Orsaker till att PCB-hartsmaterial spricker under BGA-pads vid SMTP-bearbetning

Sprickbildning i PCB-hartsmaterial uppstår på grund av förekomsten av instängd fukt. Orsaken till detta är en hög lödtemperatur som resulterar i en ökning av ångtrycket. Sprickorna kan också uppstå på grund av att kortets termiska expansion gör att avståndet mellan BGA-padsen ändras. För att minska risken för den här typen av fel kan man använda alternativa ytbehandlingar, vilket minskar den termiska påverkan på intilliggande paket.

Innesluten fukt orsakar sprickor i kretskortets hartsmaterial

Innesluten fukt kan orsaka en rad olika fel på kretskortet, t.ex. delaminering, blåsor och metallmigration. Den kan också förändra dielektricitetskonstanten och avledningsfaktorn, vilket minskar kretsens omkopplingshastighet. Fukt ökar också stressnivåerna i olika PCB-funktioner, inklusive koppar- och bga-pads. Det kan också leda till oxidation på kopparytor, vilket minskar ytbehandlingarnas vätbarhet. Dessutom kan det öka förekomsten av elektriska kortslutningar och öppningar. Detta är särskilt problematiskt eftersom PCB-tillverkning innebär många steg som involverar användning av vatten.

Under smt-bearbetning kan instängd fukt leda till sprickor i PCB-hartsmaterialet. På grund av detta bör PCB-tillverkare vara uppmärksamma på storleken på lödmaskens öppning. Storleken bör vara mindre än det önskade markområdet. Om SMD:s padområde är för stort kommer det att bli svårt att leda lödkulan.

Reflow-lödningstemperaturer ökar ångtrycket

Olika faktorer kan påverka skevheten i paketet vid BGA-lödning. Bland dessa kan nämnas uppvärmning, skuggeffekter och starkt reflekterande ytor. Lyckligtvis kan återflödesprocesser med forcerad konvektion minska dessa effekter.

En hög återflödestemperatur kan leda till en försämring av lödpunkten. Temperaturökningen kan leda till en minskning av lödfogens höjd, vilket resulterar i ett lödavstånd som är mindre än den ursprungliga höjden på lödbulten.

Formen på fästplattan är också en viktig faktor för att bestämma lödfogens robusthet. Det rekommenderas att använda större, bredare elektroder än mindre. Den ökade ytan ökar risken för sprickbildning.

Klistrigt flöde minskar värmepåverkan på intilliggande paket

Tacky flux är ett värmehärdbart material som används vid montering av chip scale och flip chip-paket. Dess sammansättning består av reaktiva kemikalier som löses upp i underfill-materialet under återflödesuppvärmningen. Efter härdning blir tacky flux en del av nätverksstrukturen i det slutliga paketet.

Flussmedel är ett kemiskt vätmedel som underlättar lödningsprocessen genom att minska ytspänningen hos det smälta lodet, så att det kan flyta mer fritt. De kan appliceras genom doppning, tryckning eller stiftöverföring. I många fall är de kompatibla med epoxi underfill. Detta gör att de kan minska den termiska påverkan från intilliggande paket under smt-bearbetning.

Användning av klibbigt flussmedel minskar värmepåverkan på intilliggande paket under lödningen. Denna metod har dock sina begränsningar. Flera faktorer kan göra att flussmedlet inte fungerar. Föroreningar i flussmedlet kan störa lödningsprocessen och göra lödfogen svag. Dessutom krävs det dyrbar utrustning för att rengöra lödpastan ordentligt före lödning.

Alternativa ytbehandlingar

Sprickutbredningen på ett mönsterkort kan påverkas av vilka ytbehandlingar som används. Olika metoder har utvecklats för att lösa detta problem. En av dessa metoder är att använda ett organiskt konserveringsmedel för lödbarhet. Detta konserveringsmedel är effektivt mot padoxidation. Dessutom hjälper det till att bibehålla lödfogens kvalitet.

Padgeometrin bestämmer kortets styvhet. Den definierar också lödmaskens öppning. Kortets tjocklek och de material som används för att skapa varje lager påverkar kortets styvhet. I allmänhet är ett pad-till-enhet-förhållande på 1:1 optimalt.

Testmetoder för att karakterisera sprickbildning i kretskortsmaterial

Det finns olika testmetoder för att karakterisera prestanda hos PCB-hartsmaterial under SMTP-bearbetning. Dessa inkluderar elektrisk karakterisering, icke-destruktiva metoder och tester av fysiska egenskaper. I vissa fall kan en kombination av dessa tester användas för att upptäcka kraterbildning.

En testmetod för att identifiera sprickbildning är att mäta avståndet mellan stiften. Vanligtvis är 0,004 tum acceptabelt för periferipaket och 0,008 tum är acceptabelt för BGA-paket. En annan testmetod för att karakterisera PCB-hartsmaterial är att mäta värmeutvidgningskoefficienten. Denna koefficient uttrycks som ppm/grad Celsius.

En annan metod är flip chip-tekniken. Denna process möjliggör tillverkning av flip chip BGA-substrat med hög densitet. Den används ofta i avancerade IC-förpackningar. Flip chip-processen kräver högkvalitativa ytbehandlingar som är enhetliga och fria från föroreningar för lödbarhet. Detta uppnås vanligtvis genom elektrolös nickelplätering över kopparplattan och ett tunt lager av nedsänkt guld. Tjockleken på ENIG-skiktet beror på PCB-monteringens livslängd, men det är vanligtvis cirka 5 um för nickel och 0,05 um för guld.