Чтоб вам пусто не было

Современные электронные устройства становятся все сложнее и миниатюрнее. На этом фоне усложняются как промышленные технологии, так и вопросы обеспечения надежности изделий. В данном контексте одна из основных проблем производства электроники — наличие скрытых дефектов.

Высокую опасность представляют такие из них, как пустоты в паяных соединениях. Эти микроскопические полости могут привести к серьезным последствиям, причем возникают они незаметно и определяются только с помощью специального оборудования.

Даже небольшая пустота кратно сокращает срок службы изделия, а потому устранение этого явления становится ключевым этапом борьбы за качество.

Понятие и внешний вид пустот

Пустоты в паяных соединениях возникают из-за того, что газообразные продукты различной природы не успевают покинуть паяное соединение прежде, чем припой перейдет из жидкого состояния в твердое. Особенно часто это явление наблюдается при пайке микросхем в корпусах BGA, поскольку в этом случае к паяльной пасте добавляется большой объем припоя, который одновременно служит шариковым выводом микросхемы.

Идеальная картина, которую хотел бы видеть любой инженер-технолог, приведена на рис. 1, где видно, что паяные соединения без пустот на рентгеновском снимке выглядят однородными

Рис. 1. 

Хорошим результатом считается незначительное присутствие пустот в паяных соединениях (рис. 2).

Рис. 2.

 
Рис. 3.

     "Объемные пустоты являются наибольшей проблемой при работе платы на сверхвысоких частотах. Межфазные пустоты негативно влияют на прочность паяного соединения и отвод тепла"

    На рис. 3 показано большое количество пустот, которые образовались при пайке микросхемы BGA. Если при проверке плат выявляется похожая картина, следует выяснить причины образования множества пустот и попытаться их устранить. Наличие пустот приводит к следующим негативным последствиям:

·        снижение механической прочности паяного соединения;

·        проблемы с отводом тепла, что особенно актуально для силовых элементов платы;

·        большие потери при прохождении сигнала (актуально для СВЧ-плат).

Классификация пустот

Актуальная редакция стандарта IPC-7095 от 2024 года определяет общую классификацию по месту возникновения пустот (табл. 1).

Таблица 1. Классификация пустот по месту возникновения

Стандарт предлагает и более подробную классификацию пустот, но обычно при изучении вопроса их возникновения рассматривают только объемные и межфазные пустоты. Объемные пустоты имеют больший размер по сравнению с межфазными и, как следует из названия, располагаются внутри объема паяного соединения. Именно первые становятся наибольшей проблемой при работе платы на сверхвысоких частотах. Межфазные пустоты негативно влияют на прочность паяного соединения и отвод тепла.

В этом же стандарте описаны различные способы подсчета допустимого уровня пустот: по площади или по объему паяного соединения. В версии IPC-7095 от 2024 года есть несколько критериев приемки в зависимости от шага выводов микросхем BGA и от этапа проверки. В таблице 2 приведена упрощенная универсальная классификация для значений шага выводов 1,0; 1,27 и 1,5 мм:

Таблица 2. Упрощенная универсальная классификация для значений шага выводов 1,0; 1,27 и 1,5 мм

Таблица 3. Классификация для значений шага выводов 0,5; 0,65 и 0,8 мм

На снимке (рис. 4) приведены оба вида пустот. Красными стрелками отмечены более крупные объемные пустоты, желтыми — межфазные пустоты, которые имеют меньшие размеры и сконцентрированы на границе раздела сред между шариковым выводом и контактной площадкой платы. Для достоверного определения, является пустота межфазной или объемной, необходим анализ паяного соединения под разными углами.

 
Рис. 4. 

Как правило, на практике мало кто из производителей электроники ведет раздельный подсчет объемных (тип A) и межфазных (тип C) пустот. В худшем случае их не считают, в лучшем — вводят в стандарты предприятия универсальные нормы пустот.

      "Может показаться парадоксальным, но существенная толщина покрытия не позволяет пустотам прикрепиться к какой-либо поверхности, поэтому они легче покидают паяное соединение по сравнению, например, с гальваническими или OSP-покрытиями"

В некоторых случаях пустоты могут возникать на поверхности застывшего шарика припоя — это так называемые усадочные раковины. Отдельную категорию представляют пустоты, которым международными стандартами дано название «пузырьки шампанского». Они характерны для плат с органическим покрытием (OSP) и с покрытием контактных площадок иммерсионным серебром (рис. 5).

 
Рис. 5.

Причины возникновения пустот

Пустоты в паяных соединениях BGA образуются из-за множества причин. Наиболее частая и актуальная для отечественной радиоэлектронной промышленности — применение разных типов сплавов. Почти все микросхемы BGA иностранного производства имеют бессвинцовые выводы, в то время как на российских предприятиях по-прежнему высока доля оловянно-свинцовых паяльных паст. Разность в температурах плавления этих сплавов приводит к образованию неоднородных участков в паяном соединении, которые после застывания припоя превращаются в пустоты.

Финишное покрытие и особенно его толщина тоже влияют на образование пустот. Исследования показывают, что пустоты легко покидают паяное соединение, если они не прикреплены к проводникам печатной платы или к выводам компонентов. Поэтому наилучшие результаты с точки зрения минимизации пустот показывает классическое финишное покрытие — горячее лужение (Гор.ПОС, HAL, HASL). Это может показаться парадоксальным, но существенная (до нескольких десятков микрон) толщина покрытия не позволяет пустотам прикрепиться к какой-либо поверхности, поэтому они легче покидают паяное соединение по сравнению, например, с гальваническими или OSP-покрытиями.

Среди многих причин образования пустот можно выделить основные:

·        Недостаточная температура при оплавлении паяльной пасты.

·        Недостаточное время нахождения платы при температуре выше ликвидуса (то есть выше точки, при которой сплав переходит в жидкую фазу).

·        Испарение воды из паяльной пасты и (или) из печатной платы.

·        Выделение органических веществ из отложений серебра (дефект «пузырьки шампанского»).

·        Загрязнение контактных площадок.

·        Некачественный флюс, который не выполняет задачу по очистке контактных поверхностей.

·        Наличие оксидной пленки на поверхности расплавленного припоя.

·        Малый размер зерна паяльной пасты и повышенное содержание флюса в ней.

·        Слишком быстрое охлаждение припоя.

   "Для борьбы с оксидной пленкой эффективным методом является пайка в нейтральной среде с последующим вакуумированием. Нейтральная среда не дает сформироваться оксидной пленке на поверхности расплавленного припоя, благодаря чему пустоты легче «прорываются» наружу, а вакуум вытягивает даже мельчайшие пустоты из паяных соединений"

Как бороться с пустотами?

Значительно минимизировать количество пустот можно, если привести сплав паяльной пасты и сплав шариковых выводов к одному составу. Для этого нужно либо использовать бессвинцовую паяльную пасту, либо заменить бессвинцовые шарики BGA на шарики из сплава олово-свинец.

Второй способ решения проблемы получил название «реболлинг» (англ. Reballing — «повторная накатка шариков»). Суть метода заключается в том, что шариковые выводы удаляют с подложки микросхемы, а на их место через трафарет устанавливают новые шарики из другого сплава. Затем они оплавляются, после чего микросхема готова к повторной пайке.

Более продвинутый вариант реболлинга предполагает подачу шариков на подложку через сопло в инертной среде (азот) с локальной приваркой лазером. Тем самым исключается лишний цикл нагрева корпуса микросхемы. Практика поставки технологии реболлинга уже опробована специалистами «Диполь» на нескольких (в том числе крупных контрактных) производствах.

В России к реболлингу прибегают производители изделий с повышенными показателями надежности, так как паяные соединения на основе сплава олово-свинец являются более качественными по сравнению с бессвинцовыми.

Для борьбы с оксидной пленкой одним из самых эффективных методов считается пайка в нейтральной среде с последующим вакуумированием. К примеру, некоторые конвекционные печи поддерживают подключение азотной магистрали, а в парофазных печах пайка выполняется в среде нейтрального пара, при этом до охлаждения припоя плата на несколько секунд помещается в вакуумную камеру. Нейтральная среда не дает сформироваться оксидной пленке на поверхности расплавленного припоя, благодаря чему пустоты легче «прорываются» наружу, а вакуум вытягивает даже мельчайшие пустоты из паяных соединений.

На рис. 6 и 7 приведены два рентгеновских снимка. На рис. 6 показана пайка в обычной конвекционной печи (то есть в атмосфере, содержащей кислород), на рис. 7 — пайка в конвекционной печи с модулем подачи азота.

Рис. 6.

Рис. 7.

    Как видно из снимков, даже в первом случае уровень пустот был приемлемым, но с добавлением азота от них удалось избавиться полностью.

Однако конвекционные печи с модулем подачи азота или установки парофазной пайки встречаются довольно редко. Что делать, если предприятие оборудовано только обычной конвекционной печью? На помощь придет способ, связанный с увеличением времени пайки.

Компания «Диполь» имеет опыт термопрофилирования печи на предприятии заказчика: первоначальный термопрофиль укладывался в технологическое окно паяльной пасты, но при этом паяные соединения BGA содержали небольшое количество пустот (рис. 8, 9).

Рис. 8. Графики демонстрирует температуру, измеренную в различных точках платы. Горизонтальной красной чертой (верхняя часть графика) показана температура плавления сплава паяльной пасты

 
Рис. 9.

    Затем термопрофиль был скорректирован в сторону увеличения времени выдержки и общего времени от начала процесса пайки до пиковой температуры. График по-прежнему укладывался в технологическое окно паяльной пасты, однако теперь у пустот было больше времени на то, чтобы «пробить» оксидную пленку и выйти за пределы паяного соединения (рис. 10, 11).

Рис. 10.

 
Рис. 11.

 Описанные методы борьбы с пустотами прежде всего относятся к выбору оптимальных режимов пайки. Но не стоит забывать и о качестве печатных плат, паяльных материалов и электронных компонентов. Корректировка профиля оплавления в приведенном выше случае была эффективна с конкретной маркой паяльной пасты. Но с другим типом флюса такая же эффективность не гарантирована.

Заключение

Пустоты в паяных соединениях микросхем BGA могут доставить много проблем разработчикам и производителям электроники. Они недоступны традиционным методам контроля, однако внедрение рентгеновской инспекции на предприятии позволяет своевременно обнаружить пустоты, предпринять корректирующие действия и избежать больших финансовых потерь, связанных с выпуском некачественной продукции. Профилактика экономичней лечения, поэтому тщательный входной контроль и работа с проверенными поставщиками помогут избавиться от многих дефектов еще на ранней стадии.

Справка:

В качестве примера системы рентгеновского контроля, эффективно выявляющей описанные дефекты, можно привести решение серии X-eye SF160 (2D- и 3D-система микрокомпьютерной томографии).