Прийнятний рівень пустот в автомобільній електроніці (частина II): специфіка

У статті представлені поточні висновки щодо прийнятних рівнів пористості, розроблені робочою групою Німецької електротехнічної комісії (DKE – Deutsche Kommission Elektrotechnik), до складу якої входять провідні компанії з ланцюга постачання автомобільної електроніки. Також надані відомості про вплив пустот на механічні, теплові та електричні властивості паяних з’єднань.

Члени робочої групи DKE

Audi, BMW, VW, Aptiv, Brose, Continental, Delphi, Hella, Kostal, Robert Bosch, Valeo, Zollner, Goepel, Heraeus, Indium, Infineon, Murata, Osram, Rehm Thermal Systems, TechnoLab, Viscom, Vishay, XRay-Lab , Carl Zeiss, Zestron, Diehl Aerospace, Fraunhofer ENAS & IZM, Hensoldt, Trainalytics, Університети Дрездена, Фрайбурга, Ростока.

Консенсус щодо прийнятних рівнів пустот в автомобільній електроніці

Робоча група DKE отримала назву AK682.0.7 «Технологія монтажу та підключення в автомобільних електронних вузлах» (Assembly and Interconnect Technology in Automotive Electronic Assemblies) і почала свою роботу приблизно два роки тому. Хоча група зосереджена на електронних вузлах, що використовуються в автомобільній промисловості, підхід є досить загальним і може бути корисним і в інших галузях. Основні висновки вже узгоджені з Технічним комітетом TC 91 «Технологія збірки електроніки» Міжнародної електротехнічної комісії (International Electrotechnical Commissio, IEC), і готується технічний звіт останньої.

Під час обговорення були враховані наступні аспекти:

• Які рівні пустот зазвичай виникають у вузлах SMT у процесі, що включає типові компоненти, друковані плати та процеси
• Які навантаження навколишнього середовища (наприклад, механічні, термомеханічні) зазнають вузлів і який вплив пустот на надійність паяного з’єднання під цими навантаженнями
• Які функціональні властивості паяних з’єднань (наприклад, теплопередача) є важливими та який вплив на них мають пустоти
• Які відсотки пустот слід визначити як межі, щоб знайти розумний компроміс між проблемами функціональності та надійності та здійсненністю/продуктивністю

Звичайно, єдиний підхід до пустот в паяних з’єднаннях неможливий, тому пороги допустимості розглядалися для наступних типів:

• Матричні компоненти, такі як BGA і LGA
• Компоненти з виводами на нижній стороні з каркасом виведення, наприклад квадро-плоскі або подвійні плоскі
• Компоненти, що містять великі теплові площини
• Корпус мікросхеми

Аналізуючи явище пустот, виявляється, що зазвичай існує досить великий розкид їх рівня, навіть у випадку ідентичних з’єднань на однакових друкованих платах. Можна інтерпретувати, що утворення пустот при оплавленні є досить динамічним процесом: пустоти ростуть і після досягнення певного критичного розміру, коли досягають зовнішньої поверхні паяного з’єднання, виходять за її межі. Через кілька секунд утворюються нові пустоти, часто на тому ж місці, внаслідок розповсюдження залишків флюсу, непомітних під час рентгенівського дослідження. За процесом змін можна спостерігати за допомогою онлайн-рентгенівського аналізу. У результаті графік, що показує рівень пустот у процесі оплавлення, може виглядати як неправильні зуби пилки. З цієї причини слід уникати надто жорстких порогових значень, оскільки у великосерійному виробництві, де, ймовірно, буде велика варіація у розподілі пустот, може бути неможливо досягти цих обмежень.

Вплив пустот на паяні з’єднання

Більшість проблем з пустотами зосереджуються на питаннях, пов’язаних з механічною та термомеханічною надійністю та термічною та електричною функцією паяних з’єднань. Подальше обговорення буде зосереджено на пустотах типу I та II (макропустоти і пустоти, спричинені дизайном, див. таблицю в частині І). Хоча вплив інших типів пустот на надійність може бути значним, вони надзвичайно рідкісні в автомобільній електроніці.

Механічна надійність

Механічна надійність відноситься до виникнення вібраційних або ударних навантажень. Вплив пустот на механічну надійність паяного з’єднання при таких навантаженнях детально не досліджено, що відразу свідчить про їх обмежене значення в цьому контексті. Виробничий досвід не вказує на те, що механічне навантаження спричиняє пошкодження, пов’язані з пустотами. З іншого боку, потенційні загрози можна уявити для наступних двох груп компонентів:

• Важкі компоненти (електролітичні конденсатори, котушки SMD, дроселі, шунти) з невеликою кількістю контактів, що не перевищує 4. У разі таких компонентів пустоти можуть бути важливими для надійності в разі ударів/падінь через високу силу зсуву, що створюється під час механічного удару.
• Матричні компоненти (area-array) з низьким зазором і великою кількістю паяних з’єднань, наприклад модулі LGA >2×2 см або модулі зі скошеними отворами на краях. У таких системах можуть виникати пошкодження при вигині, в яких пустоти відіграють важливу роль.

Через обмежений досвід і знання про вплив пустот на наслідки падінь, ударів і вібрації, більш глибокі випробування рекомендуються лише для вимог до надзвичайно високих механічних навантажень, що перевищують типові навантаження в автомобільній електроніці

Термомеханічна надійність

Оскільки пустоти впливають на геометрію та мікроструктуру паяного з’єднання, а також можуть взаємодіяти з розповсюдженням тріщини, вони можуть зрештою вплинути на термомеханічну надійність паяного з’єднання. Для більшості типів паяних з’єднань можна визначити найпоширеніші шляхи утворення тріщин у міру зміни температури друкованої плати. Якщо в цих слідах присутні пустоти, тріщиностійкість системи може бути знижена, оскільки певні типи пустот можуть прискорити поширення тріщин і погіршити стабільність паяного з’єднання. З іншого боку, пустоти можуть збільшити гнучкість паяних з’єднань і, таким чином, підвищити – принаймні локально – надійність (прикладом є BGA). Загальний вплив на надійність паяних з’єднань важко оцінити, особливо для компонентів із декількома паяними з’єднаннями, таких як BGA. Для таких компонентів необхідно також враховувати взаємодію між паяними з’єднаннями. Наприклад, пустоти в одному паяному з’єднанні можуть збільшити гнучкість цього з’єднання, але також можуть частково передати напругу на сусідні паяні з’єднання. Оскільки вплив пустот на термомеханічну надійність важко оцінити виключно на основі теоретичного моделювання, деякі експериментальні оцінки були виконані та описані в літературі.

Було проведено низку досліджень щодо утворення пустот у компонентах площинного масиву (area-array). В іншому дослідженні порівнювали термін служби TC BGA416 (крок 1,0) зі стандартними та навмисно збільшеним утворенням пустот. У цьому дослідженні проаналізовано час до виходу з ладу електрики при циклічних змінах температури від -40° до +125°C. Результати аналізу підтвердили висновки теоретичних досліджень, які показали, що площа пустот, навіть якщо вона перевищує 30%, істотно не впливає на надійність.

У літературі мало повідомляється про досліджень компонентів в корпусах мікросхем. Один результат показує міцність на зсув паяних з’єднань резистора 1206 після змінних рівнів температурних циклів від -40°C/+125°C. Було виявлено, що рівень пустот майже не впливає на силу зсуву. Висновок з аналізу полягає в тому, що рівень пустот істотно не впливає на термомеханічну довговічність до рівня приблизно 35% пустот у зоні зазору.

Для компонентів з виводами на нижній стороні (bottom-terminated components, BTC) літературних даних мало. Недавнє дослідження не стільки розглядало опір термопрокладок QFN за наявності пустот, скільки зосереджувалося на тому, як конструкція плати (тобто отворів) впливає на утворення пустот, а також на питання, чи впливає наявність пустот на надійність сигналу. Це дослідження показало, що розмір пустот у термопрокладці не впливає на надійність.

Теплова функціональність.

Іншим занепокоєнням у контексті пустот є потенційне зниження теплопередачі за допомогою великих теплових прокладок, які також називають відкритими прокладками. Ці паяні з’єднання великої площі зазвичай мають набагато більший відсоток пустот, ніж невеликі стандартні з’єднання. У таких випадках пустоти зменшують площу з’єднання між контактною площадкою і друкованою платою (так зване покриття припоєм). Відсоток покриття припоєм можна розрахувати, взявши відношення площі паяного з’єднання між відкритою контактною площадкою та площею друкованої плати відносно загальної площі, що змочується (тобто площі, де відкрита площа компонента перекривається відкритою міддю на поверхні друкованої плати). Ступінь покриття цієї ділянки припоєм безпосередньо залежить від тепловіддачі. Діапазон, який зазвичай повідомляється за стандартними виробничими параметрами, становить від 90% до 50%, іноді до ~40% покриття припоєм. Ескіз спрощеної моделі, яка є основою для розрахунку впливу зменшення покриття припою на загальний термічний опір, показано на малюнку 1.

Малюнок 1. Механізм теплопередачі з відкритими паяними з’єднаннями.

Загальний термічний опір між поверхнею компонента та радіатором або поверхнею корпусу з іншого боку друкованої плати розраховується для всієї площі контактної площадки. Розрахунки цього типу показують, що паяні з’єднання відкритих контактних площадок нечутливі до утворення пустот до рівня приблизно 20% або навіть 10%. Основним вузьким місцем у теплопередачі є не контактна площадка, а конструкція друкованої плати з покритими отворами, хоча велика кількість отворів підтримує вертикальну передачу тепла через друковану плату. Пайка перехідних отворів теж кардинально не змінює ситуацію.

Вплив пустот у відкритих контактних площадках на термін служби паяного з’єднання під час термоциклування не було ретельно досліджено, але з практичного досвіду відомо, що цей тип паяного з’єднання зазвичай не створює проблеми точки зору надійності, якщо забезпечується достатня теплопередача. Підводячи підсумок: нормальний діапазон покриття припоєм приблизно до 35% не має шкідливого впливу на тепловіддачу. Це може бути інакше, якщо елемент припаюється безпосередньо до радіатора або до товстої, масивної міді: у цьому випадку паяне з’єднання показує набагато більш виражений вплив на питомий термічний опір. У цих сферах застосування вакуумна пайка є ефективним методом зменшення пустот. Ці міркування стосуються стандартних умов, але спеціальні програми з вищими вимогами до теплопередачі або динамічними ефектами, такими як гарячі точки у відкритій зоні контактної площадки, можуть висувати додаткові вимоги.

Електрична функціональність

Оскільки електричний опір паяних з’єднань не є критичним для більшості типів компонентів, пустоти зазвичай не впливають на електричну функціональність компонентів. Винятки можуть бути зроблені лише для високочастотних або сильних струмів, які повинні оцінюватися в кожному конкретному випадку.

Рекомендації щодо допустимості пустот в автомобільній електроніці

На основі міркувань, наведених вище, робоча група DKE обговорила та погодила значення для допустимого мінімального покриття припоєм або максимального рівня пустот, а також діапазони для показників процесу. Результати цих обговорень представлені в таблиці 2 як межі допустимості та так звані показники процесу. Індикатор процесу – це стан (не обов’язково дефект), який ідентифікує функцію, яка не впливає на форму чи функціонування системи. Зазначений рівень є результатом використаних матеріалів, конструкції, дій оператора або машини, які призводять до того, що умова не повністю відповідає критеріям прийнятності, але не є дефектом. У випадку покриття припоєм або рівня пустот такий стан не має виникати дуже часто і його слід розглядати як сигнал для проведення аналізу процесу. Це може призвести до вжиття заходів для зменшення утворення пустот або збільшення покриття припою та покращення продуктивності відповідно.

Таблиця 2. Значення прийнятного мінімального покриття припоєм або максимального рівня пустот, а також діапазони індикаторів процесу.

1) Пустоти типів III-VI зазвичай не можуть бути виявлені на 2D рентгенівському зображенні в умовах масового виробництва, тому вони виключені з вищезазначених критеріїв.

2) Для певних конструкцій, наприклад, via-in-pad, можливо, не вдасться виконати наведені вище порогові значення. У таких випадках розробник і виробник спільно відповідають за надання об’єктивних доказів теплової та електричної функціональності, а також надійності паяного з’єднання.

3) Якщо теплові площини компонентів припаюються безпосередньо на радіатори, порогові значення для покриття припоєм повинні бути узгоджені між користувачем і проектним органом.

4) Якщо визначеної вище площі з’єднання недостатньо для теплопередачі для певного компонента, орган з проектування несе відповідальність за визначення мінімальної площі з’єднання для конкретного компонента.

5) Усереднені показники приймаються щонайменше для 25 паяних з’єднань.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl