Áhrif og greining á lóðmálmsmengun í mótuðum samþættum hringrásum

Ágrip:

Áreiðanleikavandamál af völdum jónamengunar vegna rakaseyðingar mótaðra IC eru tiltölulega algeng, en þau sem stafa af PCB lóðmálmsmengun eru sjaldgæfari. Þessi grein kynnir raunverulegt-tilvik um bilun á áreiðanleika IC vegna PCB lóðmálmsmengunar, skilgreinir aðstæðurnar þar sem lóðmálmsmengun á sér stað og sýnir með frumgreiningu á mótuðum pakka IC að lóðmálmsmengun getur leitt til IC áreiðanleikabilunar. Ritgerðin sýnir hvernig hitun og endur-öldrun misheppnaðra ICs getur valdið bæði endurbótum og endur-bilun. Þetta útskýrir að lóða-mengaðar IC pakkar eru óafturkræfar og gætu bilað aftur við sérstakar aðstæður. Tilmæli eru veitt til verkfræðinga í yfirborðsfestingartækni (SMT) til að forðast áreiðanleikabilanir af völdum lóðmálmsmengunar.

0 Inngangur

PCB eru tvíhliða-lóðuð og fela í sér yfirborðsfestingar og í gegnum-gat tæki, þar á meðal IC-stýringu og afldrif, og eru mikið notaðar á iðnaðarstýringarsviðum, svo sem hleðsluhaugum fyrir ný orkutæki. Þó að töluvert sé til um lóðunargæði og áreiðanleika IC á PCB [1-4], er rit um IC áreiðanleikabilun af völdum lóðmengunar eftir lóðun á PCB af skornum skammti. Þessi grein rannsakar áhrif PCB lóðmálmsmengunar á áreiðanleika IC, greinir líkurnar á IC-mengun við mismunandi lóðunaraðferðir, birtingarmynd IC rafmagnsbreytubilunar eftir mengun og aðferðirnar til að útrýma og endurskapa bilunina.

1 PCB IC lóðunaraðferðir

Helsta lóðaaðferðin fyrir yfirborðsfestingar IC á PCB er endurflæðislóðun. Bylgjulóðun er einnig notuð af sumum framleiðendum fyrir yfirborðsfestingar IC á PCB. Lóðmálið sem notað er við endurrennslislóðun og bylgjulóðun er blý-laust lóðmálm, aðallega úr tini, sem inniheldur lítið magn af silfri, kopar og öðrum málmum. Endurflæðis lóðahitastigið er á milli 217 og 260 gráður og bylgju lóðahitastigið er á milli 255 og 265 gráður. Tilvísanir [5-6] lýsa sérstökum skrefum fyrir yfirborðsfestingu bylgjulóða og gegnum-gata IC sem hér segir: velja-og-vélin setur yfirborðsfestingar IC á ákveðnum stað neðst á PCB, þannig að pinnar hennar séu á sama lóðaflati og gegnum{1.5}}} Yfirborðsfestingin IC er fest með rauðu lími og eftir herðingu við háan hita er hún þétt fest á sínum stað. Í gegnum-gata IC er sett í ákveðna stöðu á PCB og PCB er sendur í bylgjulóðavél til lóðunar til að ljúka við lóðun á gegnum-gat IC og yfirborðsfesta IC í PCB.

Fjöllaga hringrásarspjöld eru tvíhliða-lóðaðar og innihalda yfirborðs-festingar og gegnum-gata IC. Það eru tvær leiðir til að átta sig á IC lóðun. Einn er að ljúka við lóðun yfirborðs-festingar IC á framhlið PCB með endurflæðislóðun, og klára síðan lóðun yfirborðs-festa IC á bakhlið PCB með endurflæðislóðun, og ljúka síðan við lóðun á gegnum-gata IC á bakhlið PCB með bylgjulóðun. Hin leiðin er að ljúka við lóðun yfirborðs-festingar IC á framhlið PCB með reflow lóðun, og ljúka síðan við lóðun yfirborðs-festingarinnar og í gegnum-gat IC á bakhlið PCB með bylgjulóðun. Hið fyrra krefst tveggja endurrennslislóða og einnar bylgjulóðunar, en hið síðarnefnda krefst einnar endurflæðislóðunar og einnar bylgjulóðunar. Kosturinn við hið síðarnefnda er að það dregur úr rekstrarkostnaði og bætir framleiðslu skilvirkni [6]. 2. lóðmálmsmengun bilun og staðsetning

Magn lóðmálma sem prentað er á PCB púðana ákvarðar lóðmálmhlaupshæð pinna eftir lóðun. Mynd 1 sýnir yfirborðs-festingu IC þar sem, eftir endurflæðislóðun, tengir lóðmálið PCB og IC pinna, en aðeins við botn og hliðar pinna, nær ekki að framan eða beygjum. Í þessu tilviki snertir lóðmálið ekki mótað hlíf IC, sem leiðir til lítillar líkur á lóðmálmsmengun. Rauðu örvarnar á mynd 1 sýna greinilega litamun á koparleiðslum á ó-lóðuðu svæðum og lóða-húðuðu svæðum.

Í bylgjulóðun fer PCB í gegnum pott af bráðnu lóðmálmi. Dæla í pottinum framkallar standbylgju-eins og lóðmálmur. Þegar PCB kemst í snertingu við öldutoppinn er íhluturinn lóðaður á PCBið. Í bylgjulóðun getur lóðmálmurinn dýft öllu mótuðu hlífinni á IC sem verið er að lóða, og eykur líkurnar á lóðmálmsmengun til muna. Mengun getur verið mismunandi eftir ferli og efnum sem notuð eru. Mynd 2 sýnir formgerð yfirborðsfestinga ICs á sama PCB og á mynd 1 eftir bylgjulóðun. Allir IC-pinnar eru þaktir lóðmálmi, og jafnvel óvarið svæði sem eftir eru eftir koparrammann í miðri IC-pakkanshliðinni eru hjúpuð í lóðmálm, breytast úr gulu (koparlitur) á mynd 1 í silfur (lóðmálmhúðulitur).

Reflow lóðun notar innrauða upphitun til að bræða lóðmálmið sem prentað er á PCB, lóða IC pinna við PCB. Það er 60-100 µm hæðarmunur á botni pakkans og PCB, og það er ekkert lóðmálmur undir IC pakkanum, sem gerir líkurnar á lóðmálmsmengun í IC pakkanum næstum því engar. Í bylgjulóðun sökkva lóðabylgjutopparnir í sig allan pakkann af IC sem verið er að lóða, og eykur líkurnar á lóðmálmsmengun til muna. Að lokum má segja að líkurnar á lóðmálmsmengun í yfirborðsfestingar IC pakkningum séu litlar í endurflæðislóðun, en miklar í bylgjulóðun.

Einn af sömu IC var settur að framan og einn aftan á PCB. Sá að framan var reflow lóðaður og sá að aftan var bylgjulóðaður. Hátt-hitastig, á-línuáreiðanleika öldrunarpróf var gert á PCB. IC skilyrðin voru 50 gráður umhverfishiti, Vin=9 V, Iout=15 mA. Endurflæði lóða IC að framan bilaði ekki, en bylgju lóða IC að aftan hafði bilunartíðni upp á um það bil 5%. Bilunin birtist sem skammhlaup í jörð við Vin og Vout gefur út -0,5 V við 10 mA (venjulegt Vout úttak ætti að vera á milli 3,23-3,37 V). Iq var einnig farið yfir, yfir 5 µA. Samanburður við góða IC leiddi í ljós óeðlilegar I-V kúrfur (Vin-Vss, Vout-Vss, osfrv.) á bilaða IC með sveiflusjá. Afvötnun á biluðu IC í lofttæmihólfinu við 0,13 Pa og 40 gráður í 12 klukkustundir breytti ekki hegðun IC; það mistókst samt.

Augljóslega getur það ekki endurheimt misheppnaða IC í eðlilega notkun að fjarlægja raka. Ein sönnunargagn til að útiloka raka-örvandi öldrunarbilun á IC er lengdarkrufning á bæði bilaða IC og hæfu IC, sem sýndi enga aflögun milli flísyfirborðsins og mótunarefnasambandsins (mynd 3). Önnur sönnunargagn er rakatilraun sem gerð var á IC sem jafnaði sig eftir bakstur við 85 gráður og 85% rakastig í 12 klukkustundir; varan virkaði eðlilega og brást ekki.

Tilviki mótaðra ICs bila vegna raka og jafna sig eftir bakstur er lýst í tilvísun [7]. Í þessu tilviki jafnaði IC sig eftir bakstur eftir bilun, útilokaði raka sem orsök og grunur leikur á að það gæti tengst lóðmengun.

Til að kanna orsakir -hljóða IC áreiðanleika bilana og bera kennsl á muninn á frumefnasamsetningu pakkans yfirborðs milli góðra og misheppnaðra ICs, var EDX greining gerð á yfirborðsþáttasamsetningu IC pakkana af misheppnuðum, góðum og endurflæðis-lóðuðum ICs. Niðurstöðurnar sýndu að ekkert Sn sást á yfirborði endurflæðis-lóðaðra IC pakkana, á meðan Sn massahlutfallið var hærra í misheppnuðu bylgju-lóðuðu IC en í venjulegum bylgju-lóðuðum IC.

Ljóst er að áreiðanleikabilun IC eftir bylgjulóðun og fyrirbæri bata eftir bakstur eru sterk fylgni við tilvist mikið magn af Sn í pakkanum. Hröðunarspenna EDX sem notaður var fyrir frumefnagreiningu var 30 keV og greiningardýpt frumefnis var um það bil 6 µm, sem gefur til kynna að biluðu IC-tækin gætu hafa orðið fyrir lóðamengun í pakkanum vegna bylgjulóðunar, með mengunardýpt að minnsta kosti 6 µm. Það er mjög lítið af bókmenntum um áhrif lóðmálmsmengunar á IC árangur; Farið var yfir fjölda rannsókna en engin vísindaleg skýring á ofangreindu fyrirbæri fannst. Næstu fræðirit sem fundust [8] rannsaka aðeins leifar í endurflæðis- og bylgjulóðunarferlum, með áherslu á flæðisleifar. Engar heimildir fundust sem fólu í sér mengun IC-pakka með lóðmálmþáttum.

3 Bilunarkerfi og ráðstafanir

Innri hringrás uppbygging misheppnaðs IC er sýnd á mynd 4. IC flísinn er lóðaður við Vin pinna, sem þýðir að IC flís undirlagið er tengt við Vin pinna, eins og sýnt er á mynd 5. Eftir lóðmálmsmengun er mikið magn af málmþáttum eins og Sn sökkt í IC pakkann. Þessir málmþættir hreyfast undir áhrifum rafsviðsins við öldrun rafáreiðanleika IC og safnast hægt saman. Þegar styrkur þessara málmjóna nær ákveðnu stigi, tengja þær Vin pinna og GND pinna, sem leiðir til skammhlaups við jörð við Vin pinna, með Vin-GND skammhlaupsstraumi upp á 4,24 mA. Misheppnaður IC var bakaður við 150 gráður í 12 klukkustundir. Hitinn olli því að jónirnar með mikla-þéttleika, eins og Sn, sem höfðu safnast fyrir í pakka IC endurdreifðust jafnt, sem leiddi til bættra rafeiginleika og skammhlaupsstraums upp á 1,18 mA (mynd 6b). Eftir 24 klukkustunda samfellda upphitun fóru allar raffæribreytur aftur í eðlilegt horf, með skammrásarstraumi upp á 0,00 mA (mynd 6c).

Hins vegar endurdreifir-bakstur við háan hita aðeins Sn og öðrum málmþáttum innan IC pakkans; það fjarlægir ekki þessa þætti. Lóðmálmþættirnir eru áfram innan IC pakkans. Fræðilega séð, ef svipað rafmagnsáreiðanleika öldrunarpróf væri gert aftur, myndi IC bila aftur. Tilraunir hafa staðfest þetta og sýna að bilunin er afturkræf og endurtekin. ICs sem höfðu jafnað sig eftir bakstur voru látnir fara í annað öldrunarpróf við eftirfarandi aðstæður: Ta=50 gráðu , Vin=9 V, lout=30 mA, Vout=3.3 V. Eftir 24 klukkustundir biluðu IC-tækin aftur og sýndu of háa Iq. Iq gildin fyrir sýnin þrjú fyrir öldrun voru 3.273, 4.269 og 3.763 µA, í sömu röð, og eftir öldrun voru þau 15.011, 5.499 og 8.206 µA, í sömu röð. Venjulegt svið er minna en 5 µA.

Í stuttu máli, lóðmálmsmengun IC pakkans er óafturkræf; þegar hann hefur verið mengaður getur IC pakkinn ekki fjarlægt mengaða lóðmálmaþættina. Þó að hægt sé að endurheimta bilun í rafmagnsbreytum IC af völdum lóðmálmsmengunar, geta slík endurheimt IC bilað aftur við ákveðnar aðstæður vegna þess að mengað lóðmálmur er eftir í pakkanum. Mælt er með því að nota staðlaða endurflæðislóðunarferli fyrir viðkvæma yfirborðs-flatafestingu IC til að draga úr líkum á lóðamengun í IC pakkanum.

4. Niðurstaða

Til að bæta framleiðsluhagkvæmni nota sumir SMT-framleiðendur bylgjulóðunarbúnað til að vinna samtímis yfirborðsfestingar og gegnum-gata IC á annarri hlið fjöllaga hringrásarborða, sem býður upp á kostnaðarhagræði. Þessi ritgerð rannsakar bilunarkerfi mótaðra ICs og kemst að því að bylgjulóðun hefur í för með sér hættu á lóðmálmsmengun á yfirborðsfestum mótuðum ICs. Ennfremur eru mengaðar ICs óafturkræfar og áreiðanleiki þeirra er enn áhyggjuefni. Mælt er með því að nota reflow lóðun fyrir viðkvæma yfirborðsfesta mótaða IC, forðast bylgjulóðun til að draga úr líkum á lóðmálmsmengun í IC pakkanum.