Надежность ENEPIG при последовательном термическом цикле и старении.

АННОТАЦИЯ

Покрытие поверхности печатных плат (PCB) химическим никелем и палладием и иммерсионным золотом (ENEPIG) теперь стало основным покрытием поверхности, которое используется как для оловянно-свинцовой, так и для бессвинцовой пайки. В этой статье представлена надежность корпусов компонентов (LGA) с 1156 контактами, собранными оловянно-свинцовым припоем на печатных платах с покрытием ENEPIG, а затем подвергнутых термоциклированию, а затем изотермическому старению. Для определения надежности использовались корпуса LGA1156 с шлейфовым подключением, позволяющим отслеживать неисправности паяных соединений. Сборки были изготовлены с помощью машины оплавления в паровой фазе или паяльной станции. Затем их подвергали термоциклированию от –55°С до 125°С. После завершения двухсот термических циклов сборки подвергались изотермическому старению в течение 324 часов при температуре 125°C, чтобы определить влияние изотермического старения на образование и рост интерметаллидов, что является одной из проблем для сборок с припоем олово-свинец. Чтобы определить эффект воздействия температур выше 125°C, состаренные образцы подвергали 100 циклам термоциклирования от –65°C до 150°C. Для обеспечения целостности паяных соединений использовался ряд методов определения их характеристик. Они включали неразрушающую оценку с помощью рентгеновских лучей, последовательный мониторинг с интервалами термического цикла/старения и определение характеристик разрушения путем изготовления микрошлифов. На циклически состаренных образцах изготавливали микрошлифы которые исследовали с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Также были представлены технологические процессы сборки и микрофотографии СЭМ, показывающие прогрессирование повреждений и толщин IMC и микроструктурные изменения, а также элементный анализ с помощью рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (EDS).

Ключевые слова: ENEPIG, HASL, надежность паяных соединений, LGA, массив выводов, термический цикл, цикл термоудара, надежность паяных соединений, изотермическое старение.

ВВЕДЕНИЕ

Группа по стандартизации IPC помогла облегчить внедрение химического никеля и палладия иммерсионного золота (ENEPIG) для покрытия поверхности печатных плат (PCB), выпустив стандарт с большой базой данных . Эти данные, а также данные, полученные промышленностью, обычно сосредоточены только на основных подходах к тестированию и в основном для бессвинцовых припоев и тестирования отдельных шариковых выводов из припоя, а не усовершенствованных сборок электронных корпусов BGА и для оловянно-свинцового припоя. Крайне сложно соотнести результаты испытаний на сдвиг отдельных шариков со сборками BGА. Тестирование надежности с использованием корпусов BGA, особенно массивов шариковых выводов, с оловянно-свинцовым припоем, отсутствует. Кроме того, существуют разногласия относительно надежности и совместимости ENEPIG с оловянно-свинцовым припоем , поскольку имеются более повторяемые результаты испытаний бессвинцовых паяных соединений. Оплавление горячим воздухом (HASL), которое обычно используется для припоя олово-свинец, не соответствует требованиям к плоскостности, предъявляемым к шариковым выводам с мелким шагом (FBGA). Значение покрытия поверхности печатной платы для надежности сборки было признано группой разработчиков стандарта IPC 9701 на ранней стадии его разработки, когда группа формулировала требования к испытаниям паяных соединений олово-свинец для корпусов BGA. Команда ограничила использование покрытий печатной платы консервантом для пайки (OSP) и HASL, чтобы свести к минимуму вероятность преждевременных отказов при использовании других покрытий. Такое ограничение было введено, чтобы избежать значительных затрат и нагрузки на небольших предприятиях, которым обычно не хватает знаний и опыта в нюансах покрытия поверхности, такой как химический никель-иммерсионное золото (ENIG). Эта спецификация допускала новое покрытие поверхности только для сравнения с базовым покрытием. Версия A, которая включает рекомендации для припоев, не содержащих свинца, допускала использование только покрытия OSP, поскольку HASL с олово- свинцом не был совместим с припоями, не содержащими свинца. Другие виды покрытия поверхности, включая серебро (Ag) и олово (Sn), считались приемлемыми только для внутреннего сравнения с данных производителя. Кроме того, для внутреннего сравнения данных можно использовать покрытие ENIG; однако предупреждалось, что может возникнуть риск хрупкого разрушения (черная площадка). ENEPIG в то время не был представлен; поэтому в данной спецификации не обсуждается это конкретное покрытие поверхности.

Затем кратко обсуждается сборка на печатной плате с покрытием ENEPIG с использованием двух типов корпусов: LGA с 1156 паяными контактами и д CLGA 1272 (керамический LGA). Корпуса подверглись 200 термическим циклам (от –55°C до 125°C). Представлены оптические и СЭМ-микрофотографии, показывающие состояние раздела припоя после 200 TC, которые сравнивались с образцами, подвергнутыми дополнительному 324-часовому старению при 125°C. Кроме того, их сравнивали с теми, которые были подвергнуты дополнительным 100 циклам термического удара (от –65°C до 150°C). В заключение приводится краткое изложение и рекомендации для следующих шагов расследования.

1.1 Тенденции LGA и усовершенствованной упаковки.

В данной статье основное внимание уделяется надежности паяных соединений на уровне платы и интерметаллических образований LGA1156.

На рисунке 1 технологии корпусирования разделены на три ключевые технологии:

• Пластиковые матрицы шариковых вывводов (PBGA), включая версию с перевернутым кристаллом (FCBGA), корпус LGA с шариками для припоя, четырехъядерный QFN и новые версии.
• Керамическая решетка из шариковых выводов (CBGA), керамическая решетка из колонн (CGA) и керамическая версия LGA. Корпуса в размер кристалла(CSP) , уменьшенные версии BGA и корпуса уровня пластины (WLP).

Рис. 1. Технологии однокристального корпусирования охватывающие три основные категории. LGA существует во всех трех категориях.

PBGA и CSP в настоящее время широко используются во многих вариантах коммерческой электроники, включая портативные и телекоммуникационные изделия. BGA с шагом 0,8–1,27 мм применяются для вариантов с высокой надежностью и обычно требуют более строгих требований к термическому и механическому циклированию. Пластиковые BGA, появившиеся в конце 1980-х годов и применявшиеся с большой осторожностью в начале 1990-х годов, в середине 1990-х годов превратились в CSP (также известные как BGA с мелким шагом), имеющие гораздо меньший шаг от 0,4 мм до 0,3 мм. В последнее время все более широкое использование приобрели корпуса на уровне пластины (LGA). Корпуса LGA охватывают целый ряд аналогичных корпусов: от CSP с мелким шагом до BGA с большим шагом и большим количеством входов/выходов. Как и корпуса с шариковыми выводами, LGA можно монтировать на поверхность. В LGA нет шариков припоя, только контакты, аналогичные QFN. Соединения формируются с помощью паяльной пасты и оплавления при поверхностном монтаже, что позволяет уменьшить высоту сборки. Это позволяет использовать более тонкую сборку, необходимую для мобильных и вычислительных изделий, особенно для радиочастотных изделий, требующих более низкого паразитного шума. LGA являются предпочтительными корпусами для вариантов, требующих идеального сочетания небольших размеров и превосходных тепловых и электрических характеристик. LGA имеют незначительные внутренние паразитные элементы, связанные с внешними площадками для пайки, а близость к печатным платам обеспечивает чрезвычайно низкое тепловое сопротивление устройства. Это обеспечивает максимальную передачу тепла от ПП к КП корпуса. Однако надежность термического цикла имеет обратную экспоненциальную зависимость от высоты паяного соединения. Поэтому возможно значительное снижение надежности паяного соединения. Моделирование прогнозирует тенденцию к более низкому количеству циклов до отказа для LGA по сравнению с BGA, что также подтверждается испытаниями.

1.2 Ограничение покрытия поверхности HASL для WLP1600, шаг 0,3 мм.

Тестовый образец с различными по размерам и шагам BGA, был разработан для определения проблем сборки при различных шагах и размерах, а также их надежности.

Были рассмотрены два варианта покрытия поверхности печатной платы: стандартный HASL с олово- свинцом, а другой ENEPIG. Наиболее сложными корпусами для сборки печатных плат были следующие два размера и шага:

• Две FPBGA с шагом 0,4 мм и размером корпуса 13 мм2. Один из компонентов CVBGA432 имел шарики припоя SnPb, а другой — шарики припоя SAC305, не содержащие свинца.
• Два WLP последовательного подключения с шагом 0,3 мм и размером корпуса 12 мм2. WLP1600 имел шарики припоя SAC305, не содержащие свинца. На рис. 2 показан участок печатной платы, на котором сравниваются изображения контактных площадок для ENEPIG и HASL. Также включена базовая линия для шага 1,00 мм. Увеличенные фото микрошлифов WLP1600 показаны как для условий покрытия поверхности, иллюстрирующих неравномерность в HASL и равномерность при в покрытии поверхности ENEPIG. HASL показывает КЗ паек, замыкающие четыре КП. Формирование объема припоя неоднородно. Однако покрытие ENEPIG демонстрирует превосходную стабильность при шаге 0,3 мм и выше. Таким образом, ENEPIG является явным победителем. При шаге 0,4 мм покрытие HASL более однородное, хотя образование объема припоя по-прежнему является обычным явлением.

Рис. 2. Изображения покрытия поверхности печатной платы HASL (слева) и ENEPIG (справа). Покрытие HASL неприемлемо для WLP1600 с шагом 0,3 мм, тогда как ENEPIG приемлемо.

1.3 ENEPIG: Сборка и проверка LGA1156.

Чтобы определить влияние покрытия поверхности ENEPIG в условиях серьезного термического напряжения, для сборки на печатные платы использовались LGA, что также создавало дополнительные производственные проблемы. Печатная плата была разработана для размещения пластикового корпуса LGA1156, а также других корпусов, которые выходят за рамки исследования данной статьи. Толщина ENEPIG была выполнена в соответствии с IPC-4556, выпущенного в январе 2013 г., для химNi 118–236 мкдюймов, хим Pd 2–12 мкдюймов и иммерсионном Au минимум 1,2 мкдюйма. LGA1156 имел схемы шлейфового подключения для проверки обрывов после сборки и во время оценки надежности. Схемы последовательного подключения LGA с большим количеством входов/выходов на покрытии поверхности печатной платы ENEPIG не только позволили оценить надежность паяных соединений, но также предоставили еще один метод проверки состояния межсоединений после сборки. Схемы шлейфового подключения к печатной плате были разработаны так, чтобы соответствовать корпусам LGA, чтобы создать полный контур сопротивления после сборки корпуса на печатной плате. Перед тем как подготовиться к использованию большего количества сборок для оценки надежности, были оценены три ключевых параметра. Как правило, после термовыдержки LGA1156 и печатной платы для удаления влаги на контактные площадки LGA1156 наносилась эвтектическая паяльная паста из олова- свинца, которая затем подвергалась оплавлению для формирования объемов припоя на контактных площадках. С керамическими корпусами пришлось повторить процесс, чтобы достичь желаемой высоты объема припоя. После нанесения паяльной пасты на площадки печатной платы LGA1156 был установлен на печатную плату и подготовлен к сборке. На рис. 3 представлена фотография пластиковых и керамических LGA (1156 и 1272 входов/выходов) и финальная сборка. Испытательный образец был собран с использованием машины для оплавления в паровой фазе.

Рис. 3. Покрытие поверхности печатной платы ENEPIG для сборки пластикового (LGA) с контактами 1156 (слева вверху) и керамического LGA (справа вверху). LGA1156 с керамической версией были установлены на печатной плате ENEPIG (внизу).

2D-рентген в режиме реального времени двух сборок корпуса не выявил замыканий или чрезмерных шариков припоя и поэтому этот вариант считается приемлемым. Эту сборку повторили еще раз и достигли приемлемого качества. На рисунке 4 показан рентгеновский снимок стороны ПП с LGA1156. На нем также показаны угловые паяные соединения при большем увеличении. На рентгеновском снимке показаны внутренние конфигурации LGA и корпусов с мелким шагом. При изучении рентгеновских изображений в режиме реального времени при большом увеличении не было обнаружено никаких необычных аномалий припоя, за исключением наличия больших пустот.

Рис. 4. Рентгеновские микрофотографии сечения испытательного образца с пластиковымкорпусом LGA1156, на которых видны пустоты в паяных соединениях.

1.4 Микроструктура ENEPIG после 200 термоциклов (-55C/+125°C) для LGA1156.

Сборки LGA1156 на готовой печатной плате с покрытием ENEPIG подвергались термоциклированию с последующим изотермическим старением перед изготовления поперечного разреза для выявления микроструктурных изменений. Сборки LGA1156 подвергались термоциклированию в диапазоне от –55°C до +125°C со скоростью нагрева/охлаждения от 2° до 5°C/мин (заданное значение 3C/мин). После 200 термоциклов один из корпусов LGA был разрезан по диагонали для изготовления поперечного сечения. На рисунке 5 показано изображение поперечного сечения LGA1156 со значениями размеров корпуса, включая размер кристалла, толщину кристалла и длину паяного соединения. Изображение включает как оптическую, так и сканирующую электронную микроскопию (SEM). Размер кристалла относительно корпуса является критическим параметром, влияющим на надежность, а также на качество припоя под угловым кристаллом.

Рис. 6. Репрезентативные оптические и СЭМ-изображения паяных соединений LGA1156 при 200 термических циклах (от –55°C до 125°C).

Также очевидно приемлемое качество паяного соединения LGA с конфигурациями без паяльной маски (NSMD) или с определяемыми ею контактными площадками.

Характеристика интерфейса припой/ENEPIG имеет решающее значение после термоциклов, но до последующего изотермического старения для сравнения. На рисунке 7 показаны репрезентативные изображения СЭМ с энергодисперсионным рентгеновским анализом (например, показывающим наличие Ni, Cu, Sn и Pb) на границе раздела припоя после 200 термических циклов (от –55°C до + 125°С).

Рис. 7. Репрезентативные изображения СЭМ с элементным анализом СЭМ-ЭДС (энергодисперсионным рентгеновским анализом) (например, показывающим наличие Ni, Cu, Sn и Pb) на границе раздела припоя после 200 термических циклов (от –55°C до +125°C).

1,5 200 термических циклов (TC) (-55°C/+125°C) + 324 часа изотермического старения (125°C) для LGA1156.

Для определения микроструктурных изменений вследствие изотермического старения термоциклированный LGA1156, а также половина неиспользованных образцов были подвергнуты изотермическому старению при 125°С в течение 324 часов. Часть вырезанного образца была специально использована для того, чтобы исключить влияние производственных переменных на интерметаллидный рост границы раздела ENEPIG/припой. Это позволило анализировать только вклад изотермического старения для прямого сравнения микроструктурных изменений на границе раздела до и после старения. Обратите внимание, что этот подход нельзя использовать для термоциклирования, поскольку половина корпуса имеет несоответствие КТР, отличное от того, что имеется у собранного полноразмерного корпус. Результаты испытаний не могли отразить влияние несоответствия КТР (CTE). На рисунке 8 сравниваются репрезентативные СЭМ-изображения образцов до и после изотермического старения. При таком увеличении существенных изменений не наблюдается.

Рис. 8. Репрезентативные микрофотографии состояния пайки LGA1156 под корпусом, сделанные с помощью СЭМ, после 200 термических циклов (–55°C/+125°C) (слева) и после последующих 324 часов изотермического старения при 125°C (справа). Образцы были одинаковыми: половина использовалась после ТК, а другая половина использовалась для последующего старения, полировки и получения изображений с помощью СЭМ.

Более сильное увеличение потребовалось для определения микроструктурных изменений на границе раздела припой/ENEPIG. На рисунке 9 сравниваются изображения СЭМ с большим увеличением после 200 TC и после дополнительных 324 часов старения. Они также включают энергодисперсионный рентгеновский анализ, выполненный на границе припой/ENEPIG, показывающий, что ключевыми элементами являются распределение олова и свинца. Заметен рост зерен, что является нормальным для старения. Резких изменений из-за изотермического старения не происходит.

Рис. 9. Репрезентативные микрофотографии СЭМ с энергодисперсионным рентгеновским анализом состояния пайки выводов LGA1156 после 200 термоциклов (–55°C/+125°C), слева, и после последующих 324 часов изотермического старения при 125°C (справа). Образцы были одинаковыми: половина использовалась после ТС, а другая половина использовалась для последующего старения, полировки, получения изображений с помощью СЭМ и элементного анализа.

1,6. 200 термоциклов (TC) (– 55°C/+125°C) + 100 термоциклов (TS) (– 65°C/+150°C) для LGA1156.

Чтобы определить влияние более высоких диапазонов температурного цикла на микроструктурные изменения интерфейса, термически циклированные сборки LGA1156 (200 термоциклов [TC], –55°C/+125°C) были подвергнуты ещё 100 более суровым циклам термического удара ( – 65°C +150°С). В отличие от условий термического цикла, который выполнялся в одной камере, в цикле термического удара использовались две камеры, и испытательные образцы перемещались между горячей и холодной камерами. Типичный профиль термического цикла показан на рисунке 10. Только три образца были подвергнуты этому режиму термоударного цикла. Все образцы выходили из строя в период от 20 до 60 циклов, но продолжали работать до 100 термоударов , что могло привести к дальнейшему обрыву паяных соединений. Для поперечного сечения и оценки микроструктуры припоя и интерфейса ENEPIG был выбран тот, у которого обрыв был после 60 термоударов (TS).

Рис. 10. Типичный профиль цикла термоудара (– 65°C/+150°C).

На рисунке 11 показаны типичные изображения сборки LGA, полученные с помощью СЭМ, после 200 TC +100 TS. Поперечные сечения показывают области с микроотверстиями, расположенными на один слой ниже, чтобы обеспечить соединение для проверки целостности. На рисунке 12 показана микроструктура СЭМ с энергодисперсионным рентгеновским анализом (ЭДС), детализирующим микроструктурные изменения на границе раздела припой/ENEPIG.

Рис. 11. Репрезентативные микрофотографии паек LGA1156 под кристаллом и над переходным отверстием, полученным с помощью СЭМ, после 200 термических циклов (–55°C/+125°C) и дополнительных 100 циклов термоудара (–65°C/+150°C). ).

Рис. 12. Репрезентативные микрофотографии СЭМ с анализом EDS условий пайки LGA1156 после 200 термических циклов (–55 °C/+125 °C) и дополнительных 100 циклов термоудара (–65 °C/+150 °C).

Наконец, три изображения СЭМ с элементным анализом EDS, сравнивающие влияние дополнительных циклов старения и термического удара, показаны на рисунке 13. Они охватывают изображения СЭМ после 200TC, после 200TC плюс 324 часа старения при 125C и после 200TC плюс 100ТУ. Никаких явных аномалий не наблюдалось.

Рис. 13. Репрезентативные микрофотографии СЭМ с анализом EDS условий пайки LGA1156 после 200 термических циклов (TC, –55°C/+125°C), (слева), 200 TC плюс 324 часа старения при 125°C (в центре). и 200TC плюс 100 циклов термоудара (–65°C/+150°C), справа.

2.0 РЕЗЮМЕ.

Характеристики надежности покрытия поверхности печатной платы ENEPIG для паяных соединений в сборе в соотоветствии с RoHS были предметом многочисленных статей. Однако данных о надежности контакта этого покрытия с оловянно-свинцовым припоем недостаточно. В этом документе покрытие ENEPIG рассматривалось в контакте с олово- свинцом для высоконадежного электронного оборудования. По этой причине с использованием сборок LGA1156 был выполнен ряд ускоренных термических циклов и ударов, а также изотермическое старение, чтобы определить целостность интерфейса припой/ENEPIG после каждого воздействия окружающей среды.

Краткое изложение результатов представлено ниже:

• После 200 термических циклов (TC, от –55°C до +125°C) при последовательном мониторинге не было обнаружено сбоев и не возникло никаких микроструктурных аномалий на интерфейсах ENEPIG/пайка.
• После 200 TC плюс 324 часов старения при 125°C микроструктурные изменения на интерфейсах ENEPIG/припоя находились в пределах нормы.
• После 200TC плюс 100 циклов термического удара (TS, от –65°C до +150°C) сборки LGA1156 вышли из строя, демонстрируя увеличение сопротивления, но при перекрестном соединении на интерфейсах ENEPIG/пайка не было обнаружено значительных ухудшений. Секционирование и элементная оценка по SEM предварительных результатов испытаний показало, что покрытие печатной платы ENEPIG + пайка оловянно-свинцовым припоем приемлемы для кратковременного использования в вариантах с высокой надежностью. Также было выявлено приемлемость надежности сборок LGA1156 при кратковременном термическом цикле при стандартной жесткой температуре (от –55°C до +125°C), но не при более суровом цикле термического удара (TS, от –65°C до +150°C).

3.0 БЛАГОДАРНОСТИ.

Исследование, описанное в этой публикации, проводилось в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института по контракту с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства. Авторские права принадлежат Калифорнийскому технологическому институту, 2016 г.

Подтверждено спонсорство правительства США.

Автор хотел бы выразить признательность за поддержку коллективу участвующего в этой работе, особенно Д. Хантеру, А. Мехте и Э. Брэдфорду.

Автор также выражает свою признательность руководителям программ Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NEPP).

4.0 ССЫЛКИ.

• [01] IPC, Ассоциация, объединяющая электронную промышленность, http://www.ipc.org/TOC/IPC-4556.pdf, Copy IPC-4556.pdf по состоянию на 2016 г..
• [02] Милад Г., «Обзор спецификаций финишных покрытий, Подкомитет IPC Plating 4-14», Surface Mount International Proceedings, 2015, https://smta.org/.
• [03] Эдзири, Ю. Ноудо, Т., Сакураи, Т., Араяма, Ю., Цубомацу, Ю. и Хасэгава, К. «Влияние покрытия поверхности и припоев на надежность шариковых выводов», Surface Mount International Proceedings, 2015, https://smta.org/.
• [04] Вулвертон, М., «Качество, надежность и металлургия покрытия плат ENEPIG и паяных соединений с олово- свинцом», Surface Mount International Proceedings, 2011, https://smta.org/.
• [05] Чжао К., Шен К., Хай З., Басит М.М., Чжан Дж., Бозак М.Дж., Эванс Дж.Л. и Сулинг Дж.К., «Качество, надежность и металлургия покрытия плат ENEPIG и оловянно-свинцовые паяные соединения», Journal of Surface Mount Technology Articles, 29-2, 1 апреля 2016 г., https://smta.org/.
• [06] Гаффарян Р. «Влияние покрытия поверхности платы на механизмы отказа и надежности BGA», Proc. Surface Mount International’98, 1998, стр. 59–69, https://smta.org/.
• [07] Международная технологическая дорожная карта для полупроводников, ITRS, http://www.itrs.net/, по состоянию на 2016 г.
• [08] Международные инициативы по производству электроники (веб-сайт), INEMI, http://www.inemi.org/, по состоянию на 2016 г.
• [09] Гаффариан Р. Обновленная информация о корпусах CGA для космических вариантов. Надежность микроэлектроники. 2016 15 января.
• [10] Чуби, А., Гаффарян, Р., « Анализ сборок BGA/CGA в условиях термоциклирования», Surface Mount International Proceedings, 2016, https://smta.org/.