Метод определения сопротивляемости паяных соединений хрупкому излому

С переходом на бессвинцовые при­пои повышенное внимание уделя­ется дефектам излома, возникающим в интерметаллических слоях микро­схем, выполненных в корпусах с шари­ковыми выводами, таких как BGA и mi- croBGA. Для выявления этих дефектов были разработаны новые методы и оборудование.

А. Мельниченко

Вопросу целостности паяных соединений микрос­хем со сферическими выводами (BGA и microBGA) уделяется много внимания, особенно в настоящее время, при переходе к бессвинцовым припоям. Ис­следования показали, что в бессвинцовых соедине­ниях в месте присоединения вывода к площадке на­блюдается более высокий процент появления дефек­тов излома, чем в оловянно-свинцовых. Эти дефекты могут возникать на разных стадиях: при производстве микросхем, их тестировании, а также в процессе эксплуатации готового изделия.

В отличие от усталостных отказов, хрупкий излом паяных соединений выводов корпусов BGA происхо­дит, как правило, при действии больших нагрузок, например, при падении изделия или приложении из­гибающих усилий. Падение может произойти при монтаже печатной платы, ее проверке, при погрузоч­но-разгрузочных работах и т.д.

Во время недавних исследований было обнаруже­но, что наблюдаемые в паяном соединении изломы непосредственно связаны с наличием в месте соеди­нения сферических выводов с площадками платы пустот, образующихся из-за различий в материалах припоя и покрытия платы. Метод, обычно используе­мый в промышленности для оценки целостности пая­ного соединения – испытание на срез, непригоден для обнаружения в пограничном слое между выводом и площадкой проблемных мест, связанных с возник­новением хрупкого излома.

При обычных методах испытаний соединений на срез и разрыв дефект хрупкого излома обнаружива­ется достаточно редко. И не потому, что хрупкие изло­мы в оловянно-свинцовых соединениях не возникают, а потому, что обычными методами диагностировать их довольно трудно.

При обычных испыта­ниях сферический вывод либо срезают, либо растя­гивают до момента его разрушения (рис. 1). При этом делается заключе­ние, что прочность соеди­нения выше, чем прило­женное усилие, однако фактическая сила сцепле­ния вывода с площадкой не измеряется. Хотя обычные тесты все еще используются для выявле­ния многих производ­ственных дефектов, они не позволяют обнаружить дефект хрупкого излома (рис. 2). Известно, что си­ла сопротивления припоя увеличивается с увеличе­нием действующего уси­лия. Этот эффект наблю­дается, когда готовое из­делие подвергается действию быстро изменяющейся нагрузки, напри­мер, при падении.

Рис. 1. Срезание вывода компонента при действии нагрузки

Рис. 2. Хрупкий излом сферического вывода

Ударные испытания

Испытания на устойчивость к воздействию боль­ших усилий, возникающих, к примеру, при падении, проводятся уже много лет. Хотя испытание на устой­чивость к падению остается полезным и определяю­щим тестом, оно может быть выполнено лишь на за­конченном изделии и требует тщательной подготовки и фиксации изделия.

Для определения надежности и предсказания от­казов бессвинцовых паяных соединений выводов корпусов BGA были проведены обширные исследо­вания, включающие испытания на устойчивость к па­дению и микроструктурный анализ соединений вы­водов с площадками. При этом была произведена оценка различных методов предсказания результа­тов теста на устойчивость к падению, включая изме­рение предела текучести при действии на сферичес­кий вывод сил растяжения и среза, а также измере­ние силы сопротивления удару. Оказалось, что определение в результате этих испытаний предела текучести не позволяет предсказать отказ хрупкого излома.

Компаниями Sun Microsystems и Dage Precision In­dustries была начата научно-исследовательская ра­бота, к которой затем подключился ряд основных производителей компонентов в корпусах BGA. Эта работа продолжалась более 18 месяцев и ее резуль­татом стала разработка новой методики испытания и новый подход к созданию испытательного оборудо­вания.

Зависимость результатов от скорости проведения испытаний

Испытание на срез использовалось в течение мно­гих лет как надежный метод определения целостно­сти соединения. Но в некоторых случаях этого бывает недостаточно. При необходимости дальнейшего ис­следования свойств паяного соединения обычно вы­полняют проверку на разрыв.

Испытание на срез выполняется, как правило, с малой скоростью, не превышающей 20 мм в секунду. На этих скоростях срез происходит, главным образом, в толщине вывода. В этом случае единственным за­ключением, к которому можно прийти, является то, что сила сцепления вывода с площадкой больше, чем сила среза. При этом невозможно сравнить влияние различных покрытий площадок платы и припоев на силу сцепления выводов с площадками. Для проверки на устойчивость к хрупкому излому скорость сдвига должна быть намного выше, как правило, более 1000 мм в секунду. При этих скоростях число случаев нарушения паяных соединений существенно возрас­тает, что позволяет сравнить влияние покрытий пло­щадок и припоев на прочность соединения.

Похожая ситуация возникает и при испытании вы­водов на разрыв. В этом случае, чтобы выявить нару­шения в месте соединения, скорость растяжения должна быть не менее 500 мм в секунду.

При высокой скорости увеличивается сила, пере­даваемая через вывод к месту соединения, вслед­ствие чего результаты испытания зависят, главным образом, от прочности соединения, а не от свойств вывода. Таким образом можно оценить надежность соединения при различных сочетаниях материала покрытий площадок и используемого припоя. Имеют­ся данные о корреляции результатов этого испытания и таких испытаний, как:

• испытание на устойчивость к падению
• оценка надежности бессвинцовых соединений
• проверка методом группового среза выводов.

Метод определения дефекта хрупкого излома

В основе этого метода лежит новый подход к тес­тированию, для которого требуется испытательное оборудование, позволяющее выполнить проверку ус­тойчивости паяных соединений выводов корпусов BGA к воздействию факторов, вызывающих дефект хрупкого излома.

Этот метод предусматривает выполнение ряда проверок и исходных установок, включая проверку на срез и на разрыв, определение требуемой скорости среза и разрыва и т.д. Такой подход позволяет поль­зователю провести испытания при различных началь­ных условиях и определить те из них, которые лучше всего подходят для данного случая.

При проведении испытания на срез, выполняемо­го на высокой скорости, для разгона инструмента не­обходима некоторая дистанция, прежде чем произой­дет его контакт с выводами. Для этого в испытуемом образце удаляют все выводы за исключением двух рядов, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Подготовка корпуса BGA к испытаниям

Методика проведения испытания на срез:

• выравнивают инструмент относительно сфери­ческих выводов (рис. 4)
• устанавливают инструмент на заданной высоте
• образец отводят от инструмента на некоторое расстояние для разгона
• образец разгоняют до достижения заданной ско­рости соприкосновения инструмента с выводами, которая поддерживается постоянной в течение всего времени контакта
• образец останавливают, завершая испытание.

Методика проведения испытания на разрыв.

При испытании на разрыв, выполняемом с высо­кой скоростью, исходные установки также отличаются от обычных. Так как сферический вывод должен быть зажат захватом, отодвинуть захват от вывода для раз­гона не представляется возможным.

Рис. 4. Высокоскоростное испытание на срез

Рис. 5. Высокоскоростное испытание на разрыв

 Поэтому предлагается следующая последова­тельность операций (рис. 5):

• положение захвата выравнивается относительно вывода
• вывод зажимается в захвате
• захват с образцом опускается вниз для разгона
• захват с образцом резко поднимают для достиже­ния необходимой скорости
• на некоторой высоте образец наталкивается на преграду и останавливается, захват с выводом продолжают двигаться вверх с заданной ско­ростью
• вывод отрывается от образца.

Результаты испытаний

Несмотря на обнадеживающие результаты, полу­ченные при применении новой методики испытаний, еще многое остается неисследованым. Но есть уверенность, что развитие новой технологии будет спо­собствовать лучшему пониманию лежащих в ее осно­ве закономерностей и совершенствованию как само­го метода, так и испытательного оборудования.

К настоящему времени в результате применения нового метода было обнаружено, что:

• при испытаниях, выполняемых на высокой скорос­ти, число выявленных дефектов хрупкого излома превышает полученное при обычной скорости
• при испытаниях на высокой скорости в бессвинцовых соединениях обнаруживается больше де­фектов хрупкого излома, чем в обычных оловянно-свинцовых
• в оловянно-свинцовых соединениях на площад­ках, покрытых иммерсионным золотом с подлож­кой из химически осажденного никеля, обнаружи­вают больше дефектов хрупкого излома, чем на площадках, покрытых сплавом золота с никелем, или площадках из чистой меди
• свойства сплавов Sn-Pb и Sn-Pb-Ag, выявленные как при испытаниях на срез, так и при испытаниях на разрыв, выполняемых на высокой скорости, весьма сходны.

Заключение

Возникновение дефекта хрупкого излома – про­блема, касающаяся многих изготовителей электрон­ных устройств. До сих пор определение целостности паяного соединения для бессвинцовых выводов кор­пусов BGA и micro-BGA является сложным, недоста­точно достоверным и трудоемким процессом. С по­мощью нового метода отдельные соединения могут быть проверены сразу после пайки оплавлением в ус­ловиях различных скоростей и нагрузок, обеспечивая получение более точных данных для определения сопротивляемости паяных соединений хрупкому излому.