Utjecaj i analiza onečišćenja lemom u lijevanim integriranim krugovima
Ostavite poruku
Sažetak:
Problemi s pouzdanošću uzrokovani ionskom kontaminacijom zbog erozije vlage oblikovanih IC-ova relativno su česti, dok su oni uzrokovani kontaminacijom PCB lemom rjeđi. Ovaj rad predstavlja-slučaj kvara pouzdanosti IC-a u stvarnom svijetu zbog kontaminacije PCB lemom, identificira uvjete pod kojima dolazi do kontaminacije lemom i demonstrira analizom elemenata oblikovanog paketa IC-a da kontaminacija lemom može dovesti do kvara pouzdanosti IC-a. Rad ilustrira kako zagrijavanje i ponovno-starenje neispravnih IC-ova može izazvati i poboljšanje i ponovni-kvar. To objašnjava da su IC paketi-zaprljani lemom nepovratni i da se mogu ponovno pokvariti pod određenim uvjetima. Inženjerima tehnologije površinske montaže (SMT) daju se preporuke za izbjegavanje kvarova pouzdanosti uzrokovanih kontaminacijom lemom.
0 Uvod
PCB-ovi su dvostrano zalemljeni i uključuju uređaje za površinsku montažu i otvore, uključujući IC upravljačke i pogonske pogone, a naširoko se koriste u područjima industrijske kontrole, kao što su stupovi za punjenje za nova energetska vozila. Dok postoji znatna literatura o kvaliteti lemljenja i pouzdanosti IC-a na PCB-u [1-4], literatura o kvaru pouzdanosti IC-a uzrokovanom kontaminacijom lemljenja nakon lemljenja na PCB-u je rijetka. Ovaj rad proučava utjecaj kontaminacije PCB lemom na pouzdanost IC-a, analizira vjerojatnost kontaminacije IC-a pri različitim metodama lemljenja, manifestaciju kvara električnih parametara IC-a nakon kontaminacije i metode za uklanjanje i reprodukciju kvara.
1 PCB IC metode lemljenja
Glavna metoda lemljenja IC-ova za površinsku montažu na tiskanim pločama je lemljenje reflowom. Valovito lemljenje također koriste neki proizvođači za površinsku montažu IC-ova na tiskane ploče. Lem koji se koristi u lemljenju reflowom i valovitom lemljenju je lem bez olova, koji se uglavnom sastoji od kositra, koji sadrži male količine srebra, bakra i drugih metala. Temperatura lemljenja reflowom je između 217 i 260 stupnjeva, a temperatura valovitog lemljenja je između 255 i 265 stupnjeva. Reference [5-6] opisuju specifične korake površinske montaže valovitog lemljenja i IC-ova s-rupom na sljedeći način: stroj za odabir-i-postavljanje postavlja IC za površinsku montažu na postavljenu poziciju na dnu PCB-a, tako da su njegovi pinovi na istoj površini za lemljenje kao IC s-rupom. Površinski{17}}IC fiksiran je crvenim ljepilom, a nakon stvrdnjavanja na visokoj temperaturi, čvrsto je fiksiran na mjestu. IC s-rupom umeće se u postavljenu poziciju na PCB-u, a PCB se šalje u stroj za valno lemljenje na lemljenje kako bi se dovršilo lemljenje IC-a s-rupom i IC-a za površinsku montažu u PCB-u.
Višeslojne sklopne ploče dvostrano su-lemljene i uključuju površinsku-montažu i IC-ove s-rupama. Postoje dva načina realizacije IC lemljenja. Jedan je dovršiti lemljenje IC-a za površinsku-montažu na prednjoj strani PCB-a ponovnim lemljenjem, a zatim dovršiti lemljenje IC-a za površinsku-montažu na stražnjoj strani PCB-a ponovnim lemljenjem, a zatim dovršiti lemljenje IC s-rupom na stražnjoj strani PCB-a valnim lemljenjem. Drugi način je dovršiti lemljenje IC-a za površinsku-montažu na prednjoj strani PCB-a ponovnim lemljenjem, a zatim dovršiti lemljenje IC-a za površinsku-montažu i kroz-rupu na stražnjoj strani PCB-a valnim lemljenjem. Prvo zahtijeva dva reflow lemljenja i jedno valovito lemljenje, dok drugo zahtijeva jedno reflow lemljenje i jedno valovito lemljenje. Prednost potonjeg je u tome što smanjuje operativne troškove i poboljšava učinkovitost proizvodnje [6]. 2. Kvar i mjesto onečišćenja lema
Količina paste za lemljenje otisnuta na PCB jastučićima određuje visinu lemljenja pinova nakon lemljenja. Slika 1 prikazuje IC za-površinsku montažu gdje, nakon reflow lemljenja, lem povezuje PCB i pinove IC-a, ali samo na dno i sa strane pinova, ne dopirući do prednje strane ili zavoja. U ovom slučaju, lem ne dolazi u kontakt s oblikovanim kućištem IC-a, što rezultira malom vjerojatnošću kontaminacije lemom. Crvene strelice na slici 1 jasno pokazuju razliku u boji između bakrenih vodova u ne-lemljenim područjima i lemljenim-područjima.
U valnom lemljenju, PCB prolazi kroz posudu rastaljenog lema. Pumpa u posudi stvara stojni val-poput valova lema. Kada PCB dođe u dodir s vrhom vala, komponenta se zalemi na PCB. U valovitom lemljenju, vrh lemljenja može uroniti cijelo oblikovano kućište IC-a koji se lemi, uvelike povećavajući vjerojatnost kontaminacije lemom. Stupanj kontaminacije može varirati ovisno o procesu i korištenim materijalima. Slika 2 prikazuje morfologiju IC-ova za površinsku montažu na istoj PCB kao na slici 1 nakon valovitog lemljenja. Sve igle IC-a prekrivene su lemom, a čak su i izložena područja koja su ostala nakon bakrenog okvira na sredini strane IC paketa obložena lemom, mijenjajući se iz žute (boja bakra) na slici 1 u srebrnu (boja premaza lemljenja).
Reflow lemljenje koristi infracrveno zagrijavanje za topljenje paste za lemljenje otisnute na PCB-u, lemljenje IC pinova na PCB. Postoji razlika u visini od 60-100 µm između dna paketa i PCB-a, a ispod IC paketa nema lema, čime je vjerojatnost kontaminacije lemljenjem IC paketa gotovo nula. Kod valovitog lemljenja vrhovi valova lemljenja uranjaju cijeli paket IC-a koji se lemi, uvelike povećavajući vjerojatnost kontaminacije lemom. Zaključno, vjerojatnost kontaminacije lemljenjem IC paketa za površinsku montažu je niska kod reflow lemljenja, ali visoka kod valovitog lemljenja.
Jedan isti IC postavljen je na prednju i jedan na stražnju stranu PCB-a. Onaj na prednjoj strani bio je lemljen reflowom, a onaj na stražnjoj strani valovito lemljen. Visoko{2}}temperaturno,-mrežno ispitivanje pouzdanosti starenja provedeno je na PCB-u. IC uvjeti bili su temperatura okoline od 50 stupnjeva, Vin=9 V, Iout=15 mA. Reflow lemljeni IC na prednjoj strani nije otkazao, dok je valovito lemljeni IC na stražnjoj strani imao stopu kvarova od približno 5%. Kvar se očitovao kao kratki spoj s uzemljenjem na Vin, a izlaz Vout -0,5 V pri 10 mA (normalni izlaz Vout trebao bi biti između 3,23-3,37 V). Iq je također bio prekoračen, premašivši 5 µA. Usporedba s dobrim IC-ovima otkrila je abnormalne I-V krivulje (Vin-Vss, Vout-Vss, itd.) na pokvarenom IC-u pomoću osciloskopa. Odvlaživanje pokvarenog IC-a u vakuumskoj komori na 0,13 Pa i 40 stupnjeva tijekom 12 sati nije promijenilo ponašanje IC-a; ipak nije uspjelo.
Očito, uklanjanje vlage ne može vratiti pokvareni IC u normalan rad. Jedan dokaz koji isključuje neispravnost starenja inducirane vlagom-IC je uzdužna disekcija neuspjelog IC-a i kvalificiranog IC-a, koja nije pokazala raslojavanje između površine čipa i smjese za kalupljenje (Slika 3). Još jedan dokaz je eksperiment ovlaživanja proveden na IC koji se oporavio nakon pečenja na 85 stupnjeva i 85% relativne vlažnosti tijekom 12 sati; proizvod je radio normalno i nije kvario.
Slučaj oblikovanih integriranih sklopova koji pokvare zbog vlage i oporavljaju se nakon pečenja opisan je u referenci [7]. U ovom slučaju, IC se oporavio nakon pečenja nakon kvara, isključujući vlagu kao uzrok, a sumnja se da bi to moglo biti povezano s kontaminacijom lemom.
Kako bi se istražili uzroci kvarova pouzdanosti val-lemljenog IC-a i identificirale razlike u elementarnom sastavu površine paketa između dobrih i neispravnih IC-ova, provedena je EDX analiza elementarnog sastava površine paketa IC-a neispravnih, dobrih i-reflow lemljenih IC-ova. Rezultati su pokazali da nije primijećen Sn na površini reflow-zalemljenih IC paketa, dok je maseni udio Sn bio veći u neispravnim valovito-lemljenim IC nego u normalnim val-lemljenim IC.
Jasno je da su kvar pouzdanosti IC nakon valovitog lemljenja i fenomen oporavka nakon pečenja snažno povezani s prisutnošću velike količine Sn u pakiranju. Ubrzavajući napon EDX-a korištenog za elementarnu analizu bio je 30 keV, a dubina detekcije elementa bila je približno 6 µm, što ukazuje da su neispravni IC-ovi možda pretrpjeli kontaminaciju paketa lemljenjem zbog valovitog lemljenja, s dubinom kontaminacije od najmanje 6 µm. Postoji vrlo malo literature o utjecaju kontaminacije lemom na rad IC-a; pregledan je veliki broj studija, ali nije pronađeno nikakvo znanstveno objašnjenje za navedeni fenomen. Najbliža pronađena literatura [8] proučava samo ostatke u procesima reflow i valovitog lemljenja, fokusirajući se na ostatke fluksa. Nije pronađena literatura koja bi uključivala kontaminaciju IC paketa lemljenim metalnim elementima.
3 Mehanizam kvara i mjere
Struktura unutarnjeg strujnog kruga neispravnog IC-a prikazana je na slici 4. IC čip je zalemljen na Vin pin, što znači da je supstrat IC čipa spojen na Vin pin, kao što je prikazano na slici 5. Nakon kontaminacije lemom, velika količina metalnih elemenata kao što je Sn uronjena je u IC paket. Ovi se metalni elementi pomiču pod utjecajem električnog polja tijekom starenja električne pouzdanosti IC-a i polako se skupljaju zajedno. Kada koncentracija tih metalnih iona dosegne određenu razinu, oni povezuju Vin pin i GND pin, što rezultira kratkim spojem na masu na Vin pinu, sa Vin-GND strujom kratkog spoja od 4,24 mA. Neuspjeli IC je pečen na 150 stupnjeva 12 sati. Toplina je uzrokovala ravnomjernu preraspodjelu iona visoke{10}}gustoće, poput Sn, koji su se nakupili u kućištu IC-a, što je dovelo do poboljšanih električnih svojstava i struje kratkog{11}}spoja od 1,18 mA (slika 6b). Nakon 24 sata kontinuiranog zagrijavanja, svi električni parametri su se vratili u normalu, uz struju kratkog spoja od 0,00 mA (slika 6c).
Međutim, pečenje na visokoj{0}}temperaturi samo redistribuira Sn i druge metalne elemente unutar IC paketa; ne uklanja te elemente. Metalni elementi za lemljenje ostaju unutar IC paketa. Teoretski, kad bi se ponovno proveo sličan test starenja električne pouzdanosti, IC bi ponovno zakazao. Eksperimenti su to potvrdili, pokazujući da je kvar reverzibilan i ponovljiv. IC-ovi koji su se oporavili od pečenja podvrgnuti su drugom testu starenja pod sljedećim uvjetima: Ta=50 stupanj, Vin=9 V, lout=30 mA, Vout=3.3 V. Nakon 24 sata, IC-ovi ponovno nisu uspjeli, pokazujući pretjerani Iq. Vrijednosti Iq za tri uzorka prije starenja bile su 3,273, 4,269, odnosno 3,763 µA, a nakon starenja 15,011, 5,499, odnosno 8,206 µA. Normalni raspon je manji od 5 µA.
Ukratko, kontaminacija lemljenjem IC paketa je nepovratna; jednom kontaminiran, IC paket ne može ukloniti kontaminirane lemljene elemente. Iako se kvar električnih parametara IC-a uzrokovan kontaminacijom lemom može popraviti, takvi oporavljeni IC-ovi mogu opet pokvariti pod određenim uvjetima jer kontaminirani lem ostaje unutar pakiranja. Preporuča se korištenje standardnih postupaka lemljenja za osjetljive IC-ove-za površinsku montažu kako bi se smanjila mogućnost kontaminacije IC paketa lemljenjem.
4. Zaključak
Kako bi poboljšali učinkovitost proizvodnje, neki proizvođači SMT-a koriste opremu za valovito lemljenje za istovremenu obradu IC-ova za površinsku ugradnju i IC-ova s -rupama na jednoj strani višeslojnih sklopnih ploča, što nudi prednosti u pogledu cijene. Ovaj rad proučava mehanizam kvara lijevanih IC-ova zbog lemljenja i otkriva da valovito lemljenje predstavlja rizik od kontaminacije lemljenjem lijevanih IC-ova za površinsku montažu. Nadalje, kontaminirani IC-ovi su nepovratni, a njihova pouzdanost ostaje zabrinjavajuća. Preporuča se koristiti reflow lemljenje za osjetljive lijevane IC-ove za površinsku montažu, izbjegavajući valovito lemljenje kako bi se smanjila mogućnost kontaminacije lemljenjem IC paketa.
