reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
Przemysł elektroniczny | 17 czerwca 2009

Przyczyny powstawania defektu Head-in-Pillow

Artykuł analizuje przyczyny powstawania często występującego defektu lutowania Head-in-Pillow, powstające na różnych etapach procesu produkcji elektronicznej.
Skrót
Występowanie błędu nazywanego ‘head-in-pillow’ stało znacznie częstsze od czasu wprowadzenia bezołowiowej technologii lutowania. ‘Head-in-pillow’ to w rzeczywistości niekompletne nawilżenie połączenia komponentów Ball-Grid Array (BGA), Chip-Scale Package (CSP) czy Package-On-Package (PoP), które można opisać jako anomalię procesu, podczas której pasta lutownicza zostaje poddana procesowi rozpływania, lecz nie łączy się w jednolitą całość. Patrząc na przekrój tego typu wadliwego połączenia, wygląda ono jak głowa złożona na miękkiej poduszce (stąd nazwa ‘head-in-pillow’). Istnieją dwa zasadnicze źródła błędu Head-in-Pillow: niedostateczne nawilżenie lub wypaczenie płytki PWB czy komponentu. Złe nawilżenie z kolei może być spowodowane rozmaitymi przyczynami, takimi jak oksydacja lutowia, niewłaściwy profil temperaturowy procesu reflow czy niewłaściwe działanie topnika. Niniejszy materiał opisuje trzy zasadnicze sfery powstawania źródeł tego problemu, tj. problemy powstające na etapie dostaw, procesu lub wynikające z wadliwego doboru materiałów. Materiał omawia wymienione trzy źródła błędów i opisuje ich wpływ na prawdopodobieństwo powstania błędu Head-in-Pillow. Dodatkowo, zaprezentowano również oparty na praktycznych przypadkach plan eliminacji tego typu defektów.


Jak wygląda defekt head-in-pillow?

Defekt Head-in-Pillow (HIP) to niepełne połączenie pomiędzy komponentami Ball-Grid Array (BGA), Chip-Scale Package (CSP) czy Package-on-Package (PoP) oraz nadrukowaną wcześniej pastą lutowniczą. Z omówionych w dalszej części przyczyn, lutowie naniesione na płytkę PWB [printed wiring board, synonim PCB] oraz lutowalnych powierzchni komponentu nie tworzą jednolitej masy. Na pierwszy rzut oka, zjawisko to wygląda jakby pomiędzy powierzchniami lutowia utworzył się cienki film, uniemożliwiający pełne zlanie się masy. Rzeczywiście, w niektórych przypadkach jest to film, wytworzony w procesie oksydacji roztopionego lutowia. W innych jednak przypadkach, czasie etapu chłodzenia, zewnętrzna warstwa zostaje schłodzona w stopniu, który uniemożliwia pełne zespolenie się lutowia. W przekroju, zjawisko to wygląda jak głowa, złożona na miękkiej poduszce. (Rysunek1).


Rysunek 1: Przykład defektu Head-in-pillow (HIP).

Istnieją dwa zasadnicze przyczyny występowania defektu HIP: złe nawilżenie oraz wypaczenie komponentu. Natomiast pierwotne przyczyny występowania złego nawilżania lub wypaczania można omówić w podziale na trzy zasadnicze źródła: przyczyny powstałe na etapie dostaw, przyczyny powstałe na w samym procesie produkcyjnych oraz nieodpowiedni dobór materiałów.

Zagrożenia powstające na etapie dostaw

Zagrożenia powstające na etapie dostaw definiowane są jako problemy powstające zanim komponent BGA, CSP czy PoP zostanie dostarczony na linię produkcyjną celem montażu. Omawiana grupa problemów zawiera oksydację powierzchni występującą w procesie produkcji komponentu, sposób pakowania półprzewodników, a także problemy powstające na etapie wysyłki i przechowywania. Firma zajmująca się samą produkcją urządzenia nie jest w stanie w pełni kontrolować tych problemów, lecz powinien on zdawać sobie sprawę z możliwości ich występowania, co umożliwi mu podjęcie kroków zapobiegawczych i minimalizację problemu.

Inną potencjalną, aczkolwiek słabo poznaną, przyczyną powstawania HIP może być zjawisko segregacji srebra. Segregacja srebra polega na migracji cząstek zawierających srebro do zewnętrznej warstwy lutowia podczas procesu chłodzenia. Niektóre testy wskazują, iż zawartość srebra w zewnętrznej powłoce lutu może osiągać poziom 35%. Wysoka zawartość srebra na powierzchni lutu zmienia całą dynamikę nawilżania w procesie reflow. Segregacja srebra powoduje niewłaściwe roztapianie się powierzchni i złe nawilżenie zasadniczej, wewnętrznej części lutu. Źródło zjawiska segregacji srebra nie jest jeszcze dobrze poznane […].

Inną ważną przyczyną, występującą na etapie dostaw, jest oksydacja powierzchni komponentów. Jej źródła z kolei wynikają z odpowiedniego lub nie sposobu przechowywania komponentu, który powinien uwzględniać stopień jego podatności na wilgotność (Moisture Sensitivity Level, MSL), konieczność przechowywania w atmosferze gazów obojętnych (inert gas dry-box), a także odpowiedni sposób prowadzenia procesu wygrzewania czy czas przebywania komponentu na linii produkcyjnej. Atmosfera chemicznie obojętna oraz stopień wilgotności stanowią czynniki podlegające łatwej kontroli, umożliwiającej zapobieganie oksydacji czy hydroksyzacji komponentu. […]

Zagrożenia powstające na etapie procesu produkcji
Przyczyny powstawania HIP związane z procesem produkcyjnym można pogrupować według poszczególnych etapów produkcji. Można więc wydzielić przyczyny związane z nastawieniem sitodrukarki, ustawieniem maszyn kładących komponenty oraz ustawieniem procesu reflow.

Jeśli sitodrukarka nie jest ustawiona poprawnie, proces drukowania nie będzie efektywny. Problemy powstające na etapie druku, nie związane z samą pastą lutowniczą, to słaba powtarzalność procesu, niedokładne lub niewłaściwe ustawienie sitodrukarki oraz niewłaściwy projekt szablonu. Również niekorzystny układ samej płytki może spowodować słabą efektywność procesu. Niewłaściwe nastawienia sitodrukarki mogą być trudno rozpoznawalne w przypadku dużych czy standardowych elementów, jednakże kiedy depozyt pasty jest mniejszy niż 0.66, układ płytki staje się bardzo istotny. Kolejnym ważnym czynnikiem jest podparcie płytki oraz uszczelnienie szablonu z płytką. W szczególności ważne jest upewnienie się, czy nie istnieją przerwy pomiędzy szablonem i PWB. W niektórych przypadkach niezbędne jest zastosowanie dedykowanych suportów celem zapewnienia optymalnej powtarzalności i uszczelnienia apertur.

Projekt szablonu jest prawdopodobnie najważniejszym aspektem procesowym. Niewłaściwy projekt szablonu może prowadzić do niedostatecznego depozytu pasty, co w konsekwencji może uniemożliwić komponentowi styk z pastą lub uniemożliwić dostarczenie topnika w ilości wystarczającej do przełamania filmu oksydacyjnego. Współczynnik powierzchni oraz efektywność transferu pasty odgrywa tutaj ogromną rolę. Pomimo faktu, iż sam projekt szablonu może umożliwiać niewielki wzrost depozytu pasty, to jednak główne różnice wynikają z właściwości i doboru samej pasty. Poprzez wprowadzenie szczegółów dotyczących samego szablonu do systemu pomiaru nakładania pasty, system taki może obliczyć teoretyczną ilość pasty, jak powinna zostać w formie depozytu i jej stosunek do faktycznej wielkości depozytu.

Ważna jest również efektywność etapu samego nakładania pasty, którego niewłaściwe ustawienie może zaowocować zbyt małym depozytem pasty na padzie, a w konsekwencji przyczynić się do zbyt małego zwilżenia przez topnik i wystąpienia efektu HIP. Efektywność nakładania (Rysunek 2) jest wartością, którą jesteśmy w stanie zmierzyć w sposób statystyczny. Czynniki, które mogą wpłynąć na efektywność nakładania to typ szablonu, warunki atmosferyczne czy rodzaj pasty. Temperatura panująca w pomieszczeniu, a czasami również wilgotność, również wpływa na efektywność transferu pasty, jako że jej lepkość często spada wraz ze wzrostem temperatury. Również wilgotność może wpływać w podobny sposób na pasty, które mogą być zmywane wodą.


Rysunek 2: Efektywność transferu pasty w zależności od prędkości druku.

Mierzenie efektywności transferu może być odpowiednim narzędziem zapewnienia maksymalnego wykorzystania pasty, jednakże pomiar ten musi uwzględniać pewien stopień wariacji. To właśnie wariacja wielkości depozytu pasty bezpośrednio definiuje poziom błędów. Konsekwencją nadmiernej wariacji jest prawdopodobieństwo wystąpienia błędów ultra-fine pitch.

Ponieważ nie ma uniwersalnych odpowiedzi dla wszystkich typów aplikacji, należy indywidualnie analizować każdy proces nadruku. Tylko wówczas można zdefiniować dolne i górne granice efektywności transferu pasty. Każdy proces ma odmienny dolny limit tolerancji efektywności nakładania pasty, który musi zostać ustanowiony w drodze testów. Przykładowo, w celu zdefiniowania dopuszczalnej wariacji wysokości pasty, należy po pierwsze wyeliminować wpływ wszelkich innych czynników, występujących poza procesem drukowania. Innymi, częściej występującymi przyczynami wariacji tego parametru, są czynniki związane z podparciem płytki czy typem rakli. Zwiększając stopień kontroli na tymi kluczowymi parametrami procesu, minimalizuje się wariację wysokości depozytu pasty, a w konsekwencji minimalizuje się ryzyko wystąpienia defektów.


Rysunek 3: Diagram efektywności transferu pasty.

Druga część artykułu ukaże się w dniu jutrzejszym.



Authorem artykułu jest: Mario Scalzo (Senior Technical Support Engineer, Indium Corporation, CSMTPE, Six-Sigma Black Belt). Artykuł został zamieszczony dzięki uprzejmości firmy Indium.

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
June 15 2018 00:12 V9.6.1-2