Надежность паяных соединений: влияние оплавления в вакуумной среде на образование пустот и отказы из-за термической усталости.

Часть 1. Описание исследования

В статье приводится исследование эффективности процесса вакуумного оплавления для паяных соединений, который применяется для уменьшения образования дефектов пайки, например пустот. Полученный паяный узел исследуется на термическую усталость с помощью термоциклического нагружения и проводится оценка надежности паяных соединений.

Тестовые образцы представляют собой печатную плату с установленным на ней корпусом, который имеет выводы, расположенные в виде сетки на нижней стороне. Сначала образцы подверглись обычной пайке оплавлением с использованием паяльной пасты, которая создавала значительное количество пустот в паяных соединениях. Далее половина тестовых образцов была повторно оплавлена в вакуумной среде. После чего была проведена проверка паяных узлов с помощью просвечивающей
рентгеновской микроскопии, которая показала значительное снижение пустот. Далее образцы из обеих партий подвергли термическому испытанию с ускоренным циклированием температур.

В статье обсуждаются результаты данного испытания с точки зрения влияния пустот в пайке на надежность пайки при термической усталости. Кроме того, даны рекомендации по использованию других
методов уменьшения образования пустот и проверке надежности паяных соединений.

Введение

Зависимость надежности паяных соединений от пустот, которые образовываются в паяном узле, является предметом изучения и обсуждения уже в течение многих лет. Основная причина образования пустот в паяных соединениях понятна и задокументирована в многочисленных публикациях по этой теме [1–5]. Несмотря на это, для компонентов с выводами, расположенными в виде сетки на их нижней стороне, проверка надежности пайки и количественная оценка
образования пустот все еще довольно сложна.

Обзор пористости паяных соединений, проведенный в [3], является отправной точкой для обсуждения данного вопроса.

Таблица 1. Классификация пустот в паяных соединениях [3]

В таблице 1 приведено краткое описание видов пустот и механизмов их образования. Пустоты дифференцируются по способу и месту образования, а также по степени влияния на надежность узла. В [3] также были приведены результаты различных стресс-тестов, например термоциклических нагрузок
и механических ударов и изгибов, из чего следует, что трещины возникают и распространяются чаще в граничных областях и около них, чем вблизи геометрического центра паяного соединения. Эта гипотеза проиллюстрирована на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Места внутри паяного соединения BGA, где предполагается, что пустоты несут больший риск для надежности соединения [3]

Рис. 2. Растрескивания, возникающие из-за пустот паяных соединений: а) на стороне печатной платы; б) на стороне корпуса

Очень важно понять, существует ли корреляция между образованием
пустот в паяных соединениях и долгосрочной надежностью паяных
соединений при термической усталости. Устойчивость к термической
усталости для ПП, особенно тех, что используются в важных областях
промышленности, очень важна [6]. Паяные соединения стареют и деградируют во время эксплуатации и в конечном счете выходят из строя
из-за механизма изнашивания термически активируемой усталости
припоя (усталостная деформация) [7], которая является основным
видом разрушения и основной причиной отказа компонентов поверхностного монтажа (SMT) в электронных сборках [8].

Например, было показано, что один из типов пустот — планарные,
то есть лежащие в одной плоскости, микропустоты — снижает надежность паяного соединения либо за счет уменьшения эффективной площади соединения, либо за счет образования трещин из-за ослабления припоя [9]. Этот эффект показан на рис. 3 и 4 — здесь планарные микропустоты снижают срок службы (надежность при термической усталости) на 23%.

Рис. 3. График распределения Вейбулла иллюстрирует влияние планарных микропустот на надежность узла при термической усталости

Рис. 4. Фотографии поперечных сечений показывают уменьшение эффективной площади соединения из-за возникновения пустот. Также на фотографиях видны разрушения из-за планарных пустот [9]. Слой Ni/Au: а) с планарными пустотами; б) без планарных пустот

Фотографии поперечного сечения образцов, которые не прошли
испытания термическим циклированием, показывают, что такие микропустоты и их влияние на распространение трещин не всегда очевидны, их сложно обнаружить с помощью стандартных методов анализа отказов. К тому же выводу пришли авторы исследования механической надежности в [10]. Планарные микропустоты представляют собой частный случай образования пустот, чаще всего возникающий из-за проблем при нанесении финишного покрытия или загрязнения поверхности.

Между образованием макропустот и снижением надежности паяного
соединения не наблюдается такой четкой корреляции. В [3] авторы указывают, что макропустоты не влияют на надежность паяных соединений. Эта позиция подтверждается результатами нескольких исследований, в результате проведения которых авторы приходили к выводу, что макропустоты не снижают надежность на уровне платы [11–13].

Независимые исследования, проведенные в [14–16], показывают, что
само наличие пустот не делает паяное соединение ненадежным. Скорее
на надежность влияет расположение пустот и их близость к критическим точкам узла, где вероятнее всего может произойти поломка.

Поскольку законченная электронная сборка может быть забракована из-за требований IPC относительно количества макропустот или технологических пустот [4, 5], желательно снижать пустоты или по крайней мере уменьшить их плотность. Для этого разработаны различные техники и методы, например изменение профиля оплавления, оплавление в азотной атмосфере, а также применение специальных составов паяльной пасты и конструкций шаблонов [17].

Несмотря на попытки оптимизировать процессы и свести к минимуму образование пустот, определенное количество пустот в паяных соединениях в типичных сборках для поверхностного монтажа
считается неизбежным.

Оплавление в вакууме является общепризнанным методом уменьшения плотности пустот в паяных соединениях. Однако в [18] было показано, что вакуумное оплавление само по себе не обеспечивает отсутствие пустот, поэтому вопрос о влиянии образования пустот на надежность паяного соединения остается открытым. В данной статье описывается исследование, разработанное для оценки эффективности оплавления
в вакууме в отношении образования пустот в паяных соединениях.
Надежность полученного паяного узла с точки зрения общего влияния
образования пустот на надежность при термической усталости припоя
оценивается с помощью термоциклических испытаний.

Эксперимент

Описание тестовых образцов

Тестовые платы и используемые компоненты показаны на рис. 5.

Рис. 5. Тестовая плата

На 6‑слойную тестовую плату толщиной 2,36 мм (93 мил) последовательно устанавливались 16 корпусов 192CABGA и 16 корпусов 84CTBGA. Использовался бессвинцовый припой. Тестовые платы были изготовлены из высокотемпературного ламината Panasonic R‑1755V с финишным покрытием Entek HT Plus, которое представляет собой органический консервант для пайки (OSP) (табл. 2).

Таблица 2. 192CABGA, 84CTBGA и детали тестовой платы

Сборка для поверхностного монтажа тестовой платы

Тестовые платы были собраны с использованием обычного процесса
оплавления с номинальной пиковой температурой оплавления +250 °C
и номинальным временем, когда температура находилась выше ликвидуса, 60 с. Использовалась бессвинцовая паяльная паста, в которой образовалось значительное количество пустот. Половина тестовых
образцов была отложена, вторая половина была подвержена повторной
обработке оплавлением в вакууме.

Повторное оплавление проводилось в 15‑секционной печи оплавления с тремя камерами конвекционного охлаждения. Вакуумная камера находилась между зоной 15 нагревания и зоной 1 охлаждения.
Пиковая температура составила +238 °C, время выше температуры
ликвидуса (+217 °C) составило 80 с, время выдержки для повторного
оплавления — 65 с. В таблице 3 приведены значения времени и температуры в зонах камеры. Нагреватель ИК-панели вакуумной камеры
оплавления был настроен на +300 °C.

Профиль оплавления в вакууме показан на рис. 6. Красный прямоугольник обозначает общее время нахождения тестовой платы в вакуумной камере — около 60 с. Это время включает перемещение тестовых образцов в/из печи, а также периоды нагнетания/разрежения вакуума и выдержки. Время нагнетания вакуума составляет 8 с, время выдержки в вакууме (давление 10 торр) составляет 20 с, время разрежения приблизительно 5 с. Пиковая температура в профиле оплавления достигается в то время, когда тестовая плата находится в вакуумной печи с помощью ИК-нагрева.

Рис. 6. Профиль оплавления в вакууме. Общее время в вакуумной камере выделено красным прямоугольником и составляет 60 с. Время выдержки образца в вакууме составляет 20 с при давлении 10 торр

Вакуумная камера, расположенная внутри конвекционной печи оплавления, показана на рис. 7 с открытыми вакуумными дверцами,
готовая к приему тестового образца.

Рис. 7. Вакуумная камера в печи оплавления

Процесс оплавления — значения времени и температуры в каждой зоне печи оплавления

Измерения CTE

Надежность паяного соединения существенно зависит от соответствия коэффициента теплового расширения (CTE) между корпусом и печатной платой [20, 21]. Коэффициент CTE печатной платы измерялся с помощью термомеханического анализатора (ТМА), а коэффициенты теплового расширения корпусов 192CABGA и 84CTBGA с помощью микроскопической муаровой интерферометрии. Значения CTE для тестовой платы и двух BGA-компонентов показаны в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Коэффициент CTE тестовой платы, которая изготовлена из ламината Panasonic R‑1755V, измеренный с помощью термомеханического анализатора (ТМА)

Таблица 4. Эффективный коэффициент CTE для 192CABGA и 84CTBGA, измеренный с помощью микроскопической муаровой интерферометрии

Ускоренный термический цикл Последовательно соединенные компоненты на тестовой плате позволяют провести тест на неразрывность электроцепи после монтажа, а также осуществлять непрерывный мониторинг во время термоциклического испытания, которое было проведено в соответствии
с рекомендациями стандарта IPC‑9701A [22].

Паяные узлы проверялись с помощью детектора событий, настроенного на предел сопротивления 1000 Ом. Для количественной оценки надежности и анализа времени безотказной работы используется распределение Вейбулла. Проводится такое количество циклов, которое позволяет достигнуть 63,2% отказов.

Профили двух термических циклов показаны в таблице 5 и выбраны в соответствии со стандартными требованиями надежности для телекоммуникационного оборудования (профиль TC1 с изменением температуры 0…+100 °C) и требованиями для военно-оборонной промышленности (профиль TC4 с изменением температуры –55…+125 °C) [22].

Экспериментальная тестовая матрица

Компоненты и профили термоциклирования показаны в таблице 6. Каждая ячейка матрицы содержит тестовые образцы с 32 компонентами 192CABGA и 32 компонентами 84CTBGA.

Таблица 6. Размеры образцов компонентов для тестовой матрицы ускоренного температурного циклирования

Описание пустот в паяных соединениях
и анализ отказов

Для оценки пустот и микроструктур, которые образуются в паяных соединениях в сборках на уровне платы до и после термоциклического испытания, применен просвечивающий рентгеновский контроль и металлографический анализ поперечного сечения. Качество паяного соединения и его микроструктура анализировались с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
При этом использовался режим визуализации обратнорассеянных электронов (BEI) для различения фаз в бессвинцовой микроструктуре.

Результаты исследования будут приведены
во второй части статьи.

Литература
1. Lee N.-C. Reflow Soldering Processes and Troubleshooting SMT, BGA, CSP and Flip Chip Technologies. SMT problems During Reflow, Section 6.1, Voiding. Butterworth-Heinemann, Reed Elsevier Group, 2002.
2. Klein R. J. Wassink, Soldering in Electronics, A Comprehensive Treatise on Soldering Technology for Surface Mounting and Through-Hole Techniques. 2nd Edition, Electrochemical Publications, Great Britain, 1984.
3. Aspandiar Raiyo F. Voids in Solder Joints // Proceedings of SMTAI. Chicago, IL, September 2006.
4. IPC-A‑610D, Acceptability of Electronics Assemblies, Section 8.2.12.4, 8–83. IPC, February 2005.
5. IPC‑7095B, Design and Assembly Process Implementation for BGAs, Section 7.5.1, 76–83. IPC, October 2004.
6. Henshall G., Sweatman K., Howell K., Smetana J., Coyle R., Parker R., Tisdale S.,
Hua F., Liu W., Healey R., Pandher R. S., Daily D., Currie M., Nguyen J. iNEMI Lead-Free Alloy Alternatives Project Report: Thermal Fatigue Experiments and Alloy Test Requirements // Proceedings of SMTAI. San Diego CA, 2009.
7. Smetana J., Coyle R., Read P., Popowich R., Fleming D., Sack T. Variations in Thermal Cycling Response of Pb-free Solder Due to Isothermal Preconditioning // Proceedings of SMTAI. Fort Worth, TX, October 2011.
8. Engelmaier W. Surface Mount Solder Joint Long-Term Reliability: Design, Testing, Prediction // Soldering and Surface Mount
Technology. 1989. Vol. 1. No. 1.
9. Coyle Ri. J., Hodges Popps D. E., Mawer A., Cullen D. P., Wenger George M., Solan P. P. The Effect of Modifications to the Nickel/Gold Surface Finish on Assembly Quality and Attachment Reliability of a Plastic Ball Grid Array // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2003. Vol. 26. No. 4.
10. Mukadam M., Armendariz N., Aspandiar R., Witkowski M., Alvarez V., Tong A., Phillips B., Long G. Planar Microvoiding in Lead-Free Second-Level Interconnect Solder Joints // Proceedings of SMTAI. Chicago, IL, September 2006.
11. Kim D., Hubbard K., Nandagopal B., Hu M., Teng S., Nouri A. Effect of Voiding on Solder Joint Shock and Thermal Reliability. Proceedings of IPC APEX. 2006, S31-03-01 to S31-03-10.
12. Banks D. R., Burnette T. E., Cho Y., DeMarco W. T., Mawer A. J. Effect of Solder Joint Voiding on Plastic Ball Grid Array Reliability // Proceedings of Surface Mount International. Chicago, IL, September 1996.
13. Wickham M., Dusek M., Zou L., Hunt C. Effect of Voiding on Lead-Free
Reliability. NPL Report DEPC MPR 033, April 2005.
14. Sethuraman S., Coyle R., Popowic R., Read P. The Effect of Process Voiding on BGA Solder Joint Fatigue Life Measured in Accelerated Temperature Cycling // Proceedings of SMTAI. Orlando, FL, October 2007.
15. Coyle R., McCormick H., Read P., Popowich R., Osenbach J. The Influence of Solder Void Location on BGA Thermal Fatigue Life // Proceedings of SMTAI. Orlando, FL, October 2010.
16. Hillman D., Adams D., Pearson T., Williams B., Petrick B., Wilcoxon R., Bernard D., Travis J., Krastev E., Bastin V. The Last Will and Testament of the BGA Void // Proceedings of SMTAI. Fort Worth, TX, October 2011.
17. Qui W. How to reduce voiding in components with large pads. SMTA China East Technology Conference and Indium Corporation Technical Paper. May 2011.
18. Sweatman K., Nozu T., Nishimura T. Optimizing Solder Paste for Void Minimization with Vacuum Reflow // Proceedings of SMTAI. Orlando,
FL, October 2012.
19. Henshall G., Miremadi J., Parker R., Coyle R., Smetana J., Nguyen J., Liu W., Sweatman K., Howell K., Pandher R. S., Daily D., Currie M., et al. iNEMI Pb-Free Alloy Characterization Project Report: Part I — Program Goals, Experimental Structure, Alloy Characterization, and Test Protocols for Accelerated Temperature Cycling // Procee-dings of SMTAI. Orlando, FL, October 2012.
20. Engelmaier W. Surface Mount Solder Joint Long-Term Reliability: Design, Testing, Prediction // Soldering and Surface Mount Technology. 1989. Vol. 1. No. 1.
21. Engelmaier W. The use environments of electronic assemblies and their impact on surface mount solder attachment reliability // IEEE Trans. Components, Hybrids, and Manufacturing Technology. 1990. Vol. 13. No. 4.
22. IPC‑9701A. Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments. IPC, Bannockburn, IL, 2006.
23. IPC-JSTD‑001. Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies. Revision F. IPC, Bannockburn, IL, July 2014.
24. Wilcox J., Coyle R., Read P., Meilunas M., Popowich R. The Influence of Die Size and Distance from Neutral Point on the Thermal fatigue Reliability of a Chip Array BGA // Proceedings of SMTAI. Chicago, IL, October 2016.

Коллектив авторов

Ричард Койл
(Richard Coyle)
Дейв Хиллман
(Dave Hillman)
Майкл Барнс
(Michael Barnes)
Девид Хеллер
(David Heller)
Чармейн Джонсон
(Charmaine Johnson)
Ричард Попович
(Richard Popowich)
Ричард Паркер
(Richard Parker)
Кейт Хоуэлл
(Keith Howell)
Джоерг Тродлер
(Joerg Trodler)
Перевод: Ольга Очур

Статья опубликована в журнале Технологии в электронной промышленности, № 4’2022