Въздействие и анализ на замърсяване от спойка в формовани интегрални схеми

Резюме:

Проблемите с надеждността, причинени от йонно замърсяване поради ерозия на влагата на формованите интегрални схеми, са сравнително чести, докато тези, причинени от замърсяване с припой на PCB, са по-редки. Тази статия въвежда реален-случай на повреда в надеждността на IC поради замърсяване на припой на PCB, идентифицира условията, при които възниква замърсяване на припой, и демонстрира чрез елементен анализ на формования пакет на IC, че замърсяването с припой може да доведе до повреда в надеждността на IC. Документът илюстрира как нагряването и повторното -стареене на повредени интегрални схеми може да предизвика както подобрение, така и повторен-отказ. Това обяснява, че замърсените с спойка-пакети на IC са необратими и могат да се повредят отново при определени условия. Препоръки са предоставени на инженерите на технологията за повърхностен монтаж (SMT) за избягване на повреди в надеждността, причинени от замърсяване на спойка.

0 Въведение

ПХБ са двустранно запоени и включват устройства за повърхностен монтаж и през -дупки, включително IC управление и захранващи задвижвания, и се използват широко в области на промишлено управление, като например зареждащи колони за нови енергийни превозни средства. Въпреки че има значителна литература за качеството и надеждността на запояване на интегрални схеми върху печатни платки [1-4], литературата за повреда в надеждността на интегралните схеми, причинена от замърсяване на спойка след запояване върху печатни платки, е оскъдна. Тази статия проучва влиянието на замърсяването на припоя на PCB върху надеждността на IC, анализира вероятността от замърсяване на IC при различни методи на запояване, проявата на повреда на електрическите параметри на IC след замърсяване и методите за елиминиране и възпроизвеждане на повредата.

1 PCB IC Методи за запояване

Основният метод за запояване на интегрални схеми за повърхностен монтаж върху печатни платки е запояване чрез пренареждане. Вълново запояване се използва и от някои производители за ИС за повърхностен монтаж върху печатни платки. Припоят, използван при запояване с претопяване и вълново запояване, е безоловен-припой, съставен главно от калай, съдържащ малки количества сребро, мед и други метали. Температурата на запояване чрез претопяване е между 217 и 260 градуса, а температурата на запояване с вълна е между 255 и 265 градуса. Референциите [5-6] описват специфичните стъпки на повърхностния монтаж с вълново запояване и ИС с-отвор, както следва: машината за избор-и-поставяне поставя ИС за повърхностен монтаж на зададена позиция в долната част на печатната платка, така че нейните щифтове да са на същата повърхност за запояване като ИС с -отвор. Повърхностният -монтиран IC се фиксира с червено лепило и след втвърдяване с висока температура се фиксира здраво на място. IC с -отвор се вкарва в зададената позиция на печатната платка и печатната платка се изпраща към машина за запояване с вълна за запояване, за да завърши запояването на IC с -отвор и IC за повърхностен монтаж в печатната платка.

Многослойните печатни платки са двустранно запоени-и включват интегрални схеми за повърхностно-монтиране и през-отвор. Има два начина за реализиране на IC запояване. Единият е да завършите запояването на IC за повърхностно-монтиране на предната страна на печатната платка чрез запояване с повторно запояване и след това да завършите запояването на IC за повърхностно-монтиране на задната страна на печатната платка чрез запояване с повторно запояване и след това да завършите запояването на IC с -отвор на задната страна на печатната платка чрез запояване с вълна. Другият начин е да завършите запояването на IC за повърхностно-монтиране на предната страна на печатната платка чрез запояване с пренареждане и след това да завършите запояването на IC за повърхностен-монтиране и през-отвор на задната страна на печатната платка чрез запояване с вълна. Първото изисква две запоявания с преплавяне и едно запояване с вълна, докато второто изисква едно запояване с преплавяне и едно запояване с вълна. Предимството на последното е, че намалява оперативните разходи и подобрява ефективността на производството [6]. 2. Повреда и местоположение на замърсяване на спойка

Количеството паста за запояване, отпечатано върху подложките на PCB, определя височината на спояване на щифтовете след запояване. Фигура 1 показва интегрална схема за-монтиране на повърхността, при която след запояване чрез повторно запояване спойката свързва печатната платка и щифтовете на IC, но само към дъното и страните на щифтовете, без да достига предната част или извивките. В този случай спойката не влиза в контакт с формования корпус на IC, което води до ниска вероятност от замърсяване на спойка. Червените стрелки на Фигура 1 ясно показват цветова разлика между медните проводници в незапоените зони и покритите със спойка- зони.

При вълново запояване печатната платка преминава през съд с разтопена спойка. Помпа в гърнето генерира стояща вълна-като вълна от спойка. Когато печатната платка влезе в контакт с гребена на вълната, компонентът се запоява върху печатната платка. При запояване с вълна спойката може да потопи целия формован корпус на IC, който се запоява, което значително увеличава вероятността от замърсяване на спойка. Степента на замърсяване може да варира в зависимост от процеса и използваните материали. Фигура 2 показва морфологията на интегралните схеми за повърхностен монтаж на същата печатна платка, както на фигура 1, след вълново запояване. Всички щифтове на IC са покрити с припой и дори откритите зони, останали след медната рамка в средата на страната на пакета на IC, са обвити в припой, променяйки се от жълт (меден цвят) на Фигура 1 до сребрист (цвят на покритието на припой).

Запояването чрез повторно запояване използва инфрачервено нагряване, за да разтопи спояващата паста, отпечатана върху печатната платка, запоявайки щифтовете на IC към печатната платка. Има 60-100 µm разлика във височината между дъното на пакета и печатната платка и няма спойка под пакета на IC, което прави вероятността от замърсяване на пакета на IC почти нулева. При вълново запояване върховете на вълната на спойката потапят целия пакет на IC, който се запоява, което значително увеличава вероятността от замърсяване на спойка. В заключение, вероятността от замърсяване с спойка на IC пакети за повърхностен монтаж е ниска при повторно запояване, но висока при запояване с вълна.

Една от същата IC беше поставена отпред и една отзад на печатната платка. Този отпред беше запоен с преплавяне, а този отзад беше запоен с вълна. Върху печатната платка бе извършен онлайн-тест за стареене при висока{2}}температура. IC условията бяха 50 градуса околна температура, Vin=9 V, Iout=15 mA. Запоената с повторно запояване IC отпред не се повреди, докато запоената с вълна IC отзад имаше процент на повреда от приблизително 5%. Повредата се проявява като късо съединение към маса при Vin и Vout извежда -0,5 V при 10 mA (нормален изход Vout трябва да бъде между 3,23-3,37 V). Iq също е превишен, надвишавайки 5 µA. Сравнението с добри ИС разкри необичайни I-V криви (Vin-Vss, Vout-Vss и т.н.) на повредената ИС с помощта на осцилоскоп. Изсушаването на повредената IC във вакуумна камера при 0,13 Pa и 40 градуса за 12 часа не промени поведението на IC; все пак се провали.

Очевидно премахването на влагата не може да възстанови нормалната работа на повредената IC. Едно доказателство за изключване на повреда при стареене на IC, предизвикана от влага, е надлъжната дисекция както на повредената IC, така и на квалифицираната IC, която не показва разслояване между повърхността на чипа и формовъчната смес (Фигура 3). Друго доказателство е експеримент за овлажняване, проведен върху IC, който се възстановява след печене при 85 градуса и 85% относителна влажност за 12 часа; продуктът работи нормално и не се повреди.

Случаят на формовани интегрални схеми, повредени поради влага и възстановяване след изпичане, е описан в препратка [7]. В този случай IC се възстанови след изпичане след повреда, изключвайки влагата като причина и се подозира, че може да е свързано със замърсяване на спойка.

За да се изследват причините за неизправностите на надеждността на вълнообразните{0}}запоени интегрални схеми и да се идентифицират разликите в елементарния състав на повърхността на опаковката между добри и неизправни интегрални схеми, беше извършен EDX анализ на елементния състав на повърхността на пакетите на интегрални схеми на повредени, добри и-запоени интегрални схеми. Резултатите показаха, че не се наблюдава Sn на повърхността на IC пакетите със запоени-преформатиране, докато масовата част на Sn е по-висока в повредените ИС с вълнообразно-запояване, отколкото в ИС с нормална вълна-.

Ясно е, че отказът на надеждността на интегралните схеми след запояване с вълна и феноменът на възстановяване след изпичане са силно свързани с наличието на голямо количество Sn в опаковката. Ускоряващото напрежение на EDX, използвано за елементен анализ, беше 30 keV, а дълбочината на откриване на елемента беше приблизително 6 µm, което показва, че повредените интегрални схеми може да са претърпели замърсяване с спойка на опаковката поради вълново запояване, с дълбочина на замърсяване от най-малко 6 µm. Има много малко литература за въздействието на замърсяването с спойка върху работата на IC; прегледани са голям брой изследвания, но не е намерено научно обяснение за горния феномен. Най-близката намерена литература [8] изследва само остатъците в процесите на преплавяне и вълново запояване, като се фокусира върху остатъците от флюс. Не е намерена литература, която да включва замърсяване на IC пакети от споени метални елементи.

3 Механизъм на повреда и мерки

Структурата на вътрешната верига на повредената IC е показана на Фигура 4. IC чипът е запоен към щифта Vin, което означава, че субстратът на IC чипа е свързан към щифта Vin, както е показано на Фигура 5. След замърсяване на спойката голямо количество метални елементи като Sn се потапят в пакета на IC. Тези метални елементи се движат под въздействието на електрическото поле по време на стареенето на електрическата надеждност на IC и бавно се натрупват заедно. Когато концентрацията на тези метални йони достигне определено ниво, те свързват щифта Vin и щифта GND, което води до късо съединение към земята на щифта Vin, с ток на късо съединение Vin-GND от 4,24 mA. Неуспешната IC се пече на 150 градуса за 12 часа. Топлината накара йоните с висока{10}}плътност, като Sn, които се бяха натрупали в пакета на IC, да се преразпределят равномерно, което доведе до подобрени електрически свойства и ток на късо съединение от 1,18 mA (Фигура 6b). След 24 часа непрекъснато нагряване всички електрически параметри се върнаха към нормалното, с ток на късо{16}} съединение от 0,00 mA (Фигура 6в).

Обаче печенето при висока{0}}температура само преразпределя Sn и други метални елементи в IC пакета; не премахва тези елементи. Споените метални елементи остават в пакета на IC. Теоретично, ако подобен тест за стареене на електрическа надеждност бъде извършен отново, IC отново ще се провали. Експериментите потвърдиха това, демонстрирайки, че повредата е обратима и повторима. IC, които са се възстановили след изпичане, са подложени на втори тест за стареене при следните условия: Ta=50 степен, Vin=9 V, lout=30 mA, Vout=3.3 V. След 24 часа ICs отново се провалят, показвайки прекомерен Iq. Стойностите на Iq за трите проби преди стареене бяха съответно 3,273, 4,269 и 3,763 µA, а след стареене те бяха съответно 15,011, 5,499 и 8,206 µA. Нормалният диапазон е по-малък от 5 µA.

В обобщение, замърсяването с спойка на пакета на IC е необратимо; веднъж замърсен, пакетът на IC не може да отстрани замърсените елементи на спойка. Въпреки че повредата на електрическите параметри на IC, причинена от замърсяване с спойка, е възстановима, такива възстановени IC могат да се повредят отново при определени условия, тъй като замърсената спойка остава в опаковката. Препоръчително е да се използват стандартни процеси на запояване чрез преформатиране на чувствителни интегрални схеми за-монтиране на повърхността, за да се намали възможността от замърсяване на пакета на интегралните схеми със спойка.

4. Заключение

За да подобрят ефективността на производството, някои производители на SMT използват оборудване за вълново запояване, за да обработват едновременно повърхностно монтирани ИС и ИС с -отвор от едната страна на многослойни платки, което предлага предимства в разходите. Тази статия проучва механизма за повреда на спойката при формовани интегрални схеми и установява, че вълновото запояване представлява риск от замърсяване с спойка на формованите интегрални схеми за повърхностен монтаж. Освен това замърсените интегрални схеми са необратими и тяхната надеждност остава проблем. Препоръчва се да се използва запояване с препълване за чувствителни формовани интегрални схеми за повърхностен монтаж, като се избягва запояване с вълни, за да се намали възможността от замърсяване на опаковката на ИС с спойка.