Влияние состава припоя, поверхностного покрытия печатных плат и объема паяного соединения на надежность при ударной нагрузке. Часть 4.

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 |

График Распределения Вейбулла нарушений LGA при падени

Распределения Вейбулла для жизни устройств LGA в тесте на падение для пяти сплавов на двух поверхностных покрытиях ПП показаны на Рис.16. Соединения LGA со сплавом SAC305 показывают наилучшие результаты на Cu-OSP поверхностном покрытии ПП. Однако на иммерсионном серебре соединения LGA со сплавами SN99CN и SN100C показывают лучшие результаты в тесте на падение

Рис.17 сравнивает характерное время жизни при падении соединений LGA для пяти сплавов припоя на двух поверхностных покрытиях из данных Вейбулла с Рис.16. С заметным исключением сплава SAC305, жизнь при падении соединений LGA на ImmAg дольше, чем у соединений LGA на Cu-OSP. Наблюдаемые типы нарушений дают некоторое понимание этого поведения.

Рис.16. График распределения Вейбулла нарушений соединений LGA при падении для пяти сплавов припоя на (а) Cu-OSP поверхностном покрытии ПП и (б) ImmAg поверхностном покрытии ПП.

Рис.17. Характерное время жизни при падении соединений LGA для пяти сплавов и двух поверхностных покрытий ПП. Сплавы приведены в порядке уменьшения содержания серебра.

Типы нарушений LGA 

Типы нарушений, наблюдаемые в паяных соединениях LGA при различном относительном характерном времени жизни при падении, приведены в Таблице 4. Для соединений LGA на покрытии Cu-OSP все нарушения при падении оказались нарушениями тела припоя (см. пример на Рис.18). Этот тип нарушения не наблюдался в более больших по объему BGA паяных соединениях ни в одном сплаве. Для соединений LGA на покрытии ImmAg, наблюдались все нарушения: нарушения IMC, смешанные нарушения IMC/припоя, трещины площадок и нарушения тела припоя. Выборочные изображения каждого из них показаны на Рис.19.

Рис. 18: Выборочное изображение повреждения тела припоя LGA соединений на Cu-OSP поверхностном покрытии ПП.

Рис. 19: Типы нарушений LGA на ImmAg поверхностном покрытии ПП: (a) нарушение тела припоя, SN100C, позднее (b) нарушение IMC, SAC305, раннее (c) смешанное нарушение IMC/припоя, SAC105, ранее (d) трещина площадки, SAC305, позднее.

Было замечено, что во всех нарушенных LGA соединениях на поверхностном покрытии ImmAg трещины были в покрытии ПП под площадкой. Частичное растрескивание площадки всегда случается вне зависимости от дорожки трещины, создающей конечное нарушение межсоединения. Эти соревнующиеся трещины рассеивают дополнительную энергию шока падения и могут в некоторых случаях служить для пролонгирования времени жизни при падении для LGA относительно BGA. Для LGA соединений, поврежденных через тело припоя (в первую очередь на OSP), большее содержание серебра в припое коррелировало с лучшими результатами при падении для сплавов на основе SnAgCu, предположительно из-за увеличенной силы припоя (см. Рис.20а).

Влияние объема паяного соединения: BGA vs. LGA

На Рис.20 сравнивается характерное время жизни при падении LGA и BGA паяных соединений для каждого покрытия платы. Никаких очевидных тенденций во влиянии типа соединения и сплава припоя не заметно, хотя для некоторых из данных сплавов относительная результативность этих конфигураций соединений в основном воспроизводится через два используемых поверхностных покрытия. SN99CN и SN100C показали лучше результат в формате LGA, тогда как SAC305 и SAC-M оказались лучше в формате BGA. SAC105 показал лучшие результаты при меньшем объеме LGA соединений на покрытии Cu-OSP, но оказался нечувствительным к объему паяных соединений на покрытии иммерсионным серебром.

Рис.20. Сравнение характерного времени жизни между BGA и LGA на (a) Cu-OSP PCB поверхностном покрытии и (b) ImAg PCB поверхностном покрытии.

Таблица 4: Типы нарушений LGA256 при падении.

Выводы и заключения

Пять бессвинцовых припоев на двух поверхностных покрытиях ПП были оценены на надежность в тесте на падение с двумя различными объемами паяного соединения (LGA и BGA). Были выполнены несколько экспериментальных наблюдений с использованием специально разработанной тестовой печатной платы для провоцирования нарушений паяных соединений при падении (например, плата с площадками с паяльной маской).

Тестирование с повторяющимся шоком падения приводит к возникновению четырех основных типов нарушений межсоединений: нарушение тела припоя, нарушение межслойного IMC, смешанное нарушение IMC/припоя и образование лунок/трещин в площадке. Различные тенденции по типам нарушений наблюдались для LGA и BGA соединений. Поверхностное покрытие платы также играет роль в определении типа нарушения. На поверхностном покрытии Cu-OSP со сплавом SAC305 BGA соединения показали по большей части образование лунок/трещин в площадке, тогда как соединения BGA других сплавов в основном показывали смешанные нарушения IMC/припоя. На поверхностном покрытии ImmAg результаты были прямо обратными: BGA соединения SAC305 показали смешанные нарушения IMC/припоя, тогда как другие сплавы по большей части создавали трещины площадки.

 LGA соединения на поверхностном покрытии Cu-OSP производили в основном нарушения тела припоя. Однако на покрытии ImmAg, LGA соединения производили примеры всех четырех типов нарушений, причем сплавы с более низким содержанием серебра имели тенденцию к большему нарушению тела припоя. Для соединений BGA на ImmAg сплавы с более низким содержанием серебра были больше склонны к образованию трещин площадки. В целом на покрытии ImmAg превалировало образование трещин площадки.

Из пяти протестированных бессвинцовых сплавов припоя, наилучшие результаты показал SAC305 или близко к тому для всех экспериментальных условий (покрытие платы и объем паяного соединения). SN99CN в целом занял второе место по результата теста на падение, очень близко к нему оказался SN100C. Учитывая интегральное вовлечение материала покрытия в процесс теста на падение, эти наблюдения и выводы должны учитываться только применимо к материалу покрытия и использованному дизайну площадки. Если более прочное покрытие будет подавлять механизм образования трещин площадки, то будут наблюдаться больше повреждений припоя и межслойного покрытия, возможно изменится и все относительные результаты этих сплавов.

Благодарности

Данное исследование было проведено благодаря интересу компаний-участников Консорциума AREA на базе Universal Instruments Corporation. Авторы выражают огромную благодарность консорциуму, выделившему средства на проведение этого исследования.

Ссылки

1. Farris, A., et al, “Impact Reliability of Edge- Bonded Lead-Free Chip Scale Packages,” Microelectronics Reliability, Vol. 49, Issue 7, 2009.

2. Karppinen, J., et al, “Shock impact reliability characterization of a handheld product in accelerated tests and use environment,” Microelectronics Reliability, Vol. 52, Issue 1, 2012.

3. Suh, Daewoong, et al, “Effects of Ag content on fracture resistance of Sn–Ag–Cu leadfree solders under high-strain rate conditions,” Mater Sci Eng A, Vol. 460–461, 2007.

4. Mattila, T.T. and Kivilahti, J.K., “Failure Mechanisms of Lead-Free Chip Scale Package Interconnections under Fast Mechanical Loading,” Journal of Electronic Materials, Vol. 34, Issue 7, 2005.

5. Syed, A., et al, “Alloying effect of Ni, Co, and Sb in SAC solder for improved drop performance of chip scale packages with Cu OSP pad finish,” Proc. Electronic Components and Technology Conference, 2006.

6. Roggeman, B., “Comparison of Drop Reliability of SAC105 and SAC305 on OSP and ENIG Pads,” Unovis Area Array Consortium, 2007.

7. Mattila, T.T., et al, “The Reliability of Microalloyed Sn-Ag-Cu Solder Interconnections under Cyclic Thermal and Mechanical Shock Loading,” Journal of Electronic Materials, Vol. 43, Issue 11, 2014.

 8. Zhou, T. and Fan, X., “Effect of System Design and Test Conditions on Wafer Level Package Drop Test Reliability,” SMTA International Proceedings, 2013.

9. Luan, J., et al, “Dynamic responses and solder joint reliability under board level drop test,” Microelectronics Reliability, 2007.

10. An, T. and Qin, F., “Effects of the intermetallic compound microstructure on the tensile behavior of Sn3.0Ag0.5Cu/Cu solder joint under various strain rates,” Microelectronics Reliability, 2014.

11. JEDEC solid state technology association, “Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products,” 2003.

12. Lall, P., et al, “Transient Dynamics Model and 3D-DIC Analysis of New-Candidate for JEDEC JESD22-B111 Test Board,” Proc. Electronic Components and Technology Conference, 2014.

13. Liu, F., et al, “Experimental and numerical analysis of BGA lead-free solder joint reliability under board-level drop impact,” Microelectronics Reliability, 2008.

14. Joshi, Gaurang, Arfaei, Babak, “Effect of Solder Alloy on Drop Test Performance of LGAs and BGAs,” AREA Consortium Report, 2014.

Данное исследование было проведено под покровительством консорциума Advanced Research in Electronics Assembly (AREA). Данный отраслевой консорциум был создан корпорацией Universal Instruments Corporation в ранние годы поверхностного монтажа для работы с проблемами производства и надежности с помощью тщательных научных исследований. Используя уникальную операционную модель данное исследование выполнено в лаборатории Universal process laboratory профессиональными исследователями. Исследование имеет производственный масштаб инструментария электронного монтажа, полный набор аналитических возможностей и надежное тестовое оборудование, управляемое профессиональным штатом. AREA консорциум продолжает оставаться актуальным и релевантным за счет активного вклада его многочисленных компаний – участников. Поэтому он всегда открыт к новым членам с новыми задачами монтажа и вопросами надежности. Для дополнительной информации связывайтесь с Денисом Барбини (Denis Barbini) barbini@uic.com.

 

Источник: SMTA International, 2016.

Назад