«Эффект попкорна» и методы его предотвращения

«Эффект попкорна» - это дефект, возникающий при резком нагреве микросхемы с пластиковым корпусом, в которой содержится некоторое количество влаги. При увеличении температуры эта влага испаряется, а образовавшийся пар быстро расширяется, что приводит к возникновению механических напряжений.

Когда эти напряжения становятся выше, чем силы межфазной адгезии и вязкость разрушения формовочного состава, то это приводит к образованию дефекта внутреннего расслоения компонента. «Эффект попкорна» проводит к проблемам долгосрочной надежности из-за того, что дефекты являются местами скоплений ионных примесей, а также могут стать причинами механических разрушений. Также этот эффект приводит к разрушению контактов между микросхемой и печатной платой, что приводит к потере ее функциональности.

Механизмы возникновения «эффекта попкорна»

Эпоксидный материал, которым заполнена микросхема, хорошо впитывает влагу, которая может накапливаться внутри микросхемы. Количество накопленной влаги зависит от времени хранения, водопроницаемости компаунда, размеров корпуса микросхемы и относительной влажности воздуха. Во время плавления микросхемы нагреваются до 230 °С, что значительно превышает температуру превращения в стекло большинства компаундов (обычно это 140-160 °С). Напряжения в корпусе микросхемы начинают возникать при нагреве до температур плавления и имеют несколько механизмов возникновения:

  • быстрое испарение, которое приводит к излишне высокому давлению пара;
  • несовпадение коэффициентов теплового расширения (КТР) различных материалов, входящих в состав микросхемы, вызывают термические напряжения при повышенных температурах;
  • уменьшение адгезивной силы между компаундом и выводной рамкой при температурах близких к температуре плавления;
  • уменьшение вязкости разрушения при температурах близких к температурам превращения в стекло;
  • расширение компаунда после поглощения влаги; также, согласно экспериментальным данным, компаунды, поглотившие влагу, испытывают термальное напряжение на 20% большее, чем сухие.

Испаряющаяся жидкость повышает давление водяного пара в пустотах, образовывающихся из-за расслоения. Если гидротермальные напряжения превышают силу адгезии и вязкость разрушения компаунда, то эти напряжения вызывают рост расслоения и образование трещин. Трещины обычно возникают в углах корпуса, распространяясь через компаунд вдоль направления наибольшего напряжения.

Факторы, влияющие на возникновение «эффекта попкорна»

Существует три основных фактора, которые влияют на возможность возникновения «эффекта попкрона»:

  1. Материал, из которого состоит микросхема. Расслоение и трещины с наибольшей вероятностью возникают в тех микросхемах, при изготовлении которых были использованы материалы с большей разницей КТР. Поверхности с наибольшей разницей коэффициентов обычно расслаиваются первыми. Чаще всего, это происходит на границе кристалл-компаунд в микросхемах, где выводная рамка выполнена из материала с низким КТР, а также на границе подложка-пластик в микросхемах с высоким КТР выводной рамки. Оптимальным является случай, при котором КТР компаунда лежит в области между КТР кристалла и выводной рамки, что минимизирует возникающие термальные напряжения. В идеале компаунд должен иметь низкую влагопроницаемость, высокую прочность при повышенных температурах, высокую температуру превращения в стекло, отличную адгезию.
  2. Геометрия корпуса. Более тонкие микросхемы более подвержены возникновению трещин из-за того, что в этом случае способность компаунда сопротивляться термическим напряжениям снижается. Чем больше отношение площади выводной рамки к минимальной толщине компаунда, тем больше шанс возникновения трещин. Однако, как можно легко догадаться, всё вышеперечисленное зависит только от производителя микросхем, при закупке которых изготовителями электронных изделий на эти факторы обращается не так много внимания.
  3. Параметры процесса пайки. Вероятность образования дефекта увеличивается с повышением температуры во время процесса групповой пайки. Увеличение температуры уменьшает прочность компаунда, а также увеличивает напряжения, возникающие из-за разницы КТР различных материалов, и давление пара. Однако в этом случае выбор максимальной температуры диктуется не возможным образованием дефектов, а желанием получить качественное паяное соединение. На различные процессы, связанные с влагой сильно влияет термопрофиль — так, например, при различных материалах может использоваться нагрев от 2 до 10 °С в секунду. Параметры нагрева влияют на десорбцию влаги из микросхемы, давление водяного пара и силу возникающих напряжений.

По материалам с портала http://naukarus.com. Еще статьи по теме монтажа и изготовления печатных плат:

Написать ответ

Your email address will not be published. Required fields are marked *