Разрушения в паяных соединениях BGA-корпусов

Дефекты сборки могут значительно сокращать время надежной работы, уменьшать выход годных или приводить к преждевременным отказам в процессе эксплуатации. В статье описываются обрывы цепи в паяных соединениях корпусов интегральных схем для поверхностного монтажа с матрицей шариковых выводов (BGA) из бессвинцового припоя.

Введение

Обрывы некоторых паяных соединений в BGA-компоненте обнаруживаются после выполнения нетипичной второй операции пайки расплавлением припоя. Металлографический анализ поперечного сечения показывает, что связаны они с хрупким разрушением этих соединений на границе раздела со стороны корпуса. Механизм разрушения рассматривается с учетом воздействия механического напряжения, создаваемого при деформации компонента и платы и собственного механического напряжения паяного соединения при приближении к температурам плавления и отверждения.

В электронной промышленности продолжаются работы по выявлению потенциальных рисков снижения надежности и ухудшения характеристик, связанных с переходом к разработке и изготовлению изделий без применения свинца. Это особенно важно при комплексной разработке изделий, к которым предъявляются требования повышенной надежности и длительного срока службы. Непрерывная интеграция узлов печатных плат (PCBA) с использованием более сложных корпусов, меньшего числа паяных соединений, уменьшенного шага выводов и сложных компонентов, установленных на обеих сторонах PCBA, усугубляет проблему выхода годных. Одна из главных проблем — появление дефектов пайки при высоких температурах сборки из-за использования бессвинцового припоя.

В середине 90-х гг. были опубликованы отчеты о хрупких разрушениях паяных соединений при поверхностном монтаже после выполнения второй операции пайки. В одном варианте используется вторая операция пайки волной припоя, в другом — операция пайки методом расплавления припоя при поверхностном монтаже. Поскольку хрупкие разрушения паяных соединений на границе раздела появляются при выполнении второй операции пайки расплавлением припоя, то они были названы разрушениями при двукратном расплавлении припоя (double reflow).

В этой статье приведены описания перемежающихся электрических отказов, связанных с хрупкими разрушениями на границе раздела BGA-корпуса при двух циклах пайки расплавлением припоя без свинца. Дефектный BGA-корпус имеет шаг выводов 1,27 мм, сторону квадратной матрицы шариковых выводов — 31 мм и шариковые выводы SAC305 (Sn3.0Ag0.5Cu). Из-за конструктивных ограничений необходимо выполнять сборку некоторых BGA-компонентов в первом цикле пайки расплавлением припоя. Из-за наличия нескольких модулей дочерних плат для поверхностного монтажа на стороне платы без BGA пайка выполняется сначала на стороне печатного узла с BGA. Это ограничение приводит к необходимости размещения BGA-компонентов на нижней стороне платы при выполнении второй операции пайки расплавлением припоя. Металлографический анализ поперечного сечения с применением оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии позволяет понять причины разрушений.

Дефекты сборки трудно обнаружить, и очень важно анализировать и проверять качество и надежность узлов печатных плат перед отгрузкой продукции.

Заключение

На основе всестороннего анализа отказов (перемежающихся электрических отказов типа обрыва цепи, связанных с использованием бессвинцового припоя) сложного узла печатной платы, были сделаны следующие выводы:

  • основной причиной перемежающихся отказов типа обрыва цепи являются хрупкие разрушения паяного соединения на границе раздела между никель-оловянным интерметаллическим соединением и объемом припоя на стороне корпуса паяного соединения. Разрушения паяного соединения могут быть обнаружены при разрушающем анализе поперечного сечения;
  • разрушения в пластиковом BGA-корпусе с бессвинцовым припоем (PBGA), выводы в котором расположены по периметру, возникают после выполнения второго цикла пайки расплавлением припоя. Характеристика отказа связана с механизмом появления дефекта при двукратном расплавлении припоя. В статье приведен подробный анализ механизма появления дефекта в узле с бессвинцовым припоем;
  • наиболее вероятный сценарий для описания последовательности отказов основан на том, что разрушения паяных соединений возникают непосредственно перед расплавлением припоя при второй операции пайки расплавлением припоя. В этом случае прочность паяного соединения минимальна перед плавлением, а хрупкие
    разрушения паяного соединения вызваны рассогласованием коэффициентов теплового расширения и деформацией паяного соединения. Механическое напряжение также зависит от температурных градиентов на BGA-корпусе в процессе нагревания;
  • чтобы исключить хрупкие разрушения, предлагается внести изменения в процесс изготовления узлов — подвергать сторону с BGA-компонентами одному циклу пайки расплавлением припоя.

Целиком статья опубликована в журнале Производство электроники, №6, 2013 г.

Еще книга и статьи по теме монтажа печатных плат и BGA-компонентов:

Написать ответ

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