение каждого устройства останавливался после того, как его первое нарушение было подтверждено. В 95% образцов первым нарушалось угловое соединение. Металлографические образцы ориентированы таким образом, что нарушенное угловое соединение видно на правой стороне поперечного сечения, компонент на верхней стороне рисунка, а схема платы внизу. Противоположное угловое соединение (еще не поврежденное) тогда будет видимо на левой стороне поперечного сечения.

Рис.11 показывает репрезентативное изображение одного из наблюдаемых типов нарушений при падении: образование лунок на площадке под площадкой BGA. На Рис.11а видно полное пересечение трещиной с одной стороны соединения до другой стороны в структуре покрытия ПП под площадкой. Есть еще и более короткая трещина, видимая слева, внутри слоя IMC. Внутренняя сторона и внешняя сторона, обозначенные на Рис.11а, относятся, соответственно, к стороне ближайшей к центру корпуса и стороне в стороне от угла корпуса. Трещина в слое IMC начинается от внутренней стороны углового соединения (Рис. 11b), тогда как трещина в покрытии ПП начинается от внешней стороны углового соединения. Изображение SEM на Рис.11с показывает соединительную трещину между двумя треснутыми дорожками, создавая электрическое повреждение.

Рис.11. Тип нарушения образование лунок на площадке: (a) полный вид BGA, (b) часть трещины IMC, (c) SEM изображение той же части, показывающее трещину в покрытии ПП.

Характерное стартовое положение для этого типа нарушения, однако, может быть определено из симметричного противоположного углового соединения, где процесс нарушения еще не завершен. Это соединение показано на Рис.13. Здесь внешняя сторона будет слева от соединения. Это соединение еще не нарушилось и ни одна из видимых трещин не завершена. Опять же трещина в покрытии заметна, начиная от внешней стороны углового соединения и продолжается под площадку. Есть также трещина, продолжающаяся вдоль межслойного паяного соединения IMC, сходная с той, что заметна на противоположном угловом соединении. Эта трещина IMC еще не полная и поэтому может быть легко видима, начинающаяся от правой (внутренней) стороны соединения (детально показано на Рис. 13b). Увеличенное изображение левой стороны на Рис. 13с подтверждает, что процесс образования трещин IMC/припоя еще не завершен.

Рис.13. Трещины в еще не нарушенном угловом соединении BGA (a) общее поперечное сечение, (b) зона высокой магнитуды слева (c) зона высокой магнитуды справа.

Из этого анализа мы видим, что два различных механизма образования трещин конкурируют в создании нарушений межсоединения в компонентах BGA256. Эти альтернативные пути трещин, схематически показанные для углового соединения на Рис.14, вырастают из колеблющегося изгиба платы после первичного воздействия.

Рис.14. Иллюстрация соревнования длин трещин в угловых паяных соединениях BGA из-за циклических колебаний после падения. Стрессы из-за (а) изгиба платы вниз при первичном воздействии падения, (б) изгиб платы вверх при отскоке.

Изгиб платы от первичного воздействия падения накладывает растягивающую нагрузку на «внешнюю» сторону соединения у основания площадки BGA, провоцируя и распространяя трещину в покрытие. Прогиб доски от отскока затем накладывает импульс растяжения на «внутреннюю» сторону площадки BGA и компрессию на внешнюю сторону. Величина второго импульса обязательно меньше, чем нагрузка от первичного воздействия. Величина изгиба от отскока уменьшается от погашения удара. Более того, плата не может изогнуться в сторону от плоскости корпуса на внешнюю сторону с такой готовностью, как она может на внешнюю сторону, потому что внутренняя сторона платы усилена соседними паяными соединениями, установленными на корпус вверху. Однако, нельзя утверждать, что внешняя трещина всегда предпочтительно ведет к нарушению. Различные уровни плотности разрушений встречаются вдоль пути двух трещин, так как различные длины этих путей требуются, чтобы создать повреждение. В зависимости от сплава припоя и особенностей межслойной плотности, может победить как трещина припоя/IMC, так и трещина покрытия под площадкой, которые пересекают межсоединение и создают электрический разрыв.

Для определенных комбинаций сплав/покрытие образование трещин в площадке оказывается относительно распространенным типом нарушения. Для этих случаев трещина в покрытии показана в диагональном поперечном сечении на Рис.11-13, продолжающаяся до встречи с другой противоположной трещиной в покрытии с другого направления.

Если посмотреть на сечение со стороны плоскости платы (Z-сечение), этот тип нарушения характеризуется круговой трещиной, продолжающейся в плоскость площадки BGA от периметра открытия паяльной маски до того, пока центральная лунка в покрытии отделяется от площадки. Пример этого показан на Рис.15.

Рис.15. Сечение в направлении Z поврежденного углового соединения с трещиной площадки.

Все случаи трещин площадки, которые создают электрические нарушения, вели себя именно так с такими круговыми трещинами через площадку BGA. Нарушений через входные медные дорожки не наблюдалось. Этот тип круговых трещин площадки ведет к тому, что два входных канала оказываются одновременно разомкнутыми (Рис.3), та же особенность нарушения, что и нарушения IMC/припоя. Следовательно, детектор события может обнаружить нарушение, но не может идентифицировать точно тип нарушения, как предполагалось. Все нарушения должны быть подвергнуты поперечному сечению, чтобы определить тип нарушения.

Полученные типы нарушений корпусов BGA256 в 900G тесте на падение приведены в Таблице 3 для всех тестируемых сплавов припоя. Для каждой комбинации сплав/покрытие типы нарушений были приведены в трех различных местах по распределению уровня нарушений: раннее нарушение, нарушение характерного времени жизни (N63) и позднее нарушение. Случаи раннего и позднего нарушений проявлялись на образцах, которые нарушились за самое короткое и самое длинное время жизни при падении, соответственно. Для N63 были взяты образцы, которые нарушились наиболее близко к характерному времени жизни распределения Вейбулла. Из Таблицы 3 можно видеть, что большее количество нарушений по типу трещины площадки произошло для соединений BGA с ImmAg поверхностным покрытием ПП, чем у образцов с Cu-OSP покрытием. В целом комбинированные нарушения IMC/припоя имеют тенденцию создавать более короткое время жизни при падении, чем трещины площадки. Интересно отметить, что случай самой низкой вариабельности (SAC-M на Cu-OSP) создал только нарушения IMC/припоя.

Таблица 3. Типы нарушений BGA256 при падении.

Источник: SMTA International, 2016.

Назад