УДОСКОНАЛЕНІ МЕТОДИ ПЕРЕВІРКИ ЗАЛИВКИ ПІД КОМПОНЕНТИ BGA (ЧАСТИНА 1)

05.01.2023 |

Перевірка шару смоли, створеного в процесі заповнення під BGA-компонентом, ймовірно, є однією з найбільших проблем пайки BGA. У статті вказуються переваги та недоліки окремих методик, таких як рентген та новітні технології SAM (Scanning Acoustic Microscopy – скануюча акустична мікроскопія). Перша частина присвячена таким методам, як візуальний огляд та ренгенівське дослідження.

Дизайн переважної більшості електронних пристроїв дотримується поширеної тенденції до збільшення мініатюризації та системної інтеграції. Результатом стає дедалі щільніша упаковка з дедалі дрібнішими компонентами, меншими відстанями між компонентами та більшою щільністю паяних з’єднань. Сучасні конструкції все частіше включають також близько розташовані компоненти BGA з кроком до 0.4 мм. Це викликає все більше занепокоєння щодо надійності та, водночас, пошуку нових способів механічного зміцнення з’єднання.

Дозування смоли під BGA (underfilling) – є все частіше використовуваним методом підвищення механічної або термомеханічної надійності системи. Ця технологія сама по собі не є новою: спочатку вона була запроваджена десятиліття тому для підвищення надійності Flip-chip на керамічних або органічних підкладках шляхом зменшення напруги на з’єднаннях між мікросхемою та підкладкою через невідповідність CTE між ламінатом і кремнієвою структурою. У наступні роки використання технології underfilling ставало все більш поширеним, і тепер більшість модулів BGA/LGA і вузлів PoP BGA у смартфонах посилені таким чином для покращення стійкісті до ударів при падінні.

Існує кілька варіантів матеріалів і процесів, за допомогою яких виконується underfilling, наприклад капілярне заповнення, заливка або склеювання країв/кутів, створюючи досить широкий спектр альтернатив. З іншого боку, доступні варіанти перевірки після underfilling набагато обмеженіші та описані в стандарті IPC J-STD-030A. Проте валідація та контроль процесу є критично важливими, оскільки цілісність дозування смоли безпосередньо впливає на продуктивність процесу underfilling, яка може бути недостатньою у випадку поганої адгезії або пустот у шарі смоли.

Процес underfilling

Заливка (underfilling) BGA полягає в дозуванні рідкої смоли з низькою в’язкістю під компонент BGA. Смола наноситься близько до краю BGA, капілярно тече та заповнює простір між BGA та друкованою платою, таким чином оточуючи припаяні з’єднання BGA. Процес нанесення може здійснюватися різними методами, але зазвичай виконується дозуванням голкою або безконтактним розпиленням у кілька циклів, часто в поєднанні з нагріванням системи для полегшення та збільшення потоку смоли. Після операції дозування іде стадія термічного затвердіння. Після завершення BGA-компонент має смуги смоли з чотирьох сторін і під усією площею BGA.

Візуальний огляд

Візуальний огляд BGA після заповнення дуже обмежений і дозволяє лише перевірити наявність заповнення смолою та її можливий витік на навколишні компоненти. Цей метод не можна використовувати для перевірки будь-яких дефектів, спричинених BGA, наприклад пустот або тріщин. Щоб викрити й перевірити ряди кульок припою BGA, залитих смолою, необхідно виконати випадкові руйнівні поперечні перерізи. Щоб подолати ці обмеження були розроблені методи неруйнівного рентгенівського випромінювання та SAM (Scanning Acoustic Microscopy – скануюча акустична мікроскопія).

Рентгенівське дослідження

Рентгенівське зображення є популярним неруйнівним методом перевірки якості та цілісності збірки. Звичайна абсорбційна візуалізація полягає в освітленні досліджуваного об’єкта рентгенівськими променями та створенні двовимірного профілю інтенсивності пропускання за допомогою детектора, розміщеного безпосередньо за об’єктом. Для заданої енергії рентгенівського фотона поглинання залежить як від щільності, так і від елементного складу об’єкта. Ділянки, що характеризуються великою різницею щільності, дають високий контраст поглинання рентгенівського випромінювання. Таким чином, цей метод зараз широко використовується для перевірки та аналізу дефектів поверхневого монтажу.

Крім того, ще однією перевагою цієї методики є можливість виконання рентгенівської комп’ютерної томографії (КТ), яка полягає в розміщенні між джерелом рентгенівського випромінювання та детектором обертової платформи, яка обертає зразок на 360° рівномірно розподіленими кроками. На основі набору 2D рентгенівських зображень, записаних під час обертання навколо однієї осі, алгоритм пристрою КТ створює точний набір 3D даних, створюючи зображення внутрішньої структури зразка. Отримане зображення можна розглядати як поперечний переріз у будь-якій орієнтації або як загальне тривимірне зображення, що дає змогу досліджувати всі деталі зразка. У багатьох випадках на основі тривимірної рентгенівської томографії можна виявити дефекти без необхідності проведення руйнівних тестів, тобто фізичних поперечних перерізів, що, звичайно, є величезною перевагою при аналізі результатів процесу underfilling.

Незважаючи на останні досягнення в рентгенівських зображеннях і системах обробки цифрових зображень, контраст поглинання для розрізнення різних типів елементів подібної щільності залишається проблемою. Для багатьох матеріалів з високою енергією рентгенівського випромінювання ослаблення рентгенівського випромінювання може бути дуже високим, що призводить до низького поглинання рентгенівського випромінювання, а отже до поганої контрастності зображення. Смоли, які використовуються в процесі заливки, мають дуже низьку щільність порівняно з платами та компонентами, і, крім того, порожнечі у залитій смолі не відрізняються за щільністю в достатній мірі, щоб їх було легко виявити.

Іншим обмеженням рентгенівської комп’ютерної томографії є так зване явище зміцнення променю, зумовлене поліхроматичним характером джерела рентгенівського випромінювання та енергозалежними характеристиками об’єкта. Наявність щільного об’єкта (наприклад, металу, припою) у полі зору КТ може викликати так звані артефакти на створених зображеннях, зокрема темне затінення між кульками припою BGA, як показано на малюнку 1.

Малюнок 1. Розріз рентгенівського знімка BGA (ліворуч) і темні смуги, що з’єднують щільні об’єкти (праворуч).

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