Valatud integraallülituste joodisega saastumise mõju ja analüüs

Abstraktne:

Vormitud IC-de niiskuserosioonist tingitud ioonsaastest põhjustatud töökindlusprobleemid on suhteliselt tavalised, samas kui PCB-joodise saastumisest tulenevad probleemid on harvemad. See artikkel tutvustab tegelikku-juhtu IC töökindluse tõrke tõttu PCB joodise saastumise tõttu, tuvastab joodisega saastumise tingimused ja demonstreerib IC vormitud pakendi elementanalüüsi abil, et joote saastumine võib põhjustada IC töökindluse tõrke. See artikkel illustreerib, kuidas ebaõnnestunud IC-de kuumutamine ja taas-vananemine võivad esile kutsuda nii paranemise kui ka uuesti{4}tõrke. See selgitab, et jootmisega{6}}saastunud IC-paketid on pöördumatud ja võivad teatud tingimustel uuesti ebaõnnestuda. Pinnapaigaldustehnoloogia (SMT) inseneridele antakse soovitusi joote saastumisest tingitud töökindluse tõrgete vältimiseks.

0 Sissejuhatus

PCB-d on kahepoolsed{0}}joodetud ja sisaldavad pindpaigaldus- ja läbi{1}}avadega seadmeid, sh IC-juhtimis- ja toiteajamid, ning neid kasutatakse laialdaselt tööstuslikes juhtimisvaldkondades, nagu uute energiasõidukite laadimisvaiad. Kuigi PCB-del olevate IC-de jootmise kvaliteedi ja töökindluse kohta on palju kirjandust [1–4], on kirjandust IC-de töökindluse tõrgete kohta, mis on põhjustatud joodise saastumisest pärast PCB-dele jootmist. Selles artiklis uuritakse PCB joodise saastumise mõju IC töökindlusele, analüüsitakse IC saastumise tõenäosust erinevatel jootmismeetoditel, IC elektriliste parameetrite rikke ilmnemist pärast saastumist ning rikke kõrvaldamise ja taasesitamise meetodeid.

1 PCB IC jootmismeetodid

Peamine jootmismeetod pindmontaažiga IC-de jaoks PCB-del on reflow-jootmine. Mõned tootjad kasutavad lainejootmist ka PCB-de pinnale paigaldatavate IC-de jaoks. Taasjootmises ja lainejootmises kasutatav joodis on plii-vaba joodis, mis koosneb peamiselt tinast ja sisaldab vähesel määral hõbedat, vaske ja muid metalle. Taasjootmise temperatuur on vahemikus 217 kuni 260 kraadi ja lainejootmise temperatuur on vahemikus 255 kuni 265 kraadi. Viited [5-6] kirjeldavad lainejootmise pinnakinnituse ja läbiva{11}}ava IC-de konkreetseid etappe järgmiselt: valija-ja-asutab pindpaigalduse IC-d määratud asendisse PCB põhjas, nii et selle tihvtid on samal jootmispinnal kui läbiva{{11}IC5}}}. Pinnakinnitusega IC kinnitatakse punase liimiga ja pärast kõrgel temperatuuril kõvenemist on see kindlalt oma kohale kinnitatud. Läbiva-ava IC sisestatakse trükkplaadil määratud asendisse ja PCB saadetakse jootmiseks lainejootmismasinasse, et viia lõpule läbiva-ava IC ja trükkplaadi pindmontaaži IC jootmine.

Mitmekihilised trükkplaadid on kahepoolselt-jootnud ja sisaldavad pind-kinnitusega ja läbi{2}}ava IC-sid. IC-jootmise teostamiseks on kaks võimalust. Üks on trükkplaadi esikülje pealispinna-ühendus-IC jootmine reflow-jootmise teel ja seejärel trükkplaadi tagakülje pinna-ühendus-IC jootmine reflow-jootmise teel ja seejärel trükkplaadi tagaküljel oleva läbiva-ava IC-i jootmine lainejootmise teel. Teine võimalus on lõpetada trükkplaadi esikülje pinna-ühendus-IC jootmine uuesti jootmise teel ning seejärel trükkplaadi tagaküljel asuva pinna-kinnituse ja läbiva{11}}ava IC jootmine lainejootmise teel. Esimene nõuab kahte reflow-jootmist ja ühte lainejootmist, teine ​​aga ühte reflow-jootmist ja ühte lainejootmist. Viimase eeliseks on see, et see vähendab tegevuskulusid ja parandab tootmise efektiivsust [6]. 2. Joodise saastumise tõrge ja asukoht

PCB padjadele trükitud jootepasta kogus määrab tihvtide jootejooksu kõrguse pärast jootmist. Joonisel 1 on kujutatud pind-kinnitusega IC, kus pärast reflow-jootmist ühendab joodis PCB ja IC tihvtid, kuid ainult tihvtide põhja ja külgedega, mitte ei ulatu esiosa ega kõverate külge. Sel juhul ei puutu joote IC vormitud korpusega kokku, mistõttu on joote saastumise tõenäosus väike. Punased nooled joonisel 1 näitavad selgelt värvierinevust jootmata alade vaskjuhtmete ja kaetud alade vahel.

Lainejootmisel läbib PCB sulajoodise poti. Potis olev pump tekitab seisulaine-nagu jootelaine laine. Kui PCB puutub kokku laineharjaga, joodetakse komponent PCB-le. Lainejootmise korral võib jootehari sukeldada kogu joodetava IC-i vormitud korpuse, suurendades oluliselt joodisega saastumise tõenäosust. Saastumise määr võib olenevalt protsessist ja kasutatud materjalidest erineda. Joonisel fig 2 on näidatud pinnale paigaldatavate IC-de morfoloogia samal PCB-l nagu joonisel 1 pärast lainejootmist. Kõik IC-tihvtid on kaetud joodisega ja isegi IC-paketi külje keskel asuva vaskraami järel allesjäänud avatud alad on kaetud joodisega, muutudes joonisel 1 kujutatud kollasest (vase värv) hõbedaseks (joodise katte värv).

Reflow-jootmisel kasutatakse infrapunakuumutust, et sulatada PCB-le trükitud jootepasta, jootes IC-tihvtid PCB-le. Pakendi põhja ja trükkplaadi vahel on 60-100 µm kõrguste vahe ning IC-paketi all ei ole joodist, mistõttu on IC-paketi joote saastumise tõenäosus peaaegu null. Lainejootmisel uputavad jootelaine tipud kogu joodetava IC-paketi, suurendades oluliselt joote saastumise tõenäosust. Kokkuvõtteks võib öelda, et pindmontaažiga IC-pakettide joodisega saastumise tõenäosus on reflow-jootmise puhul väike, kuid lainejootmise puhul kõrge.

Üks sama IC asetati PCB esiküljele ja üks tagaküljele. Esiküljel oli reflow-jootmine ja tagumine lainejootmine. PCB-ga viidi läbi kõrgel-temperatuuril ja võrgus oleva töökindluse vananemise test. IC tingimused olid 50 kraadi ümbritseva õhu temperatuur, Vin=9 V, Iout=15 mA. Esiküljel olev reflow-joodetud IC ei rikkis, samas kui tagaküljel oleva lainejoodetud IC rikke määr oli ligikaudu 5%. Rike väljendus lühises maandusega Vin ja Vout väljundis -0,5 V 10 mA juures (tavaline Vout väljund peaks olema vahemikus 3,23-3,37 V). Samuti ületati Iq, ületades 5 µA. Võrdlus heade IC-dega näitas ostsilloskoopi kasutades ebaõnnestunud IC-i ebanormaalseid I-V kõveraid (Vin-Vss, Vout-Vss jne). Ebaõnnestunud IC niiskuse eemaldamine vaakumkambris 0,13 Pa ja 40 kraadi juures 12 tundi ei muutnud IC käitumist; see ikkagi ebaõnnestus.

Ilmselgelt ei saa niiskuse eemaldamine ebaõnnestunud IC normaalset tööd taastada. Üheks tõendiks niiskuse{1}}indutseeritud IC vananemise tõrke välistamiseks on nii vigase IC kui ka kvalifitseeritud IC pikisuunaline dissekteerimine, mis ei näidanud kiibi pinna ja vormimismassi vahelise kihistumise puudumist (joonis 3). Teiseks tõendiks on niisutamiskatse, mis viidi läbi IC-ga, mis taastus pärast küpsetamist 85-kraadise ja 85% suhtelise õhuniiskuse juures 12 tundi; toode toimis normaalselt ja ei läinud rikki.

Vormitud IC-de ebaõnnestumist niiskuse tõttu ja pärast küpsetamist on kirjeldatud viites [7]. Antud juhul taastus IC pärast küpsetamist pärast riket, välistades põhjusena niiskuse ja kahtlustatakse, et see võib olla seotud joote saastumisega.

Laine{0}}joodetud IC töökindluse tõrgete põhjuste uurimiseks ja pakendi pinna elementide koostise erinevuste tuvastamiseks heade ja ebaõnnestunud IC-de vahel, viidi läbi EDX-analüüs ebaõnnestunud, heade ja uuesti voolavate IC-de IC-pakettide pinnaelementide koostise kohta. Tulemused näitasid, et reflow-joodetud IC-pakettide pinnal Sn-i ei täheldatud, samas kui Sn-i massifraktsioon oli ebaõnnestunud laine-joodetud IC-de puhul suurem kui tavalaine-joodetud IC-de puhul.

On selge, et IC-de töökindluse ebaõnnestumine pärast lainejootmist ja taastumise nähtus pärast küpsetamist on tugevas korrelatsioonis suure koguse Sn-i olemasoluga pakendis. Elementanalüüsiks kasutatud EDX-i kiirenduspinge oli 30 keV ja elementide tuvastamise sügavus oli umbes 6 µm, mis näitab, et ebaõnnestunud IC-d võisid saada pakendi joodisega saastumist lainejootmise tõttu, saastumise sügavusega vähemalt 6 µm. On väga vähe kirjandust joote saastumise mõju kohta IC jõudlusele; vaadati läbi suur hulk uuringuid, kuid teaduslikku seletust ülaltoodud nähtusele ei leitud. Lähim leitud kirjandus [8] uurib ainult reflow ja lainejootmise protsesside jääke, keskendudes räbusti jääkidele. Ei leitud kirjandust, mis hõlmaks IC-pakettide saastumist jootemetallielementidega.

3 Rikkemehhanism ja meetmed

Ebaõnnestunud IC-i sisemine vooluahela struktuur on näidatud joonisel 4. IC-kiip on joodetud Vin-tihvti külge, see tähendab, et IC-kiibi põhimik on ühendatud Vin-tihvtiga, nagu on näidatud joonisel 5. Pärast joote saastumist kastetakse IC-paketti suur hulk metallelemente, näiteks Sn. Need metallelemendid liiguvad IC elektrilise töökindluse vananemise ajal elektrivälja mõjul ja akumuleeruvad aeglaselt kokku. Kui nende metalliioonide kontsentratsioon jõuab teatud tasemeni, ühendavad nad Vin-tihvti ja GND-tihvti, mille tulemuseks on lühis Vin-tihvti maandusega, mille Vin-GND lühisevool on 4,24 mA. Ebaõnnestunud IC küpsetati 150 kraadi juures 12 tundi. Kuumus põhjustas IC-paketti kogunenud suure tihedusega ioonide (nt Sn) ühtlase jaotumise, mille tulemusel paranesid elektrilised omadused ja lühisvool 1,18 mA (joonis 6b). Pärast 24-tunnist pidevat kuumutamist taastusid kõik elektrilised parameetrid normaalseks, lühisvooluga 0,00 mA (joonis 6c).

Kõrgel{0}}temperatuuril küpsetamine jaotab aga IC-paketis ümber ainult Sn ja muud metallelemendid; see ei eemalda neid elemente. Jootemetalli elemendid jäävad IC pakendisse. Teoreetiliselt, kui sarnane elektrilise töökindluse vananemiskatse uuesti läbi viidaks, siis IC ebaõnnestuks uuesti. Katsed on seda kinnitanud, näidates, et rike on pöörduv ja korratav. Küpsetamisel taastunud IC-dele tehti teine ​​vananemiskatse järgmistel tingimustel: Ta=50 kraad, Vin=9 V, lout=30 mA, Vout=3.3 V. 24 tunni pärast ebaõnnestusid IC-d uuesti, näidates ülemäärast Iq-d. Kolme proovi Iq väärtused enne vananemist olid vastavalt 3,273, 4,269 ja 3,763 µA ning pärast vananemist olid need vastavalt 15,011, 5,499 ja 8,206 µA. Normaalne vahemik on alla 5 µA.

Kokkuvõtlikult võib öelda, et IC-paketi joote saastumine on pöördumatu; Kui IC-pakett on saastunud, ei saa see saastunud jooteelemente eemaldada. Kuigi joote saastumisest põhjustatud IC elektriliste parameetrite rike on taastatav, võivad sellised taastatud IC-d teatud tingimustel uuesti ebaõnnestuda, kuna saastunud joodis jääb pakendisse. Tundlike pindade -paigaldatavate IC-de puhul on soovitatav kasutada standardseid reflow-jootmisprotsesse, et vähendada IC-paketi joote saastumise võimalust.

4. Järeldus

Tootmise tõhususe parandamiseks kasutavad mõned SMT tootjad lainejootmisseadmeid, et töödelda korraga nii pinnale paigaldatavaid IC-sid kui ka läbi{0}}avatud IC-sid mitmekihiliste trükkplaatide ühel küljel, mis pakub kulueeliseid. Selles artiklis uuritakse vormitud IC-de jootmise saastumise tõrkemehhanismi ja leitakse, et lainejootmine kujutab endast jootmise ohtu pinnale paigaldatavatele vormitud IC-dele. Lisaks on saastunud IC-d pöördumatud ja nende töökindlus on endiselt muret tekitav. Tundlike pinnale paigaldatavate vormitud IC-de puhul on soovitatav kasutada reflow-jootmist, vältides lainejootmist, et vähendada IC-paketi joote saastumise võimalust.