Електронні компоненти і системи 
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).
Скануюча мікроскопія SAM
Скануюча мікроскопія заснована на ультразвукових хвилях, які використовуються для виявлення пов’язаних з повітрям дефектів, таких як пористість, порожнечі, тріщини або відшарування. Це метод, який зазвичай використовується для оцінки цілісності різних з’єднань електронних компонентів. Для аналізу зазвичай використовуються два основні режими: С-сканування та наскрізне сканування.
У режимі С-сканування перетворювач генерує акустичну хвилю, яка відбивається всіма поверхнями. Відбита хвиля вловлюється одним і тим же перетворювачем, який працює по черзі в режимах випромінювання і прийому, а зображення виходить шляхом сканування всього зразка, рядок за рядком. У режимі наскрізного сканування другий перетворювач розміщується під зразком і вловлює акустичні хвилі, коли вони проходять через зразок.
Протягом багатьох років SAM зарекомендував себе як ефективний метод для аналізу поверхонь і з’єднань елементів типу flip chip. За допомогою цієї техніки можна легко виявити такі дефекти, як розшарування та порожнечі. Корисною інформацією, яку можна отримати за допомогою SAM, є також морфологія та глибина розташування порожнин.
Однак кінцева роздільна здатність зображення SAM залежить від кількох параметрів: одні стосуються конструкції перетворювача (акустична частота, апертури), а інші — тестового зразка (акустичне загасання матеріалу, глибина дослідження). Щоб збільшити роздільну здатність, необхідно збільшити звукову частоту, що, однак, зменшить глибину дослідження.
SAM можна використовувати для аналізу дефектів процесу underfilling. Завдяки цьому методу можна з високою точністю контролювати рівень пустот, виявляти відсутність смоли або її розшарування. Однак, як згадувалося, товщина аналізованого шару є проблемою, і для того, щоб контролювати весь поперечний переріз, рекомендується знизити частоту, що збільшує глибину проникнення.
У випадку компонентів BGA/LGA наявність багатьох шарів у ламінаті та багатьох точок контакту робить режим C-сканування не дуже корисним. Компоненти BGA/LGA містять посилену підкладку друкованої плати, виготовлену з кількох шарів скловолокна, які відбивають акустичні хвилі в усіх напрямках. Це призводить до високого загасання акустичних хвиль, що унеможливлює отримання чіткого відлуння в результаті прямого відбиття.
Іншою альтернативою може бути SAM у режимі наскрізного сканування, особливо при використанні останніх досягнень у конструкції перетворювачів, наприклад, використання перетворювачів прямого фокусування без лінз. Такі перетворювачі дозволяють сканувати повнорозмірну друковану плату та контролювати шар смоли. Однак недоліком є те, що в цьому режимі можна досягти лише низької роздільної здатності та виявити лише великі X-Y розшарування в діапазоні 1 мм.
На малюнку 2 показана материнська плата смартфона, яка аналізувалася в режимі наскрізного сканування. За допомогою цієї методики вдалося виявити великі пустоти смоли під LGA, що було підтверджено деструктивним поперечним зрізом.
Малюнок 2. Ліворуч: зображення наскрізного сканування – видимі порожнечі в шарі смоли під вузлом LGA (червоні стрілки). Праворуч: поперечний переріз LGA – видимі порожнечі в шарі смоли під вузлом LGA (червоні стрілки).
Через дуже низький зазор і специфічну конструкцію з великою центральною прокладкою компоненти в QFN-корпусах зазвичай не підходять або не сумісні з технологією underfilling. Завдяки спеціальному експерименту за допомогою пристрою, що працював в режимі C-scan, були виявлені дефекти залитих QFN-корпусів (пустоти в шарі смоли). Зменшивши частоту, можна було оглянути та відобразити всю товщину формувальної суміші. У режимі наскрізного сканування також можна було перевірити QFN-корпус після процесу underfilling, але це було можливо лише за нижчої роздільної здатності. Порівняння якості обох зображень показано на малюнку 3.
Малюнок 3. Ліворуч. Зображення QFN-корпусу після процесу underfilling, отримане в режимі С-сканування (червоні стрілки вказують на порожнечі). Праворуч: Зображення QFN-корпусу після процесу underfilling, отримане в режимі наскрізного сканування (червоні стрілки вказують на порожнечі).
Було виявлено, що, на відміну від QFN-корпусів, неможливо ефективно перевірити шар смоли під BGA-корпусом методом C-сканування. Як було наголошено раніше, наскрізне сканування можна використовувати лише як перший етап перевірки, виявляючи наявність великих пустот у шарі смоли під корпусом компонента. Подальший аналіз потребує деструктивних (або напівдеструктивних) планарних поперечних перерізів зразків, які дозволяють оглянути всю площу під компонентом і виявити дефекти, такі як приховані пустоти. Однак ця методика має обмеження. По-перше, це дуже трудомістко. Більше того, щоб повністю контролювати весь об’єм шару смоли, потрібно більше одного поперечного перерізу, включаючи принаймні контактний шар між BGA та шаром смоли та контактний шар між смолою та друкованою платою. Однак, цей метод може стати набагато ефективнішим, якщо використовувати його разом із SAM.
Плоскі, площинні поперечні перерізи можна зробити звичайним механічним поліруванням, однак воно було виконано за допомогою прецизійного мікрополірування. Цей тип мікрополірування зазвичай призначений для декапсуляції компонентів і аналізу задньої сторони матриці. Зразок розміщують на спеціально розробленому рухомому столі, який коливається в напрямках X і Y. Обертовий інструмент із керуванням по осі Z забезпечує точне та повторюване шліфування до заданої товщини, а також дзеркальне покриття без подряпин. За допомогою цього інструменту можна точно контролювати глибину шліфування та зупинятися безпосередньо перед межею розділу, що цікавить, а потім виконувати аналіз SAM.
Було проведено C-сканування контактів компонент/смола та смола/плата з боковою роздільною здатністю близько 50 мкм. З такою високою роздільною здатністю можна виявити навіть невеликі порожнечі, в тому числі розташовані в найскладніших місцях, тобто між паяними з’єднаннями BGA. Ця техніка дозволила виявити різні типи порожнеч у смолі, наприклад, локальні порожнечі в основі паяних з’єднань BGA або більші порожнечі, які заповнюють проміжки між двома сусідніми з’єднаннями.
Малюнок 4. Ліворуч. C-сканування BGA після мікромеханічного полірування. Праворуч. Детальний вигляд нижнього шару смоли між паяними з’єднаннями: порожнечі в заповненні (жовті стрілки) і порожнечі, утворені між двома паяними з’єднаннями (червоні стрілки).
Щоб повністю визначити структуру пустот у нижньому шарі, було виконано серію планарних поперечних перерізів, крок за кроком, від інтерфейсу BGA/смола до інтерфейсу друкована плата/смола, поєднавши їх з оптичними спостереженнями на кількох проміжних глибинах. Як показано на малюнку 5, деякі порожнечі були виявлені лише SAM, тоді як оптична перевірка не змогла їх побачити.
Малюнок 5. Така сама область заповненого вузла BGA після мікромеханічного полірування в режимі С-сканування (ліворуч) і в оптичному поляризованому світлі після подальшого плоского полірування (праворуч). Деякі порожнечі видно як після C-сканування, так і після оптичного огляду (жовті стрілки), але деякі з них видно лише під час C-сканування (червоні стрілки).
Резюме
Якість і цілісність underfilling безпосередньо впливає на механічні властивості системи, що вимагає належної перевірки. Однак, як описано в статті, а також у довідковому галузевому стандарті IPC J-STD-030A, існують обмежені варіанти для контролю стану шару смоли під компонентами:
- Найпростіший візуальний огляд дозволяє лише перевірити порожнечі та можливу надлишкову кількість смоли на краях компонентів, очевидно, не дозволяючи жодного огляду області під BGA.
- Рентгенівська комп’ютерна томографія також виявляється непридатною для огляду порожнечі через низький контраст зображення та явища посилення променю.
- Скануюча мікроскопія SAM є неруйнівним методом, який широко використовується в індустрії мікросхем для перевірки схем flip-chip. На рівні плати SAM можна використовувати в управлінні WLP або QFN, але через наявність підкладки друкованої плати його корисність сильно обмежена у випадку компонентів BGA. Сам по собі SAM можна використовувати для виявлення великих площ пустот.
Для правильного, повного контролю шару смоли під BGA необхідна спеціальна підготовка зразків руйнівними методами. Оптимальний результат виходить при поєднанні високоточного плоского поперечного перерізу і методики SAM, що дозволяє повністю обстежити всю площу BGA. Ця комбінація може забезпечити точне картографування X-Y дефектів та виявлення різноманітних пустот із чудовою точністю. Він також може виявити відшарування на всю глибину шару смоли. Цей метод пропонує найкращий рівень виявлення дефектів, і тому його рекомендовано для початкової перевірки налаштування процесу або кваліфікації продукту.
В якості альтернативи також можна розглянути оптичну перевірку, виконану на плоских поперечних перерізах зразків BGA. Ця простіша техніка дозволяє виявляти порожнечі в шарі смоли, але з деякими обмеженнями. Деякі дефекти можуть бути не виявлені (або належним чином інтерпретовані), якщо вони не розташовані поблизу однієї осі Z. Цей недолік оптичного контролю можна частково компенсувати виконанням дуже великої кількості спостережень у різних площинах поперечних перерізів, що, однак, залишається більш трудомістким і менш ефективним, порівняно з технікою SAM.
Джерело: «Control of the Underfill of Surface Mount Assemblies by Non-Destructive Techniques» .Julien Perraud, Shaïma Enouz-Vedrenne, Jean-Claude Clement © Thales Research and Technology Palaiseau, Arnaud Grivon © Thales Global Services.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
