Przyczyny powstawania defektu Head-in-Pillow (część 2)

Pierwsza część artykułu ukazała się w dniu wczorajszym Proces reflow Większość przypadków defektu head-in-pillow jest powodowana w procesie reflow, w którym niezwykle ważny jest odpowiedni balans: dobry profil to w istocie kompromis pomiędzy zbyt niską oraz zbyt wysoką temperaturą. W czasie procesu reflow, możliwe jest wystąpienie odkształceń jednej ze stron komponentu, przeciwległych stron komponentu (efekty ‘Pringle effect’ lub ‘potato chip’) lub nawet wszystkich jego rogów czy części środkowej. Z tego też powodu, szczególnego znaczenia nabiera analiza rekomendacji producenta komponentu, dotyczących maksymalnych limitów temperatury. Problem ten został nagłośniony dopiero wówczas, kiedy niektórzy producenci elektroniki stwierdzili spadek defektów HIP po zmianie pasty lutowniczej na wymagającą niższej temperatury szczytowej: po ponownym przejrzeniu specyfikacji produktowych stwierdzono, iż stosowali oni zbyt wysoką temperaturę przez wiele lat! Zwyczajowo profil procesu reflow jest ustalany w sposób zapewniający maksymalną wytrzymałość na rozciąganie. Jednakże, w celu kontroli zjawiska HIP należałoby zmodyfikować te założenia. Poza odpornością na rozciąganie, drugorzędnymi priorytetami powinny stać się odpowiednie nawilżanie, trwałość połączenia pomiędzy metalami, jednorodność połączenia oraz mała, zwarta struktura kryształowa (Rysunek 4). Wszystkie te cele mogą być osiągnięte poprzez odpowiednie zarządzanie procesem reflow. Rysunek 4: Przekrój dużej struktury kryształowej. Istnieją cztery etapy procesu reflow, które mogą zostać zoptymalizowane celem redukcji efektu HIP. Są to etap podgrzewania, etap time above liquidus (TAL), temperatura szczytowa oraz etap schłodzenia. Każdy z tych etapów ma inny wpływ na końcowe połączenie elementów i każdy z nich jest ważny. Podgrzewanie jest pierwszym etapem procesu reflow i odgrywa istotną rolę w formowaniu się połączeń między metalami. Podgrzewanie, od temperatury pokojowej do szczytowej, powinno być obserwowane z kilku powodów. Tempo podgrzewania wpływa na rozprzestrzenianie się oraz ulatnianie się topnika, wpływa również na procesy oksydacji. Wolne tempo umożliwia łagodniejsze parowanie. Utrzymuje również topnik tam, gdzie został zaaplikowany, co redukuje jego rozprzestrzenianie się oraz uniemożliwia gwałtowne parowanie. Wolne tempo podgrzewania umożliwia również pełne ulotnienie się rozpuszczalników z topnika oraz utrzymuje przyrost temperatury ΔT płytki poniżej 10°C. Jednak z drugiej strony, zwiększony czas ma szkodliwy wpływ na inne ważne aspekty procesu, takie jak oksydacja komponentów oraz płytki, wywiera również niekorzystny wpływ na sam stop lutowniczy. Zanikanie topnika w efekcie dłuższego procesu reflow to inny czynnik powodujący występowanie zjawiska HIP. Niepełne zespolenie lub tzw ‘graping’ (Rysunek 5), jest innym ubocznym skutkiem zbyt intensywnego parowania topnika podczas procesu reflow. ‘Graping’ występuje wówczas, gdy zewnętrzna warstwa kulek stopu lutowniczego traci swoją warstwę ochronną wytworzoną z topnika i nie zespala się całkowicie z wewnętrznymi frakcjami lutowia. Zjawisko to powoduje wytworzenie się nieregularnej powierzchni, podobnej do kiści winogron. W dalszej konsekwencji, w przypadkach kiedy topnik jest poddany zbyt intensywnemu parowaniu, komponenty BGA czy CSP mają tendencję do wytworzenia defektu HIP. Rysunek 5: Przekrój przez powierzchnię z wytworzonym zjawiskiem ‘graping’ (akceptowalny poziom). Przekroje połączeń z efektem ‘graping’ wskazują, iż nawilżenie, warstwy międzymetaliczne oraz odporność na rozciąganie nie odbiegają de facto od normalności, a połączenie elektryczne jest zachowane. Sugeruje to, iż zjawisko grapingu występuje jedynie na powierzchni lutu. Jednakże producenci elektroniki powinni zapobiegać powstawaniu zjawiska ‘graping’, ponieważ inspektorzy jakości często uważają nienormalny wygląd połączenia za tożsamy z zimnym lub wadliwym lutem. Również systemy inspekcji wizyjnej rozpoznają to zjawisko jako defekt. Odkształcanie się Jednym z kluczowym czynników jest również tzw. integralność komponentu, co w szczególności dotyczy komponentów BGA. Główne zagrożenie, związane z integralnością komponentu i wpływające na powstawanie efektu HIP, to odkształcanie się komponentu w procesie reflow. Jeśli komponent zacznie odkształcać się w trakcie lutowania, jego zewnętrzna część odseparowuje się od pasty lutowniczej i nie łączy się z wewnętrzną częścią lutowia. Czynnikami wpływającymi na skłonność komponentu do odkształcania się są sam jego projekt, użyte materiały i właśnie stopień jego wewnętrznej integralności. Zalecane jest przeprowadzenie wewnętrznych testów weryfikacyjnych przed wprowadzeniem nowego komponentu do procesu produkcyjnego. Etapy Time-above-liquidus (TAL) oraz temperatury szczytowej mają podobny wpływ na prawdopodobieństwo powstawania HIP. Należy wyobrazić sobie etapy TAL oraz temperatury szczytowej jako łączny zasób dostarczanego ciepła; można wybrać pomiędzy dłuższym TAL i niższą temperaturą szczytową oraz krótszym TAL i wyższym maksimum. Łącznie oba etapy odgrywają najważniejszą rolę w procesie reflow: to właśnie ciepło jest odpowiedzialne za uformowanie trwałej międzymetalicznej struktury i homogeniczność połączenia, jak również za odpowiednią deaktywację topnika. Jednakże, jego nadmiar jest odpowiedzialny za wypaczanie się komponentów BGA i CSP, co prowadzi do utworzenia formacji head-in-pillow. Etap chłodzenia to ostatnia czynność na drodze do uzyskania właściwej jakości lutu. Tempo schładzania wpływa na uformowanie się sieci krystalicznej metalu. Im sieć krystaliczna jest mniejsza, ciaśniejsza i bardziej upakowana, tym silniejsze jest połączenie. Im dłuższe, większe i rzadsze są ścianki struktury kryształu, tym łatwiej ulegają one rozszczepieniu. Problemy związane z używanymi materiałami Problemy związane z użytymi materiałami to problemy wynikające z dokonanego wyboru pasty i topnika. Można tu wymienić między innymi słabą efektywność nakładania pasty w standardowych aperturach, niewystarczającą zdolność topnika do nawilżania, niskie bariery antyoksydacyjne czy niską aktywność materiałów. Kluczem do pokonania efektu HIP jest możliwość zetknięcia i pozostania w kontakcie powierzchni komponentów i lutowia. Jeśli pasta charakteryzuje się niską efektywnością transferu, nie można być pewnym wytworzenie się kontaktu pomiędzy powierzchnią elementu oraz pastą lutowniczą. Również niewielka powierzchnia depozytu może spowodować określone przeszkody, co ma miejsce zwłaszcza w przypadku zastosowania szablonów, które nie są polerowane elektrycznie, ani nie zostały wytworzone metodą elektroformingu. Drugą częścią układanki jest właściwe działanie topnika. Topnik działa na trzy sposoby: aktywuje powierzchnię, wytwarza barierę antyoksydacyjną oraz dodaje lepkości. Wysoki stopień aktywacji jest pożądany w każdym przypadku. Odpowiedzialna jest za to aktywna część topnika, usuwająca warstwę oksydacyjną z lutowia i pozostałych powierzchni. Bariery antyoksydacyjne, takie jak wysoka zawartość kalafonii, są również pożądane, jako iż chronią stop przed utworzeniem się nowych tlenków i umożliwiają lepszą aktywację powierzchni komponentu. Co więcej, topnik zwykle dodaje lepkości, co w dużym stopniu pomaga zapobiegać defektowi HIP. Jeśli pasta pozostaje lepka, a komponent ulegnie wypaczeniu, pasta rozszerzy się zapewniając kontinuum, co w dalszej konsekwencji umożliwi uformowanie jednolitej masy lutowia i komponentu w procesie reflow. Istnieją również ‘sztuczne’ sposoby dodawania bariery antyoksydacyjnej oraz zwiększenia aktywacji, takie jak prowadzenie procesu reflow w atmosferze azotu czy zanurzanie w topniku/paście. Proces reflow w atmosferze azotu zapobiega formowaniu się dodatkowych tlenków, jednak nie usuwa tlenków i wodorotlenków już uformowanych na powierzchni komponentu. Zanurzanie w topniku czy paście jest interesującą opcją, dzięki której akcja aktywacyjna jest aplikowana bezpośrednio na komponent. Oczywiście, sam dobór odpowiedniej pasty lutowniczej do procesu może być właściwym rozwiązaniem, przezwyciężającym opisywane problemy, występujące na etapie dostaw czy procesu. Testowanie materiału Obecnie dostępne są nowe procedury testów umożliwiające dobór pasty odpornej na występowanie efektu HIP. Nowatorska metoda obserwowanie wprowadzonej kulki lutowia do roztopionej pasty lutowniczej zasługuje na dalszą analizę. Wygląda na to, iż pasta lutownicza wykazuje lepsze zachowanie się przy zastosowaniu topnika z odpowiednio mocną barierą antyoksydacyjną (Rysunek 6). Jak pokazały najnowsze testy, pasty lutownicze wykazujące dobre wyniki pełnego zespolenia kulki lutowia z roztopioną pastą mimo upływu określonego czasu, wykazują również dużą zdolność do eliminacji defektu head-in-pillow. Rysunek 6a: Zespolenie kulki lutowia i roztopionej pasty po 30, 60 oraz 90 sekundach (słaba bariera antyoksydacyjna). Rysunek 6b: Zespolenie kulki lutowia i roztopionej pasty po 30, 60 oraz 90 sekundach (doskonała bariera antyoksydacyjna). Innym użytecznym testem jest test lepkości, stanowiący próbę określenia ciągliwości materiału. Owa ciągliwość może być określona przez odległość, na jaką pasta może zostać rozciągnięta, zanim ulegnie przerwaniu. Jest to ważna cecha, ponieważ większa ciągliwość umożliwia utrzymanie połączenia z depozytem pasty nawet w przypadku wypaczenia się elementu. Takie zachowanie zapewnia utrzymanie fizycznego i elektrycznego kontaktu w czasie roztapiania masy. Kontakt jest niezbędny dla utrzymania połączenia pomiędzy PWB oraz kulkami cyny; jeśli te dwie powierzchnie nigdy się nie rozdzielą, nie ma możliwości wytworzenia się efektu HIP. Authorem artykułu jest: Mario Scalzo (Senior Technical Support Engineer, Indium Corporation, CSMTPE, Six-Sigma Black Belt). Artykuł został zamieszczony dzięki uprzejmości firmy Indium.