Влияние состава припоя, поверхностного покрытия печатных плат и объема паяного соединения на надежность при ударной нагрузке. Часть 1.

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 |

Резюме.

Было проведено испытание на ударную нагрузку (падение) печатных плат, смонтированных с несколькими различными бессвинцовыми сплавами припоя, включая SAC305 (Sn3.0Ag0.5Cu). Тестируемые составы припоя варьировались по содержанию Ag от 0 до 3% от веса.

Были также включены сплавы с различными вторичными элементами сплавов. Все платы, тестируемые на ударную нагрузку, были смонтированы таким образом, что состав паяльной пасты совпадал со сплавом припоя шариков BGA, чтобы создать однородные паяные соединения известного состава. Была использована альтернативная тестовая плата (не стандарт JEDEC) для оценки результатов этого теста. Тестовая плата содержит размещенные в центре CABGA 256 корпусов (17*17 мм корпус, 1 мм шаг). Плата была разработана с площадками с паяльной маской, чтобы минимизировать возникновение таких видов нарушений площадок, как образование лунок в материале покрытия. Тестовые корпуса паялись на плату с использованием либо BGA, либо LGA межсоединений для изучения влияния объема паяного соединения. Было проведено прямое сравнение по результатам теста на падение между тестовыми платами с двумя общими поверхностными покрытиями печатной платы: OSP и иммерсионное Ag.

Все образцы подвергались повторной ударной нагрузки до тех пор, пока не происходило электрическое нарушение. Нарушения при тестировании характеризовались усилением мониторинга и измерениями датчиком силы на смонтированных тестовых платах. Был выполнен анализ микроструктуры паяного соединения на поврежденных деталях для установки типа нарушения. Самое распространённое нарушение оказалось нарушение паяного соединения либо в теле припоя, либо трещины вдоль межповерхностного межметаллического соединения на площадке платы. По используемым материалам покрытия печатных плат было выяснено, что SAC305 паяные соединения создают наилучший результат сплава по тесту на падение как в BGA, так и в LGA форматах соединения.

Введение

Надежность паяных соединений бессвинцовых припоев при ударной нагрузке является постоянной проблемой в мобильной и карманной потребительской электронике. Изменение состава припоя может дать возможность улучшить надежность паяных соединений. Сплавы с низким содержанием Ag, такие как SAC105, например, имеют лучшие показатели в тесте на падение, чем сплавы с высоким содержанием Ag, такие как SAC3051-5. Некоторые исследования предполагают, что это происходит из-за того, что тип нарушений меняется с нарушений в теле припоя (низкое содержание серебра) на появление трещин в межповерхностном межметалле (высокое содержание серебра)1-5. Другие относят это к доминирующему типу нарушений в виде образования лунок на площадке для SAC105 на Cu-OSP, тогда как для SAC305 на Cu-OSP нарушения поверхностного покрытия ПП происходило из-за переломов Cu6Sn5 межметаллического соединения (IMC)6.

Маттила4 объясняет, что трещины IMC возникают, когда увеличенный предел сдвига припоя при высоком уровне нагрузке ограничивает согласование нагрузки, обеспеченное пластичной деформацией в припое во время удара. Таким образом, хрупкие межметаллические слои нарушаются из-за увеличенной концентрации стресса. Нарушение тела припоя с другой стороны происходит, когда сила сдвига припоя ниже, обычно в случае со сплавами с низким содержанием серебра. Большая пластичная деформация в припое уменьшает общий стресс в соединении и ведет к пластической деформации тела припоя. Другие исследователи считают, что ответ на силу сдвига припоев SnAgCu может варьироваться от уровня ускорения падения, увеличиваясь с более высокими нагрузками от большего ускорения падения3,7.

«Обычно, печатные платы более гибкие, чем компоненты, установленные на них».

Напряжение растяжения играет важную роль в нарушениях в паяном соединении во время теста на ударную нагрузку8,9. Учитывая то, что лабораторные тестируемые устройства зачастую падают стороной компонентов вниз с жестко зафиксированными углами платы, то внешние паяные соединения будут под напряжением, когда плата изгибается вниз под первичным воздействием. Это напряжение растяжения вызывает дальнейшее распространение любой трещины, возникшей в углу паяных соединений или под покрытием. Соединения в других местах могут быть повреждены подобным образом, но соединения на внешних углах имеют саму высокую вероятность возникновения первого нарушения.

Тест на растяжение для тела паяных соединений был проведен при различных уровнях нагрузки и времени старения Луаном и другими9. Были обнаружены три типа нарушений тела припоя: хрупкое повреждение, пластическая деформация и смешанный тип нарушения. Эти предоставленные данные показывают, что более высокий уровень нагрузки приводит к статистические большему количеству хрупких нарушений в межповерхностном межметаллическом соединении. Более длительное время старения приводит к более толстому слою IMC и большему количеству хрупких нарушений.

Сплавы припоя с добавлением различных элементов могут привести к совершенно иному поведению в тесте на ударную нагрузку. Влияние микродобавок в сплав на механизм нарушения не так очевидно. Например, эффект на нарушения от добавления 0.1% Bi при высоком уровне нагрузки зависел от базового сплава10. Для сплавов с низким содержанием серебра (Ag<1%), Bi улучшал показатели по тесту на падение и растяжению шариков, тогда как такое же добавление Bi снижало оба показателя у сплава SAC305 с более высоким содержанием серебра.

Недавно была предложена новая разработка платы в качестве замены для JEDEC JESD22-B111 тестовой платы для теста на ударную нагрузку11. Изменения разработки были в первую очередь вызваны беспокойством, что существующая конфигурация JESD22-B111 не обеспечивает одинаковое распределение нагрузки для всех компонентов во время падения, хотя некоторые компоненты установлены на плату симметрично11. Некоторые из новых разработок включают один компонент на плату12, четыре компонента на плату, установленные симметрично12 или восемь компонентов, установленные симметрично относительно центра на круглой тестовой плате13. Еще одним преимуществом новых разработок является то, что они обычно имеют размер платы близкий к тем, которые используются в портативных устройствах, что может помочь обеспечить более реалистичную оценку надежности12.

Общим недостатком многих моделей надежности межсоединений является пренебрежение изменениями типов нарушений. Это делает общую ценность этих моделей сомнительной, так как различные механизмы нарушений, возникающие в результате теста на падение, не легко сопоставить. Этот проект планирует изучить поведение нарушений нескольких сплавов припоя в тесте на падение. Каждый сплав используется для монтажа LGA и BGA компонентов либо на плату с Cu-OSP поверхностным покрытием, либо на плату с поверхностным покрытием иммерсионным серебром. Используемая тестовая плата – одна из заново разработанных из предыдущих тестов на падение, чтобы повлиять на первичные типы нарушений. Уровни нарушений в тесте на падение занесены в распределение Вейбулла для сравнения. Характеристики типов нарушений для каждой комбинации сплава/покрытия платы приводятся.

Подготовка эксперимента

Монтаж тестовой платы

Для данного исследования использовалась обновленная разработка тестовой платы вместо используемой ранее стандартной JEDEC тестовой платы для теста на падение. В мульти компонентной JEDEC плате, разработанной для теста на падение, распределение стресса, испытываемого во время падения, не идентично для всех компонентов, что усложняет анализ и интерпретацию результатов теста. Наша тестовая плата выполнена из 6-слойного 370HR материала размером 77*77 мм. На платы применялось либо Cu- OSP поверхностное покрытие, либо поверхностное покрытие иммерсионным серебром.

Тестовый компонент BGA256 был размером 17*17 мм. Схема BGA – полная решетка с площадками с паяльной маской с шагом 1,0 мм. Поверхностное покрытие компонента – электролитический NiAu. Он установлена на тестовую плату в конфигурации или BGA, или LGA (только паяльная паста).

Были оценены пять сплавов припоя в порядке уменьшения содержания серебра - SAC305, SN99CN, SAC105, SAC-M, и SN100C. Составы сплавов припоя приведены в Таблице 1. Для образцов, оцениваемых в BGA формате, процесс прикрепления шариков компонента был выполнен лаборатории the Universal Instruments SMT laboratory, используя сферы 16 mil (400 μm). Процесс печати паяльной пасты использовался для последующего монтажа шариковых компонентов на тестовую плату с использованием паст с составом, соответствующим сплаву устанавливаемых шариков. Все сборки паялись в азотной среде с пиковой температурой 239°C. LGA компоненты устанавливались с использованием аналогичного процесса поверхностного монтажа «только-паста». Шестнадцать образцов для каждой комбинации сплава припоя (пять), поверхностного покрытия (два) и конфигурации соединения (два) потребовали монтажа 320 тестовых плат. Пятнадцать плат подвергались падению для каждой экспериментальной ячейки, оставшаяся плата предназначена для первичной инспекции микроструктуры.

 

Источник: SMTA International, 2016 

Таблица 1. Составы сплавов припоя.

Назад