ЭЛЕКТРОТЕХНИКА ELECTRICAL TECHNOLOGY
исследование механизмов
возникновения «эффекта попкорна» в микросхемах с пластиковыми корпусами при групповой пайке в технологии поверхностного монтажа и разработка методов его предотвращения
Ефимов Е.И., Ткалич В.Л.
Национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия
Актуальность работы обусловлева тем, что технология групповой пайки является наиболее распространенным методом, применяющимся при сборке радиоэлектронной аппаратуры методом поверхностного монтажа. При этом «эффект попкорна» является одним из самых критичных дефектов, возникающих при процессе пайки в микросхемах с пластиковыми корпусами. В данной работе представлено исследование механизмов возникновения «эффекта попкорна», а также разработка методики предотвращения его появления. В основе методики лежит подготовка микросхем к процессу пайки, а также подбор термопрофиля. Разработанная методика была опробована на реальном радиоэлектронном производстве.
Ключевые слова: эффект попкорна, технология поверхностного монтажа, групповая пайка, конвекционная пайка, термопрофилирование, высокотемпературная сушка, микросхемы в пластиковых корпусах.
THE INVESTIGATION OF POPCORN EFFECT IN PLASTIC-ENCAPSULATED MICROCIRCUITS DURING GROUP SOLDERING AND THE DEVELOPMENT OF ITS PREVENTION
Efimov E.I., Tkalich V.L.
National research university of information technologies mechanics and optics, St. Petersburg, Russia
Nowadays group soldering is the most common method of soldering process in surface mount technology. Popcorn effect is the one of the most crucial defect appearing in plastic-incapsulated microcircuits during reflow. In this article the investigation of popcorn effect appearance mechanism is presented and method of its prevention is presented. The keystones of that method are preparation of microcircuits before soldering and accurate thermoprofil-ing. This method was successfully applied in radioelectronic manufacturing.
Keywords: popcorn effect, surface mount technology, group soldering, convection soldering, thermoprofiling, high-temperature baking, plastic-encapsulated microcircuits.
«Эффект попкорна» - это дефект, возникающий в микросхемах с пластиковыми корпусами при их пайке на печатную плату по групповой технологии методом поверхностного монтажа в специальных печах. Этот эффект возникает при резком нагреве микросхемы, в которой содержится некоторое количество влаги. При увеличении температуры эта влага испаряется, а образовавшийся пар быстро расширяется, что приводит к возникновению механических напряжений. Когда эти напряжения становятся выше, чем силы межфазной адгезии и вязкость разрушения формовочного состава, то это приводит к образованию дефекта внутреннего расслоения компонента. «Эффект попкорна» проводит к проблемам долгосрочной надежности из-за того, что дефекты являются местами скоплений ионных примесей, а также могут стать причинами механических разрушений. Также этот эффект приводит к разрушению контактов между микросхемой и печатной платой, что приводит к потере функциональности готовой платы.
Устройство микросхемы в пластиковом корпусе приведено на рис. 1. Микросхемы с пластиковым корпусом представляют собой кристалл (3) с интегральной схемой, который располагается на выводной рамке (4) и соединен с помощью проводов (2) с внешними выводами (1). Внутри пространство корпуса заливается компаундом. Выводная рамка обычно состоит из подложки кристалла и выводов, которые делаются из медных или железо-никелевых сплавов. Подложка и внутренние выводы покрываются золотом, серебром или палладием. Внешние выводы служат для соединения с платой, для чего обычно используется свинцово-оловян-ный припой [2 с. 50-58].
Рис. 1. Устройство микросхемы с пластиковым корпусом
При сборке платы на автоматической линии используется технология групповой пайки в специальных печах. На данный момент самой распространенной печью является конвекционная печь, разделенная на несколько сегментов, что позволяет осуществлять нагрев платы по определенному термопрофилю. Термопрофиль представляет собой кривую, которую можно разделить на четыре части. Первая - зона предварительного нагрева. Вторая - зона выдержки, во время которой паяльная паста окончательно высыхает и готова к расплаву. Третья -зона плавления, идёт нагрев до пиковой температуры, которая держится короткий промежуток. Четвертая зона - зона охлаждения. Ошибки в составлении термопрофиля в любой из зон могут привести к образованию дефектов.
механизмы возникновения «эффекта попкорна». Эпоксидный материал, которым заполнена микросхема хорошо впитывает влагу, которая накапливается внутри микросхемы. Количество накопленной влаги зависит от времени хранения, водопроницаемости компаунда, размеров корпуса микросхемы и относительной влажности воздуха. Во время плавления микросхемы нагреваются до 230 °С, что значительно превышает температуру превращения в стекло большинства компаундов (обычно это 140-160 °С). Напряжения в корпусе микросхемы начинают возникать при нагреве до температур плавления и имеют несколько механизмов возникновения:
- быстрое испарение, которое приводит к излишне высокому давлению пара;
- несовпадение коэффициентов теплового расширения (КТР) различных материалов, входящих в состав микросхемы вызывают термические напряжения при повышенных температурах;
- уменьшение адгезивной силы между компаундом и выводной рамкой при температурах близких к температуре плавления;
- уменьшение вязкости разрушения при температурах близких к температурам превращения в стекло;
- расширение компаунда после поглощения влаги; также, согласно экспериментальным данным, компаунды, поглотившие влагу, испытывают термальное напряжение на 20% большее, чем сухие [1, с. 488].
Испаряющаяся жидкость повышает давление водяного пара в пустотах, образовывающихся из-за расслоения. Если гидротермальные напряжения превышают силу адгезии и вязкость разрушения компаунда, то эти напряжения вызывают рост расслоения и образование трещин. Трещины обычно возникают в углах корпуса, распространяясь через компаунд вдоль направления наибольшего напряжения.
факторы, влияющие на возникновение «эффекта попкорна». Существует три основных фактора, которые влияют на возможность возникновения «эффекта попкрона».
Первый - это материал, из которого состоит микросхема. Расслоение и трещины с наибольшей вероятностью возникают в тех микросхемах, при изготовлении которых были использованы материалы с большей разницей КТР. Поверхности с наибольшей разницей коэффициентов обычно расслаиваются первыми. Чаще всего, это происходит на грани-
це кристалл-компаунд в микросхемах, где выводная рамка выполнена из материала с низким КТР, а также на границе подложка-пластик в микросхемах с высоким КТР выводной рамки. Оптимальным является случай, при котором КТР компаунда лежит в области между КТР кристалла и выводной рамки, что минимизирует возникающие термальные напряжения. В идеале компаунд должен иметь низкую влагопроницаемость, высокую прочность при повышенных температурах, высокую температуру превращения в стекло, отличную адгезию.
Второй фактор - геометрия корпуса. Более тонкие микросхемы более подвержены возникновению трещин из-за того, что в этом случае способность компаунда сопротивляться термическим напряжениям снижается. Чем больше отношение площади выводной маки к минимальной толщине компаунда, тем больше шанс возникновения трещин [3, с. 2].
Однако, как можно легко догадаться, всё вышеперечисленное зависит только от производителя микросхем, при закупке которых изготовителями электронных изделий на эти факторы обращается не так много внимания.
Таким образом, на первый план выходит третий фактор - параметры процесса пайки. Вероятность образования дефекта увеличивается с повышением температуры во время процесса групповой пайки. Увеличение температуры уменьшает прочность компаунда, а также увеличивает напряжения, возникающие из-за разницы КТР различных материалов, и давление пара. Однако в этом случае выбор максимальной температуры диктуется не возможным образованием дефектов, а желанием получить качественное паяное соединение. На различные процессы, связанные с влагой сильно влияет термопрофиль - так, например, при различных материалах может использоваться нагрев от 2 до 10 °С в секунду. Параметры нагрева влияют на десорбцию влаги из микросхемы, давление водяного пара и силу возникающих напряжений.
Ниже приведена методика, разработанная для предотвращения возникновения «эффекта попкорна». Методика была внедрена на реальном производстве электронных плат, на котором применяется технология групповой пайки в конвекционной печи.
методика предотвращения возникновения «эффекта попкорна». Перед сборкой печатной платы необходимо проводить сушку микросхем в относительно сухой среде. Микросхемы можно сушить непо-
средственно перед сборкой, а также возможна предварительная сушка и хранение в специальных не пропускающих влагу контейнерах. Сушку можно производить при температуре 125 °С в течение 24 часов. Также сушку можно производить с меньшими температурами в специальных сушильных шкафах с относительной влажностью воздуха не более 10% и при температуре не менее 40 °С. В таком случае процесс сушки должен занимать не менее 168 часов.
Преимуществом первого способа является быстрота, которая является необходимым критерием на производстве, где от поступления комплектации до сдачи партии может проходить менее 48 часов. Метод низкотемпературной сушки позволяет производить сушку в стандартных упаковочных контейнерах, которые не могут выдержать высокие температуры. Это позволяет обезопасить хрупкие выводы микросхем от возможных физических повреждений при извлечении из стандартных контейнеров.
Также крайне важным критерием является влажность в производственных помещениях. Здесь относительная влажность воздуха не должна превышать 20%.
При всём этом, одним из главных критериев остаётся выбор правильного термопрофиля, который бы не только удовлетворил всем основным к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.