MECHANISMY VZNIKU DUTIN U BEZOLOVNATÝCH PÁJENÝCH SPOJŮ A VLIV NA SPOLEHLIVOST

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY TECHNOLOGIÍ

A KOMUNIKAČNÍCH

ÚSTAV ELEKTROTECHNOLOGIE FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND ELECTRONIC TECHNOLOGY

MECHANISMY VZNIKU DUTIN U BEZOLOVNATÝCH PÁJENÝCH SPOJŮ A VLIV NA SPOLEHLIVOST LEAD-FREE VOIDS CAUSE MECHANISMS AND INFLUENCE ON RELIABILITY

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Vojtěch Šimon

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2015

Ing. Jiří Starý, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektrotechnologie

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Mikroelektronika a technologie Student: Ročník:

Vojtěch Šimon 3

ID: 154886 Akademický rok: 2014/2015

NÁZEV TÉMATU:

Mechanismy vzniku dutin u bezolovnatých pájených spojů a vliv na spolehlivost POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Prostudujte odbornou literaturu z oblasti kvality pájených spojů a výskytu dutin (voidů), realizovaných bezolovnatým pájením přetavením. Rešeršním způsobem se soustřeďte na jednotlivé druhy a mechanismy vzniku dutin u bezolovnatých pájených spojů a vliv dutin na spolehlivost pájeného spoje. Podrobněji zpracujte materiálové a procesní faktory podílející se na vzniku dutin v pájených spojích a na rozměrových změnách dutin, ev. i souvislost s růstem prasklin ve spojích. Zpracujte metody vhodné na kontrolu dutin v pájených spojích. Uveďte i odpovídající odkazy na požadavky norem (ČSN-EN, IPC aj.). Na vybraných skupinách neopravovaných DPS pozorujte v pájených spojích pomocí rentgenu dutiny, praskliny i jiné nehomogenity. Podobná pozorování proveďte i na opravovaných DPS. Výsledky statisticky zpracujte. Proveďte mikrovýbrus pájených spojů. Pozorujte a vyhodnoťte pájené spoje i dutiny opticky. Pomocí SEM i prvkové analýzy vyhodnoťte intermetalické oblasti. Diskutujte dosažené výsledky.

DOPORUČENÁ LITERATURA: Podle pokynů vedoucího práce Termín zadání:

10.2.2015

Termín odevzdání:

Vedoucí práce: Ing. Jiří Starý, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:

doc. Ing. Jiří Háze, Ph.D. Předseda oborové rady

4.6.2015

Abstrakt Tato práce se zabývá rozborem chybovosti bezolovnatého pájení, především pak výskytu dutin v bezolovnatých pájkách. Cílem bádání je izolovat mechanismy jejich vzniku a pokusit se o optimalizaci pájecího procesu. V navazující praktické části se zabývá sledováním počtu a velikosti dutin v pájeném spoji. K tomuto účelu je použit rentgenový tomograf, který umožňuje pozorování nedestruktivní metodou. Statisticky zpracovává výskyt dutin u konvenčně pájených spojů a lokálně pájených spojů metodou infračerveného ohřevu.

Klíčová slova pájka, bezolovnaté pájení, dutina, makrodutina, mikrodutina, mikropropoj, spolehlivost, tavidlo, teplotní profil, povrchová úprava, rentgen

Abstract The aim of this work is to analyze reliability of lead-free solder join, in particular the voids generated during the soldering process. The main target of the theoretical part of the work is to isolate basic mechanisms of formation of the voids and optimize the soldering process. The practical part of the paper is based on monitoring the count and size of the voids in a solder join. An X-Ray tomograph has been chosen as a nondestructive method of detection. The statistical part of this work compares conventional soldering of the entire board with local soldering by IR radiation.

Key words solder, lead-free soldering, void, macrovoid, microvoid, microVia, reliability, flux, heat profile, surface finish, X-Ray

ŠIMON, V. Mechanismy vzniku dutin u bezolovnatých pájených spojů a vliv na spolehlivost. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2015. 55 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jiří Starý, Ph.D..

Prohlášení Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma „Mechanismy vzniku dutin u bezolovnatých pájených spojů a vliv na spolehlivost“ jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedeného bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb.

V Brně dne 3. června 2015

............................................ podpis autora

Poděkování Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Starému, Ph.D. za metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování bakalářské práce.

Dále bych velice rád touto cestou poděkoval společnosti Sanmina za umožnění přístupu k vybavení, díky kterému bylo možné tuto práci, zejména pak praktickou část, realizovat. Toto poděkování dále patří zejména Ing. Bžoňkovi a Ing. Valovi, kteří se mnou trpělivě konzultovali v průběhu praktické části této bakalářské práce.

V Brně dne 3. června 2015

............................................ podpis autora

Obsah Seznam obrázků ................................................................................................................ 7 Seznam tabulek ................................................................................................................. 8 Úvod.................................................................................................................................. 9 1

2

Bezolovnaté pájení .................................................................................................. 10 1.1

Iniciativa omezení používání olova ................................................................. 10

1.2

Pájecí slitiny ..................................................................................................... 12

1.3

Tavidla.............................................................................................................. 15

1.4

Povrchové úpravy............................................................................................. 16

1.5

Dopad na indikátory spolehlivosti ................................................................... 17

1.6

Důležitost spolehlivosti v dnešní době ............................................................. 18

Dutiny v pájeném spoji ............................................................................................ 19 2.1

Dutiny v pájkách z pohledu současných norem ............................................... 20

2.2

Typy dutin a jejich vznik.................................................................................. 23

2.2.1

Makrodutiny.............................................................................................. 23

2.2.2

Dutiny v mikropropojích .......................................................................... 26

2.2.3

Mikrodutiny .............................................................................................. 28

2.2.4

Kirkendallovy voidy ................................................................................. 29

2.2.5

Shrink hole voidy ...................................................................................... 30

2.2.6

Pin hole voidy ........................................................................................... 31 Shrnutí poznatků o voidech ............................................................................. 32

2.3 3

Praktická část ........................................................................................................... 33 3.1

Zadání praktické části ...................................................................................... 33

3.2

Pozorování dutin v BGA pomocí rentgenového tomografu ............................ 34

3.2.1

X-ray tomografie....................................................................................... 34

3.2.2

Sledované jevy .......................................................................................... 35

3.2.3

Návrh experimentu ................................................................................... 36

3.2.4

Technologický postup práce s rentgenem ................................................. 37

3.2.5

Dosažené výsledky a diskuse .................................................................... 38

3.3

Zhotovení mikrovýbrusu a porovnání s X-RAY .............................................. 43

Závěr ............................................................................................................................... 46 Seznam literatury ............................................................................................................ 47 Seznam příloh ................................................................................................................. 49 Seznam zkratek ............................................................................................................... 50 Přílohy............................................................................................................................. 51 6

Seznam obrázků Obrázek 1: Procesy, podílející se na rozpouštění olova [1] ............................................ 10 Obrázek 2: Fázový diagram eutektické slitiny SnPb [5] ................................................ 12 Obrázek 3: Fázový diagram SAC pájky [6].................................................................... 13 Obrázek 4: Rentgenový snímek dutin v BGA, vytvořených během sériové výroby ...... 19 Obrázek 5: Procesní void v kuličce BGA [11] ............................................................... 23 Obrázek 6: Dutina způsobená nezaplněním mikropropoje [11] ..................................... 26 Obrázek 7: Dutina přemístěná z mikropropoje do spoje [11] ......................................... 27 Obrázek 8: Mikrodutiny na rozhraní měděné plochy a pájky [11] ................................. 28 Obrázek 9: Vznik Kirkendallových voidů [11] .............................................................. 29 Obrázek 10: Shrink hole voidy, nejedná se o crack [12] ................................................ 30 Obrázek 11: Vzhled pin hole voidů na snímku z elektronového mikroskopu [11] ....... 31 Obrázek 12: Poloha a velikost jednotlivých typů dutin [10] ......................................... 32 Obrázek 13: Prasklina vytvořená na přetaveném BGA (infračervený ohřev) ................ 36 Obrázek 14: Příklad správné a chybné detekce obvodu a voidů .................................... 37 Obrázek 15: Void a prasklina v jedné kuličce – před opravou ....................................... 39 Obrázek 16: Typické rozložení voidů v BGA neopravené DPS .................................... 40 Obrázek 17: Barevné znázornění hustoty BGA kuličky s prasklinou dlouhou 0,2 mm . 40 Obrázek 18: Prasklina na BGA kuličce po přetavení ..................................................... 41 Obrázek 19: Charakteristický vzhled BGA po přetavení - žádné voidy, prasklina ........ 41 Obrázek 20: Graf četností jednotlivých defektů u neopravených DPS .......................... 42 Obrázek 21: Graf četností jednotlivých defektů u desek po opravě ............................... 42 Obrázek 22: Void na mikrovýbrusu v optickém mikroskopu......................................... 43 Obrázek 23: Detail voidu na mikrovýbrusu - je vidět tvořící se prasklina ve spodní části voidu ............................................................................................................................... 44 Obrázek 24: Proporce mikrovýbrusu : výška 214,12 µm, šířka 516,91 µm a průměr voidu 104,03 µm ....................................................................................................................... 44 Obrázek 25: Vybrušovaný void na rentgenovém snímku ............................................... 45

7

Seznam tabulek Tabulka 1: Pájecí slitiny s teplotou tavení pod 180 °C [4] ............................................. 13 Tabulka 2: Pájecí slitiny s teplotou tavení mezi 180-200 °C [4] .................................... 13 Tabulka 3: Pájecí slitiny s teplotou tavení mezi 200-230 °C [4] .................................... 14 Tabulka 4: Srovnání typů povrchových úprav [9] .......................................................... 16 Tabulka 5: Povolená velikost voidů dle normy IPC-7095C pro kuličky o průměru 1-1,5 mm .................................................................................................................................. 20 Tabulka 6 : Povolená velikost voidů dle normy IPC-7095C pro kuličky o průměru 0,50,8 mm ............................................................................................................................ 21 Tabulka 7: Povolená velikost voidů dle normy IPC-7095C pro kuličky o průměru 0,3 0,5 mm ............................................................................................................................ 22 Tabulka 8: Defekty na neopravených DPS ..................................................................... 38 Tabulka 9: Počet voidů a dalších defektů na opravených DPS ...................................... 39

8

Úvod Pájení je v dnešní době neodmyslitelný proces, který se podílí na výrobě snad každé elektroniky, od nejjednodušších kontaktů pájených ručně až po nejkomplikovanější obvody, které jsou vyrobeny plně automatizovanými linkami. Žádné zařízení napojené na elektrický proud se bez pájecích postupů neobejde. S rozmachem elektroniky v takto obrovském měřítku bylo ovšem nutné řešit i ekologické otázky, zejména pak nutnost používat v pájených spojích olovo. Negativní vliv olova na lidský organismus je znám již velmi dlouho, od roku 1970 se postupně zamezuje jeho používání ve všech odvětvích průmyslu. Olovnaté látky jsou předmětem těchto omezení zejména pro své vysoké uplatnění a vysokou toxicitu. Získávání olova z rud není energeticky náročné a jeho vlastnosti jsou v mnoha ohledech unikátní. To velmi přispělo k velké oblibě tohoto těžkého kovu u výrobců elektrotechnického, chemického, těžebního, zpracovatelského a jiného průmyslu. Největší pozornost je v současnosti věnována olovu v hračkách, kosmetice, obalových materiálech, palivech, nátěrových hmotách, automobilovém průmyslu a konečně v elektronických zařízeních. Z výše uvedených i mnoha dalších důvodů se tak za posledních 40 let výrazně změnily používané materiály ve výrobě, především pak pájecí slitiny a tavidla. S tím souvisí i změna některých výrobních postupů. Těmito změnami se budu v práci zabývat, protože především ony stojí za zvýšením výskytu dutin v pájených spojích. Další kapitolou této práce je praktické sledování výskytu dutin v pájených spojích. Toto sledování bude prováděno zejména rentgenovým tomografem, díky kterému můžeme získat nedestruktivní metodou statisticky významné množství dat. Dozvíme se zejména velikost a počet dutin a jejich umístění v prostoru spoje, což nám dá užitečné informace pro závěrečnou část práce. Touto částí je vytvoření mikrovýbrusu. Spolu s již získanými daty se tak nabízí přímé porovnání, jak vypadají voidy na rentgenu, v 3D snímku a v reálné podobě. Dále se pokusím sestavit metodiku detekce voidů, která bude zahrnovat všechny použité metody v této práci a nabídne nejlepší možnou kvalitu detekce v nejkratším možném čase.

9

1

Bezolovnaté pájení

Z důvodu vysoké toxicity olova a jeho sloučenin bylo zapotřebí nahradit pájecí slitiny méně toxickými materiály, které mají nejen příznivější dopad na životní prostředí, ale také splňují nastavená kritéria pro již zavedené technologie a postupy při pájení. Tento krok ovšem nespočívá pouze v nalezení alternativní slitiny s požadovanou pevností, ale i v řešení otázky použití vhodných tavidel, úpravy výrobních zařízení pro vyšší teploty a nalezení vhodných povrchových úprav DPS. Tím se zabývá tato kapitola, která si dává za cíl přinést ucelený přehled výše uvedených vlivů a jejich dopadu na spolehlivost pájených spojů.

1.1 Iniciativa omezení používání olova V Evropě se na zákazu používání olova v pájecích slitinách podílí směrnice vydané Evropskou unií v roce 2003. Jsou po směrnice 2002/96/EC o použitých elektrických a elektronických zařízeních (WEEE) a směrnice 2002/95/EC zabývající se používáním nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních (RoHS). První zmíněná směrnice (WEEE) definuje systém zpětného odběru použitého zboží, který ukládá podnikům nést náklady na sběr odpadu, jeho manipulaci a recyklaci. Spotřebitel musí mít možnost odnést elektronický a elektrický odpad na sběrná místa zdarma. Nové výrobky pak musí být z co největší části recyklovatelné. Druhá směrnice (RoHS) upravuje obsah nebezpečných látek, na jejichž seznamu je i olovo. Výjimkou jsou aplikace, pro které neexistuje vhodná náhrada. [1] Problém olovnatých pájek je zejména v tom, že elektrické spotřebiče často končí na skládkách, kde ve vodě nerozpustné olovo oxiduje a je vystaveno kyselé dešťové vodě. Působením kyselého deště vznikají reaktanty, jejichž hlavním nebezpečím je rozpustnost ve vodě. Takto rozpuštěné olovnaté látky mohou snadno proniknout do vodních toků a ohrozit životní prostředí i zdraví lidí.

Obrázek 1: Procesy, podílející se na rozpouštění olova [1]

10

Jak můžeme vidět na obrázku 1, vlivem vlhkosti, kyselého deště a teploty se rozpustnost olova ve vodě a jeho přechod do vodních toků značně zvyšuje. Problematická je především nemožnost kontroly, zda uživatelé zařízení vyhazují do komunálního odpadu, který končí na skládkách. Stejně tak nemůžeme ovlivnit žádný ze zmíněných faktorů, jenž má za následek chemické reakce olova a jeho sloučenin. Z tohoto pohledu se plošná regulace výskytu olova v odpadu jeví jako jediný možný způsob. Mezi nejnebezpečnější toxické vlastnosti olova patří neurotoxické a neurologické účinky, které se nejvíce projevují u dětí do šesti let. Dětské tělo zachytí až 50% olova, jenž se dostalo do organismu. To se akumuluje v játrech, ledvinách a v kostech zejména proto, že organismus má jen velmi omezené možnosti, jak ho z těla vyloučit. Nejkritičtější dopad má olovo na vyvíjející se orgány a nervovou soustavu. To může mít za následek poruchy vývoje nervové soustavy, opožděný vývoj dítěte a negativní dopad na duševní zdraví. [2] Ač je vyloučení olova z elektrotechnické výroby bezesporu ekologicky přínosné, nesmíme zapomínat ani na negativní dopady, které tato iniciativa má. Celé odvětví bylo potřeba modernizovat, což znamenalo obrovské náklady. Z následujícího výčtu si můžeme udělat obrázek, o jak velké náklady se jedná:       

Přetavovací pece musely být nahrazeny výkonnějšími modely, neboť teplota tavení bezolovnatých pájek je vyšší než u olovnatých. Mnohem více se také začaly využívat ochranné atmosféry, na které nebyly staré pece přizpůsobené. Zařízení pro pájení vlnou byla také nahrazena zcela novými. Bezolovnaté pájky jsou více erozivní a nová zařízení si vyžádala použití více odolnějších materiálů. Spolu s tím stoupla spotřeba dusíku, který se tak musel zahrnout do nákladů spojených s pájením. Pájecí slitiny i pasty neosahující olovo jsou dražší, než olovnatá pájka. Je to způsobeno obsahem drahých kovů, zejména stříbra, které tak na základě vysoké poptávky ještě podražilo. Náklady na dražší bezolovnaté součástky a DPS s bezolovnatou povrchovou úpravou mědi jsou vyšší než olovnaté alternativy. Bezolovnaté pájení s sebou nese vyšší chybovost ve výrobě. Pouhý pohled nám již nic neřekne o kvalitě spoje. Bylo potřeba investovat do nových testovacích zařízení a vyzkoumat nové metodologie indikace kvality pájeného spoje. V přechodné době zavádění těchto technologií navíc bylo navíc potřeba provozovat obě technologie, jak olovnatou, tak i bezolovnatou, souběžně. K tomu byly zapotřebí větší skladové i výrobní kapacity.

[3]

11

1.2

Pájecí slitiny

Vybrat vhodnou pájecí slitinu je nelehký úkol. Rozhodování je často plné kompromisů a téměř vždy je nutné volit mezi parametry, jako je pevnost spoje, teplota tavení, smáčivost, vhodnost pro konkrétní povrchovou úpravu, náchylnost k oxidaci, toxicita a samozřejmě cena. Navíc jsou udávané vlastnosti často dosažitelné pouze za speciálních podmínek. Vhodným příkladem může být lepší smáčivost bezolovnatých pájek, která se ovšem projevuje pouze, pokud pájíme v ochranné dusíkové atmosféře. Stejně tak bychom mohli hovořit i o oxidaci. [4] Praktickou ukázkou toho, jaké vlastnosti můžeme od bezolovnatých pájek různých složení očekávat, je následující tabulka. Zde můžeme vidět nejčastější slitiny používané pro měkké pájení a procentuální zastoupení jednotlivých prvků v nich. Pro lepší přehlednost si ji rozdělíme do tří částí podle teploty tavení. Pokud je u teploty uvedeno písmeno „e“, znamená to, že je slitina eutektická. Použití eutektické slitiny je výhodné zejména proto, že všechny její části v tomto eutektickém bodě tuhnou stejně rychle. Nestihnou se tak vytvořit velké krystaly jednoho prvku, které by měly špatný vliv na pevnost pájeného spoje. Navíc zde dojde k lepšímu promísení obou složek, které je nezbytné k tomu, aby slitina měla vlastnosti, jež od ní očekáváme. Na obrázku 2 je uveden názorný příklad fázového diagramu popisujícího jednotlivé fáze slitiny SnPb pro různé procentuální zastoupení obou kovů. Všimněte si zejména, jaký vliv má podíl cínu v pájce na teplotu tavení a na výskyt přechodného pastovitého skupenství, které je příčinou nehomogenit v pájeném spoji.

Obrázek 2: Fázový diagram eutektické slitiny SnPb [5]

12

Obrázek 3: Fázový diagram SAC pájky [6]

Jak je na obrázku 3 vidět, zde je celá situace již o mnoho složitější. Eutektická pájka je jen jednou z řady SAC pájek, které se používají.

Tabulka 1: Pájecí slitiny s teplotou tavení pod 180 °C [4] Systém Sn-Bi Sn-In Bi-In

Složení (hm%) Sn-58Bi Sn-52In Sn-50In Bi-33In

Rozsah teplot tavení [°C] 138 (e) 118 (e) 118-125 109 (e)

Tabulka 2: Pájecí slitiny s teplotou tavení mezi 180-200 °C [4] Systém Sn-Zn Sn-Bi-Zn Sn-Bi-In

Složení (hm%) Sn-9Zn Sn-8Zn-3Bi Sn-20Bi-10In

Rozsah teplot tavení [°C] 199 (e) 189-199 143-193

13

Tabulka 3: Pájecí slitiny s teplotou tavení mezi 200-230 °C [4] Systém Sn-Ag Sn-Cu(+Ni) Sn-Ag-Bi Sn-Ag-Cu Sn-Ag-Cu-Sb

Složení (hm%) Sn-3,5Ag Sn-0,7Cu (+ 0,05 Ni) Sn-3,5Ag-3Bi Sn-3,8Ag-0,7Cu Sn-2Ag-0,8Cu-0,5Sb

Rozsah tep. tavení [°C] 221 (e) 227 (e) 206-213 217 (e) 216-222

Značení SA SC, SN100C SAC

Jak je z tohoto přehledu zřejmé, nejčastější využití našly pájecí slitiny z poslední uvedené tabulky, tedy s teplotami tavení v rozmezí 200-230 °C. Tomu napovídá i fakt, že se pro některé z těchto slitin ustanovila i označení, která přešla jak do odborné řeči, tak i do literatury, kde se s těmito konkrétními slitinami můžeme nejčastěji setkat. Jak si také můžeme všimnout, mnohé z těchto slitin jsou eutektické. Tento závěr by sám o sobě samozřejmě nedával smysl. Proč používat teplotně nejnáročnější slitiny, které jsou vzhledem k přítomnosti vzácných kovů i poměrně drahé? Bližší vysvětlení můžeme najít v práci doc. Ing. Szendiucha [7], kde jsou popsány funkce a vlastnosti kovů v pájecích slitinách. Pro lepší orientaci zde uvedu nejdůležitější body. 



      

cín (Sn) – základní kov v pájkách jak olovnatých, tak bezolovnatých; jeho hlavní výhodou je dobrá smáčivost povrchů a poměrně nízká teplota tavení; má dobrou elektrickou i tepelnou vodivost; nevýhodami jsou nízká mechanická pevnost a snadná tvorba intermetalických slitin měď (Cu) – v pájkách hojně používaný prvek, zvláště pro výrobu vodičů; má dobrou smáčivost a mechanickou pevnost; nevýhodou je, že se rozpouští v pájkách s vysokým obsahem cínu, čímž ovlivňuje jakost (snížení pevnosti a zvýšení rezistivity) stříbro (Ag) – drahý kov; má dobré elektrické vlastnosti; používá se pro tvorbu bezolovnatých pájek; snižuje bod tání; zlepšuje smáčivost a zvyšuje pevnost spoje bismut (Bi) – snižuje bod tání; smáčivost je spíše průměrná; výhodou je nízká cena; získává se jako produkt při čištění olova indium (In) – má velký vliv na snížení bodu tavení slitiny; teplota tavení je 156 °C; má dobrou smáčivost povrchu; mechanické vlastnosti jsou podprůměrné; vysoká cena kovu a vysoká spotřeba v eutektických pájkách využití snižuje antimon (Sb) – zvyšuje pevnost; snižuje povrchové napětí; toxický pro lidský organismus zinek (Zn) – má nízký bod tání, výhodou je nízká cena nikl (Ni) – zabraňuje odsmáčení germanium (Ge) – zabraňuje oxidaci

[7], [8]

Z výše uvedeného přehledu můžeme pochopit, proč jsou nejpoužívanější pájecí slitiny právě SA, SAC a SN100C. Stříbro a měď se starají o dostatečnou smáčivost a taktéž zlepšují elektrické vlastnosti cínu. Oproti některým výše zmíněným kovům nejsou toxické a jejich zastoupení v eutektické slitině se pohybuje v jednotkách procent, což nemá tak velký vliv na výslednou cenu pájky, jaký by mělo například 50% india.

14

1.3

Tavidla

Tavidla mají v procesu pájení velmi důležitou úlohu. Jejich funkce by se daly rozdělit na chemické, fyzikální a tepelné. V tomto rozdělení vyzdvihnu především ty funkce, které se uplatňují u bezolovnatého pájení:  





Chemická funkce: Díky své vysoké reaktivitě dokáže odstraňovat zbytky nečistot a oxidů na povrchu, kde se má vytvořit pájený spoj. Dále vytváří ochranné prostředí, které brání další oxidaci. Fyzikální funkce: Po chemickém působení tavidla zůstávají na pájeném povrchu produkty těchto reakcí. Fyzikální funkcí tavidla je jejich odstranění z pájeného povrchu a umožnění přímého styku pájky s oběma pájenými povrchy. Další důležitou funkcí je snížení povrchového napětí mezi pájkou a pájenou plochou, což umožní dobré roztečení pájky a vytvoření kvalitního spoje. Tato funkce je důležitá zejména u bezolovnatých pájek, které mají mnohem větší povrchové napětí než pájky obsahující olovo. Tepelná funkce: Další velmi důležitou funkcí je podpora přenosu tepla k pájenému místu. Tento bod opět nabývá mnohem větší důležitosti u bezolovnatých pájek, kde se teploty tavení pohybují často na maximální hranici technologického okna. Pokud by nebyl přenos tepla dostatečný, museli bychom buď ještě zvýšit teplotu a ohrozit tím pájené součástky, nebo prodloužit dobu, během které by se teplota ohřevu pohybovala nad teplotou tavení. Oba postupy by měly fatální vliv na pájený spoj. [4]

První podstatnou změnou v tavidlech, která jsou používána pro bezolovnaté pájení, je teplota, při které se tavidlo aktivuje. Aktivací tavidla myslíme změnu jeho fyzikálních a chemických vlastností, které se aktivací uvedou do stavu, jenž od tavidla vyžadujeme. Pokud by bylo tavidlo aktivováno moc brzy, všechny jeho aktivní složky by se mohly degradovat ještě dříve, než by došlo k roztavení pájky, a tím by pozbylo veškeré své funkce. Další důležitou podmínkou je vyšší obsah aktivátorů v tavidle. Bezolovnaté pájky mají vyšší podíl cínu, díky čemuž snadněji oxidují a také mají vyšší povrchové napětí než pájky s olovem. Pokud má být potlačena oxidace a sníženo povrchové napětí pájecí slitiny na úroveň, která je přijatelná pro tvorbu spolehlivých spojů splňujících normy, musí být tavidlo více aktivované. Z toho je zřejmé, že volba tavidla je nadmíru důležitá, nicméně nemůžeme spoléhat na to, že problém bezolovnatého pájení zcela vyřeší. Vysoce aktivovaná tavidla také zanechávají stopy v okolí pájeného spoje, a ty je nutné čistit. Proto se již delší dobu používají především bezoplachová tavidla, která jsou přijatelným kompromisem mezi stupněm aktivace a vlivem na životní prostředí.

15

1.4

Povrchové úpravy

Jak víme z předchozí kapitoly, upouští se od používání silně aktivovaných tavidel, což nás staví opět před otázku, jak zajistit, aby se pájka dostatečně roztékala po měděné ploše. Vysoké povrchové napětí bezolovnaté pájky snižuje smáčivost mědi, proto je vhodné řešit tento problém již na úrovni výroby desky plošných spojů. Mechanismy, kterými povrchové úpravy přispívají ke spolehlivosti, by se daly shrnout do několika bodů:   

 

Zvýšení smáčivosti měděného povrchu: vhodná povrchová úprava zvyšuje povrchové napětí pájecí plošky, a zlepšuje tak roztečení bezolovnaté pájky Ochrana měděných ploch před působením tavidel: vysoce aktivovaná tavidla se chovají jako kyseliny, proto mohou kromě své primární funkce také poškozovat měděnou plochu Povrchová úprava může zabraňovat difuzi mezi mědí a cínem: difuze způsobuje na rozhraní dvou kovů intermetalické sloučeniny, které narušují pevnost spoje; na tvorbu intermetalických sloučenin je potřeba dát při výběru povrchové úpravy pozor, některé z nich tento efekt mohou naopak posílit; rozdílná rychlost difuze také způsobuje tvorbu mikrovoidů, více o tomto tématu v kapitole 2.2.2 Ochrana před oxidací: desky plošných spojů se často skladují delší dobu, měď bez povrchové úpravy začíná rychle oxidovat, což desku zcela znehodnocuje Rovinnost povrchu: Pro některé aplikace může být výsledný povrch vytvořený galvanickým pokovením nedostatečně rovný. V tabulce 4 je znázorněno, které povrchové úpravy mají dostatečnou rovinnost pro Fine Pitch aplikace. Tento argument je však s technologickým postupem smazáván, neboť použití aditiv galvanizační lázně (tzv. levelerů) dokáže nerovnosti povrchu velmi dobře kompenzovat

Způsobů, jak upravit měděné kontaktní plošky, je několik. Jejich výběr závisí na tom, jakou používáme pájku, jaký způsob pájení provozujeme a v neposlední řadě také na ceně, kterou jsme ochotni do povrchové úpravy investovat. Nejběžnější povrchové úpravy včetně hlavních vlastností se dozvíte v tabulce 4. [9]

Tabulka 4: Srovnání typů povrchových úprav [9] Vícenásobný teplotní cyklus Rovinnost povrchu Tloušťka vrstvy v µm Fine Pitch aplikace Kontaktování Teplotní stres nad 65 °C Údržba lázně Řízení procesu Náklady Bezolovnatá SAC pájka Ekologické aspekty

HAL Ano Ne 1-20 Probl. Ne Ano Obtížná Střední Střední Ano Olovo

NiAu Ano Ano 5 Ano Ano Ne Střední Obtížné Vysoké Ano Dobré

16

OSP Probl. Ano 0,5 Ano Ne Ne Snadná Snadné Nízké Ano Dobré

Chem. Ag Ano Ano 0,16 Ano Ano Ne Snadná Snadné Střední Ano Dobré

Chem. Sn Ano Ano Ano Ano Ne Ne Snadná Snadné Nízké Ano Dobré

1.5

Dopad na indikátory spolehlivosti

Pokud hovoříme o dopadech bezolovnatého pájení na spolehlivost, musíme zároveň zmínit i možnosti, jak spolehlivost předvídat. O tom, že bezolovnaté pájky mají za následek častější vady spojů, jsem již psal v předchozích kapitolách. Co ovšem zmíněno nebylo, je fakt, že s nástupem bezolovnatých pájek se zkomplikovala i možnost optické kontroly spoje. V případě pájky SnPb se během dlouhé doby využívání vytvořily určité standardy, díky kterým se dalo pouhým pohledem zjistit, zda je spoj kvalitní, popřípadě jaká nastala chyba v pájecím procesu. Těmito indikátory byl zejména tvar spoje, definovaný meniskem a vzhled povrchu pájky, který je u olovnaté pájecí slitiny lesklý. [4] Tyto signifikantní vlastnosti ovšem již zcela neplatí u bezolovnatých pájek. Jak již bylo řečeno v předchozích kapitolách, pájky neobsahující olovo mají výrazně vyšší povrchové napětí. Hůře se tedy roztékají a tvar takového spoje je často nepravidelný. Jeho vzhled nám nic neřekne o tom, zda přetavení proběhlo v pořádku a jakou lze od spoje očekávat životnost, jako tomu bylo u olovnatých pájek. Samozřejmě dokážeme roztékavost pájky ovlivnit povrchovou úpravou mědi a aktivnějším tavidlem, nemůžeme ale nevzhledný spoj s jistotou prohlásit za nevyhovující. Také matný povrch pájky má své příčiny. Zatímco u olovnatých spojů jsme mohli předpokládat jako příčinu matného povrchu oxidaci či špatně nastavený teplotní profil, u bezolovnatých spojů to opět není tak jednoznačné. Díky tomu, že vícesložková bezolovnatá pájka není zcela eutektická, tuhnou její části různě rychle a při různých teplotách dle fázového diagramu příslušné pájky. Při rozdílu teploty tuhnutí jednotlivých složek není možné zaručit stejnoměrné tuhnutí celé pájecí slitiny. Matný povrch tak vzniká jak ve chvíli, kdy je teplotní profil nastaven špatně, tedy když je chladnutí moc pomalé, tak i při optimálním profilu. [1]

17

1.6

Důležitost spolehlivosti v dnešní době

Z předchozích kapitol vidíme, že bezolovnaté pájení se stále vypořádává s problémy, které po jeho nasazení vznikly. Tyto problémy mají často vliv na spolehlivost, což nebylo dodnes uspokojivě vyřešeno. Přesto jsme svědky obrovského rozvoje elektroniky ve všech odvětvích. Může se tak zdát, že vývoj v oblasti pájení je opomíjen. Ve velké míře za to může právě obrovský rozmach výpočetní techniky, která každým rokem projde obrovským vývojem a přístroje tak stihnout dříve zastarat morálně než fyzicky. To samozřejmě neplatí globálně, stále je zde mnoho aplikací, kde spolehlivost hraje hlavní roli. Příkladem může být zdravotnictví, armáda nebo vesmírné programy. Ani tyto oblasti však do výzkumu pájených spojů mnoho nepřispějí, neboť zde platí výjimky v legislativě a použití olova je v těchto případech povoleno. V oblasti spotřební elektroniky se tak zákazníci orientují na výkonné přístroje, jež nabídnou maximální množství funkcí, za které jsou zákazníci ochotni zaplatit rok od roku méně peněz. Trh na tuto poptávku reaguje snížením kvality používaných materiálů do takové míry, že samotné pájené spoje i přes svou zjevnou chybovost převyšují kvalitou jiné, často mechanicky namáhané díly z velmi levného plastu. Pro výrobce je tak otázkou, zda je potřeba investovat do pokročilejších montážních postupů, když ty současné jsou dostačující. Uvidíme, jakým směrem se bude trh ubírat v následujících letech. Pokud by se zvýšila ochota platit za lepší zpracování, nejspíše by na to výrobci zareagovali. Podle současných trendů je však takový stav v nedohlednu a v nejbližších letech bude montážní technologie určovat nadále cena.

18

2

Dutiny v pájeném spoji

Přechod na bezolovnaté pájky s sebou přinesl mnoho problémů se spolehlivostí pájeného spoje a jeho kvalitou. Jedním z nich je i vznik dutin, kterými se tato práce zabývá. Důvodů, proč v pájkách dutiny vznikají, je vícero. Mechanismus vzniku dutin určuje také jejich tvar a podobu. V kapitole 2.2 se pokusím nastínit nejběžnější typy dutin včetně mechanismů jejich vzniku. Příčiny vzniku dutin nám dávají mocný nástroj k boji s jejich tvorbou. V závěru této kapitoly se pokusím izolovat faktory, které lze ovlivnit a které mohou přispět ke snížení obsahu dutin v pájce. Zda tomu tak skutečně je, zjistíme v praktické části této práce. Že jsou dutiny skutečný problém, si můžeme ilustrovat na obrázku 4. Na fotografii vidíme záběr na BGA pouzdro, které je konvenčně pájeno přetavením celé desky, nejedná se o individuální pájení jednoho BGA.

Obrázek 4: Rentgenový snímek dutin v BGA, vytvořených během sériové výroby

Jak můžeme na fotografii pořízené pomocí rentgenu vidět, v sériové výrobě se dutiny vyskytují velice hojně. Je to samozřejmě logické, každý čip je často od jiného výrobce, stejně jako pájka, ze které jsou vyrobeny kuličky. Najít univerzální teplotní profil pro bezporuchové zapájení všech čipů jedním přetavením není lehký úkol. V následující kapitole si proto ukážeme, které dutiny jsou přípustné a které již ne. Jako příklad jen uvedu, že na tomto snímku ani jedna kulička není voidy zaplněna z více jak 17 %, a proto je toto BGA v souladu s platnými normami. 19

2.1

Dutiny v pájkách z pohledu současných norem

Pokud se zabýváme velikostí dutin a jejich vlivem na kvalitu pájeného spoje, musíme vzít v potaz i legislativní normy, které nám udávají tolerované meze, jež jsou uznávané lokálně (ČSN) nebo mezinárodně (IPC). Tyto normy udávají maximální tolerované velikosti všech běžných vad, které se na spojích vyskytují a garantují tak kvalitativní požadavky pro danou oblast. Kromě norem si ještě každá firma stanovuje vlastní limity, a ty pak důsledně dodržuje. Tyto limity nesmí být volnější, než požaduje norma, často však bývají naopak mnohem přísnější. Na základě těchto kritérií je pak zřejmé, jak daná firma, závod či servisní středisko dbá na kvalitu své výroby. Níže uvedená data se vztahují k normě IPC-7095C vydané v únoru 2013. Tato norma navazuje na IPC-7095B z roku 2008. Povolená velikost voidu se udává v plošných jednotkách vztažených k ploše celého spoje. Tento údaj se tedy zjistí jako podíl plochy voidu ku ploše celé BGA kuličky. Povolená velikost se liší dle třídy zařízení, typu voidů a velikost BGA kuličky. Současné znění normy je shrnuto v následujících třech tabulkách. Do celkové plochy voidů se nezapočítávají voidy o velikostí menší než 2 % celkové plochy kuličky. Tato výjimka platí pro všechny tři následující tabulky. Pro ilustraci poslouží obrazová příloha 6 na konci práce. [10]

Tabulka 5: Povolená velikost voidů dle normy IPC-7095C pro kuličky o průměru 1-1,5 mm Typ voidu Popis voidu

A

Třída 2

Třída 3

Voidy v kuličce před Až 90 % kuliček smí obsahovat voidy. Maximální velikost voidů je zapájením 20 % plochy kuličky

C

Voidy na rozhraní pouzdra před zapájením Voidy ve spoji po přetavení

D

Voidy na rozhraní pouzdra po přetavení

E

Voidy na rozhraní DPS po přetavení

B

Třída 1

Až 80 % kuliček smí obsahovat voidy, maximální velikost voidů je 15 % celkové plochy



Až 100 % kuliček smí obsahovat voidy. Maximální velikost voidů je 25 % plochy kuličky Až 100 % kuliček smí obsahovat Až 80 % kuliček smí Až 60 % kuliček smí voidy, maximální obsahovat voidy, obsahovat voidy, velikost voidů je maximální velikost maximální velikost 25 % celkové voidů je 20 % celkové voidů je 15 % celkové plochy plochy plochy Až 100 % kuliček smí obsahovat Až 80 % kuliček smí Až 60 % kuliček smí voidy, maximální obsahovat voidy, obsahovat voidy, velikost voidů je maximální velikost maximální velikost 25 % celkové voidů je 20 % celkové voidů je 15 % celkové plochy plochy plochy

20

Tabulka 6 : Povolená velikost voidů dle normy IPC-7095C pro kuličky o průměru 0,5-0,8 mm Typ voidu Popis voidu

A

Třída 2

Třída 3


C


D


E


B

Třída 1





21

Tabulka 7: Povolená velikost voidů dle normy IPC-7095C pro kuličky o průměru 0,3 0,5 mm Typ voidu Popis voidu

A

Třída 2

Třída 3


C


D


E


B

Třída 1





22

2.2

Typy dutin a jejich vznik

Jak již bylo řečeno, příčin vzniku dutin je několik. Podle toho, která se uplatňuje, rozdělujeme dutiny na makrodutiny (macrovoids), dutiny v mikropropojích (microvia voids), mikrodutiny (microvoids), Kirkendallovy dutiny, dutiny vzniklé smršťováním pájky (shrink hole voids) a dírkové (pin hole) voidy. Pro lepší přehlednost probereme příčiny vzniku nejběžnějších typů dutin v samostatné kapitole. [11]

2.2.1 Makrodutiny Makrodutiny jsou nejčastěji sledovaným typem dutin. Jejich detekce na rentgenových snímcích je snadná, viditelné jsou na první pohled, jak se můžeme přesvědčit z obrázku 4 v předcházející kapitole. Jedná se o plynné útvary, nejčastěji kulovitého tvaru, které zůstávají v pájce po jejím zatuhnutí. [12]

Obrázek 5: Procesní void v kuličce BGA [11]

Primární příčinou jejich vzniku jsou těkavé látky obsažené v tavidlech. Jak jsme si již řekli, tavidlo je důležitou složkou, nezbytnou k úspěšnému pájení. Tavidla mají za úkol mimo jiné odstranit nečistoty a oxidy z povrchu pájených ploch. To se děje chemickými reakcemi, jejímiž produkty jsou i těkavé látky, které se z tavidla uvolňují a probublávají ze spoje pryč. 23

V případě, že pájka již chladne, zůstanou ovšem tyto unikající kapsy plynu obklopeny a zachyceny v pájeném spoji. Tyto voidy bývají rozprostřeny v celém objemu spoje a nabývají různých velikostí, od velkých dutin, které nejvíce ohrožují pevnost spoje, až k tisícům malinkatých bublinek. Hlavním nebezpečím pro spoj nejsou samotné dutiny, ale jejich vliv během provozu obvodu. Průchodem proudu mají dutiny, které leží blízko u sebe, tendenci se propojovat a vznikají tak oblasti, ve kterých je narušena pevnost spoje. Navíc se tyto oblasti při průchodu proudu více zahřívají, neboť jsou zdrojem vysokého odporu (vzduchovou bublinou neprotéká proud). To může způsobovat nejrůznější mikropraskliny, které se mohou šířit a v průběhu životnosti zařízení se vyvinout až ve fatální poruchu. [13] Makrodutiny, jinak také nazývané procesní voidy, se vyznačují vysokým rozpětím průměrů. Tyto dutiny se dají nalézt kdekoliv v pájeném spoji, nejsou nijak omezovány ulpíváním u povrchů či v přechodových oblastech. Procesní voidy se vyskytují jak v olovnatých, tak bezolovnatých pájkách, v druhých zmíněných ovšem v mnohem větším měřítku. IPC norma uvádí, že maximální plocha zabíraná dutinou nesmí přesáhnout 25 %. Faktory ovlivňující tvorbu procesních voidů můžeme rozdělit do čtyř skupin: [11] 







Pájecí pasta o Rozpouštědlo – množství, teplota varu, těkavost o Množství natisknuté pasty o Charakteristiky práškové pájky o Tavidlo – stupeň aktivace, množství Proces přetavení o Pájecí profil  Vrcholová teplota  Čas nad liquidem  Doba aktivace tavidla  Strmost profilu o Ochranná atmosféra Deska plošných spojů a součástky o Povrchová úprava o Velikost a design desky (určuje pájecí masku a pokovení) o Přítomnost oxidů na pájeném povrchu o Znečištění povrchu Obecné o Okolní teplota a vlhkost o Znečištění během procesu osazování

24

Nyní se blíže podíváme na faktory, které jsou zvýrazněny tučně, tedy mají přímou souvislost s nasazením nových pájecích procesů pro bezolovnaté pájení. Jako první jsou zde uvedeny tavidla, která mají nyní vyšší aktivační teplotu, jsou více aktivovaná a těkavější. Vyšší aktivační teplota souvisí s vyšší teplotou tavení bezolovnatých pájek. Tavidlo se musí tedy aktivovat také při vyšších teplotách, pokud by se aktivovala moc brzy, zreagovaly by všechny aktivní látky ještě před začátkem tavení pájky. Jak ale ukázala praxe, teplota aktivace tavidel se reguluje hůře než u nízkoteplotních tavidel. Často se také stává, že stejné tavidlo vykazuje různou teplotu aktivace v čase, což způsobuje problémy zejména v závodech, kde se z důvodu vyšší produkce předzásobují. Důležitým faktorem je také stupeň aktivace tavidla. Díky vyššímu obsahu cínu v pájce je spoj náchylnější k oxidaci a má výrazně vyšší povrchové napětí. Aby se tavidlo s tímto jevem vypořádalo, musí obsahovat více aktivních látek. Pokud použijeme méně aktivované tavidlo ve větším množství, často se ve spojích tvoří dutiny s tavidlem, které nestihlo uniknout. [14] Dalším významným faktorem, který ovlivňuje tvorbu voidů je pájecí (přetavovací) profil. Teplota tavení SAC oproti SnPb je o 34 °C vyšší, což platí i pro přetavovací profil. Aby byl spoj dobře prohřátý a nedocházelo k tvorbě nezapájených spojů, je navíc teplota v peci naddimenzovaná. To má ovšem vliv na životnost součástek a také na deformace v DPS, proto se vyšší teplota řeší zkrácením profilu na nejnižší možnou dobu. Tím se ovšem také zkrátí doba nad liquidem a tedy i doba, kterou mají tavidlové zbytky (zejména rozpouštědla) na opuštění spoje. Strmost profilu má na svědomí ale i jiné defekty, jako jsou třeba praskliny (cracky). Rychlost chlazení bezolovnatých pájek by neměla překročit 2 °C/s, ideální rychlost je 1,8 °C/s. Naopak pozitivní vliv na nižší tvorbu dutin v pájce má ochranná atmosféra, zejména dusíková. Hlavní nevýhoda této atmosféry je cena plynu, která se projeví v nákladech na výrobu produktu. [15] Povrchové úpravy mají velký vliv na tvorbu dutin, zejména na tvorbu mikrovoidů. Význam ale mají i pro tvorbu procesních voidů. Hlavní roli zde hraje materiálová kompatibilita, která souvisí s vysokým povrchovým napětím mezi pájecí ploškou a pájkou.

25

2.2.2 Dutiny v mikropropojích Dutiny v mikropropojích jsou významným problémem, na kterém se stále pracuje a prochází neustálým vývojem. Ještě v roce 2005 nebylo možné mikropropoje plně implementovat do složitých desek, jakými jsou třeba základní desky stolních počítačů, protože měly výrazný podíl na poruchách. Vývoj technologie mikropropojů umožnil rozšíření tzv. Fine Pitch aplikací a obecně přispěl k miniaturizaci DPS. Nejčastěji dutiny nacházíme při aplikaci mikropropoje v oblasti pod BGA pouzdrem.

Obrázek 6: Dutina způsobená nezaplněním mikropropoje [11]

Na obrázku 6 je vyobrazen případ dutiny, která je způsobena nevyplněním mikropropoje pájkou. Tento typ voidu je nejvíce ovlivněn složením tavidla a povrchovou úpravou mědi, kterou je mikropropoj pokoven. Z povrchových úprav se jako problematické ukazuje zejména OSP, které dle výzkumu [16] vykazuje stejnou míru tvorby dutin jako samotná měď. Tvorba a velikost dutin je v tomto případě největší. Pozitivní efekt naopak vykazuje povrchová úprava NiAu. Nevhodně zvolenou povrchovou úpravu lze kompenzovat použitím více aktivovaného tavidla, které umožní pájce se lépe roztéct a zaplnit mikropropoj.

26

Obrázek 7: Dutina přemístěná z mikropropoje do spoje [11]

Na obrázku 7 vidíme dutinu, která v důsledku vyplnění mikropropoje přešla do BGA kuličky, ve které zůstala zachycena. Pro to, aby mohla dutina opustit prostor spoje, platí stejná pravidla jako pro makrovoidy, i zde je hlavním faktorem pájecí profil, kde sledujeme především vrcholovou teplotu, čas nad liquidem a strmost. Je několik možností, jak se tvorbě voidů v mikropropojích vyhnout. Velmi spolehlivá cesta, jak se dutinám vyhnout je vyplnit a vyhladit mikropropoje ještě před osazováním BGA, v tom případě vyloučíme možnost nezaplnění propoje. Spolehlivé vyplnění je možné zajistit například tiskem výplňové pasty či galvanickým pokovením v lázni s vyrovnávacími účinky. [4] Pokud vyplnění není možné, je další možností usnadnit vzduchu únik posunutím BGA z centra mikropropoje. Díky tomu může pájka vyplňovat propoj postupně a vzduch může unikat na druhou stranu. S velikostí BGA roste i možný odstup BGA kuličky od centra mikropropoje.

27

2.2.3 Mikrodutiny Mikrovoidy jsou malé dutinky na rozhraní pájeného povrchu a pájky nad intermetalickou vrstvou a jsou zpravidla menší než 25 µm. Mikrovoidy jsou nebezpečné zejména tím, že se tvoří v souvislé vrstvě na rozhraní spoje, tzv. planární mikrovoidy. Tato vrstva je tímto uskupením významně oslabena. V extrémních případech se v jednom spoji může vyskytovat několik tisíc mikrovoidů, které způsobují poruchy ztrátou pevnosti spoje či významnou změnou elektrické vodivosti. Problematická je i samotná detekce takto mikroskopických dutin. Přítomnost mikrovoidů je nedetekovatelná na funkčním testu ihned po výrobě, ale způsobuje degradaci spoje v průběhu stárnutí. Vzhledem k tomu, že jejich zjišťování je možné rentgenem s vysokým rozlišením, vzrostlo povědomí o tomto problému až v relativně nedávné době. Při detenci mikrovoidů je problematický také fakt, že jsou tyto miniaturní defekty často zakryty většími makrovoidy, což téměř znemožňuje jejich pozorování i na zmíněném rentgenu. [17]

Obrázek 8: Mikrodutiny na rozhraní měděné plochy a pájky [11]

Vznik mikrovoidů úzce souvisí s volbou pájecí slitiny a povrchové úpravy měděných ploch. Jejich vznik je způsoben difuzí molekul kovu na rozhraní pájeného spoje. Difuzí označujeme migraci molekul látky do oblasti, kde je její koncentrace nižší než v oblasti, kde se právě vyskytuje. Je to zcela přirozený jev. Problém u pájeného spoje je v tom, že díky rozdílnému difuznímu koeficientu mědi a cínu (různá rychlost difuze) měď přechází do sousední oblasti bohaté na cín rychleji, než se stíhají prázdná místa zaplňovat molekulami cínu. Právě díky této disproporci vznikají mikrovoidy. Článek Avoiding microvoids [18] také uvádí, že část mikrovoidů vzniká stejným mechanismem jako makrovoidy, tedy nemožností tavidlových zbytků opustit pájený spoj. Z výše uvedených skutečností vyplývá, že velmi významnou úlohu při tvorbě mikrovoidů zastává povrchová úprava mědi, která tak určuje, které kovy se dostanou do styku. Nejvíce mikrovoidů je pozorováno při pájení nedostatečně hladkých povrchů a při použití povrchových úprav, které obsahují značné množství stříbra. Právě stříbro je ale také nedílnou součástí většiny bezolovnatých pájek. [11]

28

Kde se naopak planární mikrovoidy téměř nevyskytují, jsou spoje s povrchovou úpravou OSP. [17] Planární mikrovoidy bývají často zaměňovány s voidy Kirkendallovými. Za záměnu může především podobný princip vzniku a podobnost na X-RAY snímku. Některé prameny také uvádí, že příčina vzniku mikrovoidů není zcela známá a difúzní procesy jsou spjaty pouze s voidy Kirkendallovými. Na detailním snímku je lze rozpoznat nejčastěji podle umístění, zatímco planární mikrovoidy se vyskytují na rozhraní intermetalických vrstev a pájky, Kirkendallovy jdou umístěny na rozhraní měděné plošky DPS a intermetalické vrstvy. [19]

2.2.4 Kirkendallovy voidy Tyto dutiny jsou pojmenovány podle svého objevitele Ernesta Kirkendalla a byly objeveny v letech 1942 až 1947. Vzhledově i principem svého vzniku se velmi podobají planárním mikrovoidům - viz předchozí kapitola. Jejich vznik je spjat s elektromigrací atomů dvou kovů na jejich rozhraní či na rozhraní mědi DPS a spodní intermetalické vrstvy. V současnosti se má za to, že pro tvorbu Kirkendallových voidů je potřeba, aby bylo rozhraní dvou kovů vystaveno dlouhodobě teplotě vyšší než 100 °C, což splňuje například dlouhodobý či trvalý provoz výkonových součástek. Kirkendallovy voidy se tedy tvoří postupně a po přetavení se nedají detekovat ani predikovat. V současné době neexistují důkazy, zda tyto dutiny jsou častou příčinou poruch či nikoliv. Ačkoliv je problém stále podrobně zkoumán, nepatří Kirkendallovy voidy mezi běžně detekované defekty pájených spojů a nebývají aktivně sledovány. [11] Důležitým znakem těchto voidů je také fakt, že se vyskytují při použití olovnatých i bezolovnatých pájecích slitin. [20]

Obrázek 9: Vznik Kirkendallových voidů [11]

29

2.2.5 Shrink hole voidy Shrink hole voidy se tvoří převážně při použití SAC pájky. Konkrétně jde o pomalý proces chladnutí, který způsobuje u tohoto druhu pájky předčasné smršťování fází ještě před ztuhnutím. Takto narušený spoj v průběhu svého tuhnutí vytváří větší množství shrink hole voidů. Ačkoliv název hole by napovídal, že se jedná o válcovou strukturu, shrink hole voidy se často dendriticky větví, což může být na rentgenu matoucí a můžou být zaměněny s prasklinou. [14] V současné době se upřednostňuje teorie, že tyto voidy nemají dopad na spolehlivost pájeného spoje. Na rozdíl od prasklin (cracků) se nešíří v průběhu tepelného stárnutí ani se nezvětšují. Občas se u tohoto jevu můžeme setkat i s názvy sink holes nebo hot tears. Přestože jsou tyto voidy přirozenou součástí SAC spojů, dají se použitím vhodného pájecího profilu minimalizovat. [11]

Obrázek 10: Shrink hole voidy, nejedná se o crack [12]

30

2.2.6 Pin hole voidy Pin hole voidy, někdy překládané jako dírkové či kolíkové, se vyskytují podobně jako Kirkendallovy voidy na rozhraní spodní intermetalické vrstvy a měděné vrstvy DPS, avšak princip jejich vzniku je odlišný. Hlavní podíl na jejich tvorbě mají vady ve vrstvě galvanické mědi DPS, tedy nejvyšší vrstvě, která přichází do kontaktu s pájecí slitinou. V těchto vadných ploškách se usazují chemické látky používané během výroby a v průběhu pájení se pak odpařují. Pin hole voidy mají velikost 1-3 µm a k jejich detekci je zapotřebí elektronový mikroskop. [14] Ačkoliv jsou tyto voidy svou velikostí nenápadné, jsou považovány za velké riziko v souvislosti s kvalitou pájeného spoje. Jejich přítomnost v oblasti intermetalických vrstev zvyšuje pravděpodobnost vzniku prasklin na tomto rozhraní, které se díky křehkosti intermetalických sloučenin rychle rozšiřují a vedou až ke studenému spoji. Prevence vzniku pin hole voidů spočívá v pečlivé kontrole procesu plátování mědi. [11]

Obrázek 11: Vzhled pin hole voidů na snímku z elektronového mikroskopu [11]

31

2.3

Shrnutí poznatků o voidech

Jak může být z předchozích kapitol patrné, výběr povrchové úpravy je pro zabránění výskytu voidů naprosto klíčový. Bohužel je také zřejmé, že nelze vybrat ideální povrchovou úpravu s univerzální účinností, tedy takovou, která by zabránila tvorbě všech typů voidů a zároveň měla ideální vliv na snížení povrchového napětí bezolovnaté pájky. Klíčovou úlohou technologů je tedy nalézt právě takovou kombinaci povrchové úpravy, tavidla a pájecí slitiny, která nebude vykazovat extrémní nedostatky ani v jedné ze zmíněných vlastností. Předchozí odstavec také můžeme chápat tak, že pokud se budeme snažit maximálně eliminovat jeden typ dutin, zákonitě musíme počítat se zvýšeným výskytem jiných typů dutin i dalších poruch v pájeném spoji. Regulace teploty bude ovlivňovat oxidaci a výskyt prasklin, střídáním povrchových úprav docílíme eliminace pouze jednoho či dvou typů dutin a při nevhodné kombinaci povrchové úpravy a pájecí slitiny můžeme docílit horší smáčivosti či dokonce studených spojů. Cílem tedy není voidy zcela eliminovat, ale minimalizovat jejich počet a velikost do takové míry, kdy nemají na kvalitu spoje vliv a zároveň přijatá opatření nejsou příčinou dalších defektů. Na závěr této kapitoly ještě uvedu názorný obrázek, který demonstruje polohu a přibližnou velikost všech zmíněných typů dutin.

Obrázek 12: Poloha a velikost jednotlivých typů dutin [10]

32

3 Praktická část 3.1

Zadání praktické části

Praktická část této práce se zabývá vlastní detekcí dutin v pájených spojích, konkrétně pak BGA zapájených přetavením. Nejprve je potřeba rozebrat, které metody pozorování voidů existují a které jsou vhodné pro tuto práci. Nejčastěji užívaná metoda detekce defektů v pájených spojích je rentgenový tomograf. Ten pracuje na principu prostupu rentgenových paprsků objemem materiálu a detekcí fotonů na stínítku za rentgenovaným materiálem. Podle míry pohlcení záření v materiálu se určí jeho hustota a místo je na snímku barevně odlišeno. Místa s větší hustotou jsou tmavší, řidší lokality naopak světlejší, na negativním snímku je pak situace přesně opačná – více fotonů způsobí větší expozici fotocitlivého materiálu. Pro tuto práci zapůjčila společnost Sanmina tomograf Nordson DAGE XD7600NT Ruby. Tento model disponuje maximálním rozlišením 500 nm, maximálním zvětšením až 23,400 X (s digitálním zoomem) a aktivní stabilizací obrazu. Stěžejní část této práce tak staví na snímcích z tohoto zařízení. Výhodou rentgenových snímků je především to, že DPS nejsou během zkoumání znehodnoceny, jako v případě dalších metod. Lze tak sledovat každý kus před odesláním zákazníkovi. V praxi se samozřejmě z důvodu úspory času pozorují pouze vytipované komplikované případy. Další metodou, která je v této práci použita je tvorba mikrovýbrusu. Ta spočívá v jemném vybroušení BGA čipu až do místa, kde se defekt nachází. Vzhledem k tomu, že se jedná o metodu destruktivní, tedy deska plošných spojů popř. součástka je během zkoumání zničena, je třeba předem pečlivě zvolit směr broušení a kontrolovat postup, abychom defekt zcela neprobrousili, vzorek by byl nenávratně zničen a nezískali bychom žádná data. Výhodou této metody je možnost dalšího zkoumání na optickém či elektronovém mikroskopu. Mikrovýbrus pro tuto práci byl zhotoven v laboratoři Ústavu elektrotechnologie na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT. Elektronová mikroskopie umožňuje velmi podrobné zkoumání defektů všeho druhu. Elektronové mikroskopy skenují povrch objektu, je tedy nezbytné, aby mu předcházela tvorba mikrovýbrusu. Takto upravený vzorek pak můžeme analyzovat. Na snímcích lze vidět tendence defektů, tvorbu miniaturních prasklinek a rozšiřování defektů do okolí, které na rentgenu není patrné kvůli omezené rozlišovací schopnosti. V případě SMD součástek lze ještě použít k detekci změnu rezistivity. Metoda je použitelná, pokud zpracováváme velké množství stejných součástek. I v takovém případě se jedná pouze o orientační metodu, neboť změna rezistivity může být zapříčiněna mnoha různými faktory. Každopádně lze tyto informace použít k vytřídění spojů s odlišnou rezistivitou od standardní hodnoty a ty pak podrobit další analýze. V případě plné automatizace procesu tak lze ušetřit značné množství práce i prostředků.

33

3.2

Pozorování dutin v BGA pomocí rentgenového tomografu 3.2.1 X-ray tomografie

Základním nástrojem zkoumání voidů, který budu v této práci používat je rentgenový tomograf Nordson DAGE XD7600NT. Díky němu jsem mohl detekovat obsah voidů v BGA spojích, jejich velikost a objem, jaký vyplňují ve spoji. X-ray DAGE nabízí hned několik možností pozorování a analyzování voidů. Během seznámení s rentgenem jsem provedl několik změn v nastavení, které umožnily lepší pozorování dutin. Tyto změny se týkají zejména rozlišení a výkonu rentgenu. Poté bylo možné lépe odlišit dutiny od okolních struktur a mohl jsem se věnovat měření průměru dutin a jejich množství. Některé pořízené snímky jsou uvedeny v příloze. Jakmile jsem se seznámil se základními funkcemi tomografu, začal jsem řešit náročnější funkce jako například 3D model BGA dutiny, který byl pořízen řadou snímků v různých úrovních a z různých úhlů. Poté byl obraz digitálně zrekonstruován. Prvním krokem bylo naskenování desky a posouzení, které BGA, a obsahuje nejvíce voidů a na které kuličky se zaměřit. Poté, co jsem si vytyčil několik bodů zájmu, jsem provedl 3D sken, který je výrobcem zařízení pojmenován jako x-plane. Ten funguje tak, že naskenuje vrstvu po vrstvě v celé hloubce BGA, a tak se snadno dozvíme, kde přesně jsou dutiny umístěny, jak blízko jsou u sebe a zda v jejich okolí nejsou rozšířeny praskliny. Tento úkon je časově náročný a vzhledem k vytížení firmy jsem ho nemohl dělat u každé desky. Metoda přesto nabízí zajímavé informace, které o pozici a vlivu voidů na okolí mnohé prozrazují. Některé snímky uvedu v tomto dokumentu v rámci příslušných kapitol, zbylé materiály pořízené a zrekonstruované tomografem jsou k dispozici na přiloženém DVD, které je součástí této bakalářské práce. Při skenování jednotlivých vrstev mě nejvíce zajímala velikost BGA spojů, protože ještě přes započetím práce je potřeba předem definovat, kolik vrstev a v jaké rovině je nutné udělat. Například kulička BGA spoje má průměr 0,5 mm. Pokud jsme nechali udělat 240 řezů, pak musíme určit odstup jednotlivých řezů přibližně 2µm. Snímání a rekonstrukce takovéto desky pak trvá přibližně 40 minut. To je čas pro pořízení x-plane modelu jedné oblasti BGA.

34

3.2.2 Sledované jevy Pomocí rentgenu si můžeme udělat dobrou představu o průběhu vzniku voidů. Tavidlové zbytky se v průběhu vzestupu pájkou zastavovaly zpravidla ve dvou hladinách. V části spoje na rozhraní DPS a pájky se často nachází voidy větší, které mají v dané lokalitě 68% plošný podíl. Na rozhraní součástky a pájky se pak častěji nachází několik menších voidů. Tyto voidy mají zanedbatelný podíl na objemu spoje, a tak i minimální vliv na jeho spolehlivost. Samozřejmě můžeme sledovat i výjimky, nicméně tento model se jeví jako nejčastější. Při práci jsem se zabýval i 3D modely a jejich možným využitím při analýze pájených spojů v praxi. Ač tato metoda skýtá mnoho praktických přínosů, je náročná na čas i na obsluhu, kterou je třeba vyškolit pro nové úkony. V provozu firmy také není důležité, kde se voidy nacházejí, ale spíše jejich velikost, protože dle současných norem je právě procentuální zastoupení dutiny ve spoji hlavním faktorem při vyhodnocení jeho kvality. DPS, které jsem měl k dispozici, byly přetaveny infračerveným zářením za použití vhodného tavidla se voidy zde prakticky nevyskytují. V krajních případech pouze malé, zabírající 2-3 % plochy spoje, což je opravdu zanedbatelné a bez vlivu na kvalitu zařízení. [10]Tento jev je daný postupem, kdy na čipu jsou již připraveny kuličky s pájkou. Na rozdíl od pájecí pasty se tak nemusí tavidlové zbytky dostávat z objemu pájky a šance na vznik dutiny je mnohem nižší. Naopak u desky z výroby, kde se pájí více součástí a dochází k ohřevu celé desky, je situace značně odlišná. Voidů se objevuje více a i jejich velikost je znatelně větší. To můžeme připsat nutnosti vejít se pájecím profilem do technického okna všech přetavovaných součástek, pájek a tavidel. Každé BGA je tak pravděpodobně z jiné výrobní linky, možná i závodu, vyrobené jinými postupy a za použití různých materiálů. Možnost přizpůsobení pájecího procesu je zde minimální, a tak se především z ekonomického hlediska zvolí kompromisní řešení. Navíc, jak bylo již řečeno, voidy nemají v normách z hlediska poruchovosti takovou váhu, aby bylo nutné jejich výskyt v masové výrobě zcela potlačit. Naopak v servisech, jakým je i Sanmina je tento úkol mnohem jednodušší, neboť faktorů, na které je potřeba se soustředit s klesajícím počtem opravovaných komponentů ubývá a s tím ubývají i komplikace materiálové a procesní kompatibility během pájení. Ještě více voidů se objevuje na spojích SMD součástek, které jsou pájeny právě přetavením. Vlivem všech faktorů popsaných v teoretické kapitole je zde poměr dutin mnohem významnější. Ačkoliv nalezené dutiny jsou lépe sledovatelné a kvalitativně závažnější, rozsah této práce bohužel nedovoluje se jimi více zabývat. BGA komponenty, které byly vyměňovány v době mého výzkumu však trpěly naopak jinými defekty. Často se objevovaly praskliny menších i větších rozměrů, které mají mnohem zásadnější vliv na kvalitu spojení. Proto jsem sledování spojů na X-RAY rozšířil také na praskliny a jejich výskyt v souvislosti s výskytem dutin. Během mého působení u rentgenového zařízení se poměr prasklin a dutin měnil spolu se zavedenými opatřeními.

35

Obrázek 13: Prasklina vytvořená na přetaveném BGA (infračervený ohřev)

3.2.3 Návrh experimentu V souladu se zadáním práce jsem si vybral tři řady stejného produktu. Dvě řady byly sledovány před opravou, jednalo se tedy o spoje, na kterých se již projevily vlivy tepelného stárnutí. Třetí řada byla po výměně BGA, tedy nové spoje, sledované několik hodin po zapájení. Tímto krokem jsme z experimentu mohli vyloučit proces stárnutí umělou cestou a mohli jsme se zaměřit na data získaná v reálných podmínkách. První fáze praktického měření spočívala v naskenování desky plošného spoje, vyhledání příslušného BGA čipu a zaostření na něj. Dalším krokem bylo vyhledání a změření dutin, které se ve spojích vyskytují. Tento proces lze zautomatizovat, ale v tom případě je nutné počítat s několika problémy (viz kapitola vyhledávání dutin na X-RAY snímku). Souběžně s měřením dutin jsem se snažil zaměřit i na hledání jiných defektů, jako jsou již zmíněné praskliny, studené či protáhlé spoje, můstky aj. U větších defektů (nadměrné dutiny, rozsáhlé trhliny aj.) jsem pořídil x-plane snímky pro získání lepšího přehledu o jejich rozsahu a umístění. Na vybrané desce byl pak zhotoven mikrovýbrus.

36

3.2.4 Technologický postup práce s rentgenem Obslužný software umožňuje automatickou detekci voidů a jejich měření. První krok, který je nezbytný k detekci voidů ve spoji je samotné ohraničení spoje (BGA kuličky) pomocí funkce OUTLINE. V této fázi máme možnost buď vybrat přesný obrys, kopírující kontrastní linii spoje, nebo lze vybrat kruhový tvar. Pokud nemá snímek dokonalý kontrast, což při použitém zvětšení je téměř nemožné, je lepší vybrat kružnici, v 95 % případů se dostaneme k lepšímu výsledku. Dále si můžeme vybrat největší a nejmenší průměr obrysu, což je výhodné zejména na desce, kde jsou v okolí BGA jsou vrtané díry a jiné útvary, které mohou být softwarově označeny za BGA kuličku. Nastavení stačí provést jednou, v každém dalším měření již bude použito zvolené nastavení. Druhým krokem je označení voidů, pro které slouží funkce VOIDS. I zde najdeme automatické nastavení. Výsledky, kterých dosahuje, jsou však bohužel špatné. Velmi často je detekována libovolná struktura spoje se změněným kontrastem nebo naopak není detekován i větší void. Pro nejlepší výsledek je vhodné vybrat požadovaný rozměr dutin, které chceme označit, tedy minimum i maximum, dalším důležitým faktorem je práh citlivosti (TRESHOLD), který určuje, jaký skokový kontrast má být detekován. Další velmi častý problém, se kterým jsem se během detekce dutin setkal, byla falešná detekce velké části spoje. Kvůli změně kontrastu s rostoucí vzdáleností od okraje spoje je potřeba v takovém případě vyloučit detekci v okolí okraje do takové míry, dokud se software nevypořádá s touto vadou. Při sledování většího počtu desek bude tento problém nejspíše nejfrekventovanějším, s jakým se lze setkat (Obr. 13 a příloha 5). Po úspěšné detekci software vypsal plošné zastoupení dutiny ve spoji v procentech. Tento údaj je uváděn ve statistickém zpracování tohoto měření.

Obrázek 14: Příklad správné a chybné detekce obvodu a voidů

37

3.2.5 Dosažené výsledky a diskuse

Na rentgenovém tomografu bylo sledováno celkem 15 desek plošných spojů téhož produktu. Deset DPS bylo během své funkce podrobeno procesu tepelného stárnutí a fyzickému namáhání. Zbylých pět desek pak bylo po výměně sledovaného čipu. Fotografie všech DPS jsou k dispozici na DVD. Snímky výraznějších defektů pak najdete také v obrazové příloze či přímo v následujícím textu. S přihlédnutím k tomu, že v jednom čipu se nachází 324 kuliček. Byla vždy vybrána část s vyšší koncentrací defektů a ta byla dále podrobena analýze. Toto zjednodušení jsem zvolil z toho důvodu, že téměř vždy vykazovaly vady v BGA podobné charakteristiky, tedy zpravidla se vyskytovaly buď malé, nebo velké voidy, díky čemuž bylo možné určit průměrnou hodnotu. V tomto úseku byly také určovány další defekty (praskliny, studené spoje aj.). Vzorek pak sloužil jako referenční pro srovnání s opravenými DPS. Tato data v sobě nesou informaci o kvalitě zapájení v servisním centru Sanmina v porovnání s výrobcem nebo dřívějším postupem servisní opravy, pokud byla DPS již opravována dříve, nemám tuto informaci bohužel k dispozici. Jak již bylo zmíněno, BGA před výměnou mají výrazně vyšší výskyt voidů než BGA přetavené ve společnosti Sanmina. Na pozorovaných vzorcích se vyskytovaly v průměru 2-4 voidy, které zaobíraly 3-5 % obsahu BGA kuličky. Větší voidy se zde vyskytovaly jen velmi zřídka, musíme vycházet z faktu, že DPS jsou funkční a větší voidy byly odhaleny již ve výrobě. Naopak zřídkakdy zde narážíme na praskliny či studené spoje, můžeme zde ale nalézt spojovací můstky mezi zemnícími vodiči, které byly na výstupní kontrole ignorovány. Z teoretické části také víme, že se do výpočtů celkové plochy voidů nezapočítávají ty, které jsou menší než 2 % celkové plochy kuličky. Toto pravidlo jsem se rozhodl v této práci nedodržet, neboť by to znatelně změnilo výsledky. Voidy, které jsem nacházel, a které jsou uvedeny v obrazové příloze, dosahují velikosti větší než 3 % jen výjimečně. Z pořízených snímků je tedy patrné, že DPS, které jsem měl během výzkumu z dispozici, splňují požadavky IPC-7095C bez výjimek. Tabulka 8: Defekty na neopravených DPS Stav DPS Před opravou 1 Před opravou 2 Před opravou 3 Před opravou 4 Před opravou 5 Před opravou 6 Před opravou 7 Před opravou 8 Před opravou 9 Před opravou 10

počet dutin 3 5 2 4 2 1 2 3 2 1

Velikost dutin Počet jiných [%] defektů 3 3,5 4,5 3 1,5 5 4 9 2 4,5

38

2 4 0 0 2 0 4 3 1 0

Defekty Posunuté spoje Protažené spoje

Praskliny Drobné prasklinky Protažené spoje Spojené kuličky

Tabulka 9: Počet voidů a dalších defektů na opravených DPS Stav počet dutin Velikost dutin [%] Počet jiných defektů Po opravě 11 0 <2 2 Po opravě 12 2 <2 1 Po opravě 13 2 3 3 Po opravě 14 0 <2 2 Po opravě 15 1 2,5 1

Defekty Praskliny Praskliny Praskliny Praskliny Praskliny

Obrázek 15: Void a prasklina v jedné kuličce – před opravou

39

Obrázek 16: Typické rozložení voidů v BGA neopravené DPS

Obrázek 17: Barevné znázornění hustoty BGA kuličky s prasklinou dlouhou 0,2 mm 40

Obrázek 18: Prasklina na BGA kuličce po přetavení

Obrázek 19: Charakteristický vzhled BGA po přetavení - žádné voidy, prasklina 41

Počet voidů a jejich velikost na DPS před opravou (výměnou čipu) je několikanásobně větší než na DPS po výměně. Na velké části vzorků po reworku je výskyt voidů zcela eliminován - viz obrázek 20, 21 a tabulka 9. Další snímky jsou k nalezení v obrazové příloze 7 a 8. Z informací v tabulkách 8 a 9 lze zjistit některá zajímavá fakta, zejména pak přímé srovnání defektů vyskytujících se v jednotlivých deskách.

Srovnání četností defektů před opravou DPS 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Před Před Před Před Před Před Před Před Před Před opravou 1 opravou 2 opravou 3 opravou 4 opravou 5 opravou 6 opravou 7 opravou 8 opravou 9 opravou 10 počet dutin

Velikost dutin [%]

Počet jiných defektů

Obrázek 20: Graf četností jednotlivých defektů u neopravených DPS

Srovnání četností defektů po opravě DPS 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Po opravě 11

Po opravě 12 počet dutin

Po opravě 13

Velikost dutin [%]

Po opravě 14 Počet jiných defektů

Obrázek 21: Graf četností jednotlivých defektů u desek po opravě 42

Po opravě 15

3.3

Zhotovení mikrovýbrusu a porovnání s X-RAY

V další fázi zkoumání byl vyroben mikrovýbrus na vybrané desce s větším množstvím defektů. Aby byl void na mikrovýbrusu viditelný, zvolil jsem záměrně stranu s menším množstvím větších dutin. Tvorba mikrovýbrusu probíhala na Ústavu elektrotechnologie. Nejprve bylo potřeba vyříznout z desky kotoučovou rozbruskou samotný BGA čip. Ten byl poté zalit do metylmetakrylátové pryskyřice, jinak také dentakrylu. Dentakryl se připravuje smícháním práškové a tekuté složky a následnou homogenizací. Po zalití čipu do formy se nechal dentakryl do druhého dne vytvrdit. Po vytvrdnutí hmoty a oddělení z formy následovalo samotné broušení. To probíhalo za mokra a jako brusné médium sloužily brusné papíry o zrnitosti 600 a 1200. Ty se nasadily na brusné kotouče. Vzhledem k faktu, že hledaný void měl velikost 104 µm, bylo broušení prováděno převážně brusným papírem o zrnitosti 1200 s velmi častou optickou kontrolou pomocí mikroskopu. Po dostatečném vybroušení bylo potřeba mikrovýbrus vyleštit. K tomu sloužily sametové leštící kotouče, isopropyl alkohol pro zvlhčení a diamantová pasta. Pro naleptání struktury byl použit Nital, tedy roztok 5 ml HNO3 a 100 ml 95% methanoĺu. Výsledný mikrovýbrus byl pozorován a focen pomocí optického mikroskopu.

Obrázek 22: Void na mikrovýbrusu v optickém mikroskopu

43

Obrázek 23: Detail voidu na mikrovýbrusu - je vidět tvořící se prasklina ve spodní části voidu

Obrázek 24: Proporce mikrovýbrusu : výška 214,12 µm, šířka 516,91 µm a průměr voidu 104,03 µm

44

Obrázek 25: Vybrušovaný void na rentgenovém snímku

Pokud srovnáme fotografii pořízenou optických mikroskopem a rentgenem, můžeme vypozorovat určitá úskalí, která plynou z používání rentgenu jako stěžejní metody detekce poruch. Největším problémem je omezený kontrast, který rentgenová technologie nabízí. Pokud se podíváme na fotografie z mikrovýbrusu, vidíme zde nerovnosti na stěnách voidu, jemné prasklinky, které se budou s velkou pravděpodobností šířit vlivem tepelného stárnutí. Tyto defekty jsou moc drobné na to, aby byly na rentgenu vidět. Z tohoto důvodu musím konstatovat, že používání rentgenu jako primárního detekčního nástroje je účinné pouze pro již vzniklé defekty. Na základě těchto snímků nelze předurčit, zda bude spoj kvalitní, do jaké míry se voidy a praskliny rozšíří do okolí a zda ovlivní životnost zařízení. Ovšem s ohledem na to, že rentgen je nejúčinnější nedestruktivní metoda detekce poruch uvnitř spoje, není možné jiný způsob aplikovat. Pro účinnou kontrolu velmi malých součástek nové generace by však bylo vhodnější použít nástroj s vyšší rozlišovací schopností, což se ovšem projeví zejména na pořizovací ceně. Metoda mikrovýbrusu není použitelná pro kontrolu kvality v podmínkách běžné výroby, její komplexnost však ocení zejména inženýři při zavádění nových technologií a úpravě procesů. Série mikrovýbrusů poskytne cenné informace o strukturách uvnitř spoje, které nemohou být na rentgenu zachyceny a které by mohly vést k problémům v budoucnu.

45

Závěr Cílem první části bakalářské práce bylo shrnout teoretické poznatky, které jsou dostupné k tématu tvorby dutin v bezolovnatých pájkách. Vzhledem k tomu, že většina mechanismů tvorby dutin je shodná u olovnatého i bezolovnatého pájení, popisoval jsem je do značné míry obecně. Lze si tak lépe dát do souvislostí jevy, které by nemusely být jasné, pokud bych se v této úvodní kapitole věnoval pouze mechanismům úzce spjatým s bezolovnatými pájkami. Tento postup je výhodný také z toho důvodu, že mnoho částí pájecího procesu má protichůdné působení u různých druhů dutin. Jako jeden příklad za všechny uvedu povrchové úpravy. Pokud vybereme stabilní povrchovou úpravu, která nedifunduje do okolí a netvoří mikrovoidy, narazíme na problém, že vysoké povrchové napětí tohoto materiálu bude způsobovat tvorbu voidů v mikropropojích. V souvislosti s tvorbou voidů jsem se také zabýval tím, jaký postoj k této problematice mají současné normy. Měl jsem možnost pracovat s nejnovější revizí normy IPC 7095C z roku 2013 a tento cenný zdroj informací se projevil jak v kapitole 2.1, která se týká samotné normy, tak i ve zbytku teoretické části. V praktické části bakalářské práce jsem využil především rentgenového tomografu, který mi poskytla společnost Sanmina, a snažil jsem se co nejvíce zefektivnit proces detekce voidů a dalších poruch pájeného spoje. Rentgenové snímky jsou pro tuto práci stěžejní a velká část závěrů z praktické části je vyvozená právě z nich. V této části jsem také shrnul své poznatky k softwarovému rozhraní rentgenu Nordson DAGE. Poslední fáze zkoumání desek plošných spojů ze společnosti Sanmina spočívala ve zhotovení mikrovýbrusu, čemuž se věnuji v samostatné kapitole 3.3. Hlavní úlohu v této kapitole mají snímky z optického mikroskopu, které byly pořízené ihned po zhotovení mikrovýbrusu. Fotografie jsou pak dány ke srovnání se snímkem z rentgenu. Hlavním přínosem této práce je dle mého názoru komplexní souhrn všech známých typů dutin v bezolovnatých pájených spojích, včetně podrobného popisu příčin, které k jejich tvorbě vedou. Z teoretické části je zřejmé, že každý typ voidů, který se v bezolovnatých pájkách vyskytuje, je podmíněn jednou či více příčinami. Ty mohou být pro některé typy voidů shodné, ale velká část těchto mechanismů je zcela odlišná až protichůdná. Z tohoto důvodu jsem se snažil uvést ke každému typu dutin, který jsem zpracoval, nakolik se v současné době považuje jejich výskyt za riskantní z hlediska kvality spoje a vývoje defektu do budoucna vlivem stárnutí. Díky tomu může být tato práce i inspirací k dalšímu zkoumání problematiky, například formou diplomové práce.

46

Seznam literatury [1]

ABEL, M. Bezolovnaté pájení v legislativě i praxi. 1. vyd. Pardubice: ABE.TEC, 2005, 179 s. ISBN 80-903-5970-1.

[2]

BENCKO, V. Toxické kovy v životním a pracovním prostředí člověka. 2. přepr. a dopl.vyd. Praha: Grada Publishing, 1995, 282 s. ISBN 80-716-9150-X.

[3]

STEJSKAL, P. Predikce spolehlivosti pájeného spoje. Brno, 2014. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně.

[4]

STARÝ, J., M. ZATLOUKAL a P. STEJSKAL. Montážní a propojovací technologie. Brno, 2010. Skripta. Vysoké učení technické v Brně.

[5]

TARR, M. Ami.ac.uk. Traditional solder materials [online]. 2005 [cit. 2015-0602]. Dostupné z: http://www.ami.ac.uk/courses/topics/0244_tsm/

[6]

Xtronics.com. Xtronics.com [online]. 2006 [cit. 2015-06-01]. Dostupné z: https://wiki.xtronics.com/images/7/75/SAC.gif

[7]

SZENDIUCH, I. Základy technologie mikroelektronických obvodů a systémů. Vyd. 1. Brno: VUTIUM, 2006, 379 s. ISBN 80-214-3292-6.

[8]

PAŠKO, M. Spolehlivost bezolovnatého pájeného spoje. Brno, 2009. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Vedoucí práce Ing. Petr Stejskal.

[9]

STARÝ, J., P. ŠANDERA a P. KAHLE. Plošné spoje a povrchová montáž. Brno, 1999. Skripta. Vysoké učení technické v Brně.

[10]

Design and Assembly Process Implementation for BGAs. Bannockburn: Association Connecting Electronics Industries, 2013.

[11]

ASPANDIAR, R. INTEL CORPORATION. Voids in Solder Joints [online]. 2005, 42 s. [cit. 2014-11-15]. Dostupné také z: http://www.smta.org/files/oregon_chapter_presentation0905.pdf.

[12]

SCIMECA, M. What Causes Voids in Leadless Packages. Circuitnet [online]. 2014 [cit. 2015-06-02]. Dostupné z: http://www.circuitnet.com/experts/51883.shtml

[13]

PREVITI, M., M. HOLTZER a T. HUNSINGER. FOUR WAYS TO REDUCE VOID S IN BGA/CSP PACKAGE TO SUBSTRATE CONNECTIONS [online]. 2010, 8 s. [cit. 2014-11-16]. Dostupné také z: http://alpha.alent.com/~/media/Files/CooksonElectronics/Four%20Ways%20to %20Reduce%20Voiding%20in%20BGACSP%20Packages%20To%20Substrate %20Connections%20SMTA%20Oct%202010.pdf

[14]

RŮŽIČKA, D. Studium vlivu množství tavidla na výskyt voidů v pájeném spoji. Praha, 2014. Diplomová práce. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická. Vedoucí práce Karel Dušek.

[15]

VALA, R. Testování vlastností bezlovnatých pájek v ochranné atmosféře. Brno, 2013. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně.

47

[16]

NURMI, Sami T., Janne J. SUNDELIN, Eero O. RISTOLAINEN a Toivo K. LEPISTÖ. The effect of PCB surface finish on lead‐free solder joints. Soldering. 2005, 17(1): 13-23. DOI: 10.1108/09540910510579203. ISSN 0954-0911. Dostupné také z: http://www.emeraldinsight.com/doi/abs/10.1108/09540910510579203

[17]

LEWIS, T. Inclusion Voiding in Solder Joins [online]. 2013, 85 s. [cit. 2015-0214]. Dostupné také z: http://www.magazines007.com/pdf/SMT-May2013.pdf

[18]

Assemblymag. Avoiding Microvoids [online]. 2005 [cit. 2014-11-10]. Dostupné z: http://www.assemblymag.com/articles/84024-avoiding-microvoids

[19]

LANG, D. Assembly Guidelines for 8 x8 M L P Driver M O S Packaging [online]. 2006 [cit. 2015-04-16].

[20]

KIM, Doosoo, Jong-hyeon CHANG, Jungil PARK a James Jungho PAK. Formation and behavior of Kirkendall voids within intermetallic layers of solder joints. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2011, 22(7): 703716. DOI: 10.1007/s10854-011-0357-2. ISSN 0957-4522. Dostupné také z: http://link.springer.com/10.1007/s10854-011-0357-2

48

Seznam příloh Příloha 1: Pohled na voidy v BGA ................................................................................. 51 Příloha 2: Přiblížení na BGA spoj s voidy...................................................................... 51 Příloha 3: Automatický výpočet plochy v pájeném spoji ............................................... 52 Příloha 4: Pohled na voidy v BGA z úhlu - lze pozorovat rozložení v prostoru ............ 52 Příloha 5: Další možnost špatné detekce voidů systémem Nordson Dage ..................... 53 Příloha 6: Výskyt malých voidů, které nemají být dle IPC 7095C započítávány .......... 53 Příloha 7: Povrchové praskliny na opravených DPS ...................................................... 54 Příloha 8: Pohled na prasklinu v několika různých módech (Nordson DAGE) ............. 55

49

Seznam zkratek BGA – Ball Grid Array DPS – Deska Plošných Spojů ENIG – Electroless Nickel Immersion Gold HAL – Hot Air Leveling OSP – Organic Solderability Preservative SA – SnAg pájka SAC – SnAgCu pájka SMD – Surface-Mount Device SN100C – Pájka s majoritním obsahem cínu a přídavkem mědi, niklu a germania SnPb – Konvenční olovnatá pájka X-RAY – Rentgen

50

Přílohy

Příloha 1: Pohled na voidy v BGA

Příloha 2: Přiblížení na BGA spoj s voidy 51

Příloha 3: Automatický výpočet plochy v pájeném spoji

Příloha 4: Pohled na voidy v BGA z úhlu - lze pozorovat rozložení v prostoru

52

Příloha 5: Další možnost špatné detekce voidů systémem Nordson Dage

Příloha 6: Výskyt malých voidů, které nemají být dle IPC 7095C započítávány

53

Příloha 7: Povrchové praskliny na opravených DPS

54

Příloha 8: Pohled na prasklinu v několika různých módech (Nordson DAGE)

55

MECHANISMY VZNIKU DUTIN U BEZOLOVNATÝCH PÁJENÝCH SPOJŮ A VLIV NA SPOLEHLIVOST

Recommend Documents