Kesan dan Analisis Pencemaran Pateri dalam Litar Bersepadu Beracuan

Abstrak:

Isu kebolehpercayaan yang disebabkan oleh pencemaran ionik akibat hakisan lembapan IC yang dibentuk adalah agak biasa, manakala yang disebabkan oleh pencemaran pateri PCB adalah kurang kerap. Kertas kerja ini memperkenalkan-kes sebenar kegagalan kebolehpercayaan IC yang disebabkan oleh pencemaran pateri PCB, mengenal pasti keadaan di mana pencemaran pateri berlaku dan menunjukkan melalui analisis unsur pakej acuan IC bahawa pencemaran pateri boleh menyebabkan kegagalan kebolehpercayaan IC. Makalah ini menggambarkan bagaimana pemanasan dan{3}}penuaan semula IC yang gagal boleh mendorong kedua-dua peningkatan dan-semula kegagalan. Ini menjelaskan bahawa pateri-pakej IC tercemar tidak boleh dipulihkan dan mungkin gagal semula dalam keadaan tertentu. Pengesyoran diberikan kepada jurutera teknologi pelekap permukaan (SMT) untuk mengelakkan kegagalan kebolehpercayaan yang disebabkan oleh pencemaran pateri.

0 Pengenalan

PCB dipateri-dua belah dan melibatkan pelekap permukaan dan melalui-peranti lubang, termasuk kawalan IC dan pemacu kuasa, dan digunakan secara meluas dalam medan kawalan industri, seperti mengecas cerucuk untuk kenderaan tenaga baharu. Walaupun terdapat banyak literatur tentang kualiti pematerian dan kebolehpercayaan IC pada PCB [1-4], literatur tentang kegagalan kebolehpercayaan IC yang disebabkan oleh pencemaran pateri selepas pematerian pada PCB adalah terhad. Kertas kerja ini mengkaji kesan pencemaran pateri PCB terhadap kebolehpercayaan IC, menganalisis kebarangkalian pencemaran IC di bawah kaedah pematerian yang berbeza, manifestasi kegagalan parameter elektrik IC selepas pencemaran, dan kaedah untuk menghapuskan dan menghasilkan semula kegagalan.

1 Kaedah Memateri IC PCB

Kaedah pematerian utama untuk IC pelekap permukaan pada PCB ialah pematerian aliran semula. Pematerian gelombang juga digunakan oleh sesetengah pengeluar untuk IC pelekap permukaan pada PCB. Pateri yang digunakan dalam pematerian aliran semula dan pematerian gelombang ialah pateri bebas plumbum-, terutamanya terdiri daripada timah, yang mengandungi sejumlah kecil perak, tembaga dan logam lain. Suhu pematerian aliran semula adalah antara 217 dan 260 darjah, dan suhu pematerian gelombang adalah antara 255 dan 265 darjah. Rujukan [5-6] menerangkan langkah-langkah khusus pelekap permukaan pematerian gelombang dan melalui-IC lubang seperti berikut: mesin petik-dan-menempatkan IC pelekap permukaan pada kedudukan yang ditetapkan pada bahagian bawah PCB, supaya pinnya berada pada permukaan pematerian yang sama dengan lubang masuk- Permukaan{17}}IC pelekap diikat dengan gam merah dan selepas diawetkan dengan suhu tinggi, ia dilekatkan dengan kukuh pada tempatnya. IC lubang telus-dimasukkan ke dalam kedudukan yang ditetapkan pada PCB dan PCB dihantar ke mesin pematerian gelombang untuk pematerian bagi melengkapkan pematerian IC lubang-laluan dan IC lekap permukaan dalam PCB.

Papan litar berbilang lapisan dipateri-dua sisi dan melibatkan IC-lekap permukaan dan-lubang. Terdapat dua cara untuk merealisasikan pematerian IC. Salah satunya ialah melengkapkan pematerian permukaan-melekapkan IC pada bahagian hadapan PCB dengan pematerian aliran semula, dan kemudian lengkapkan pematerian permukaan-lekapkan IC pada bahagian belakang PCB dengan pematerian aliran semula, dan kemudian lengkapkan pematerian IC melalui-lubang pada bahagian belakang PCB dengan pematerian gelombang. Cara lain ialah dengan melengkapkan pematerian permukaan-lekapkan IC pada bahagian hadapan PCB dengan aliran semula pematerian, dan kemudian selesaikan pematerian permukaan-lekap dan melalui-IC lubang pada bahagian belakang PCB dengan pematerian gelombang. Yang pertama memerlukan dua pematerian aliran semula dan satu pematerian gelombang, manakala yang kedua memerlukan satu pematerian aliran semula dan satu pematerian gelombang. Kelebihan yang terakhir ialah ia mengurangkan kos operasi dan meningkatkan kecekapan pengeluaran [6]. 2. Kegagalan dan Lokasi Pencemaran Pateri

Jumlah tampal pateri yang dicetak pada pad PCB menentukan ketinggian larian pateri pin selepas pematerian. Rajah 1 menunjukkan permukaan-mount IC di mana, selepas pematerian aliran semula, pateri menyambungkan PCB dan pin IC, tetapi hanya ke bahagian bawah dan sisi pin, tidak sampai ke hadapan atau selekoh. Dalam kes ini, pateri tidak menyentuh selongsong acuan IC, mengakibatkan kebarangkalian rendah pencemaran pateri. Anak panah merah dalam Rajah 1 dengan jelas menunjukkan perbezaan warna antara plumbum kuprum di kawasan yang tidak-dipateri dan kawasan bertutup-pateri.

Dalam pematerian gelombang, PCB melalui periuk pateri cair. Pam dalam periuk menghasilkan gelombang berdiri-seperti lonjakan pateri. Apabila PCB bersentuhan dengan puncak gelombang, komponen itu dipateri ke PCB. Dalam pematerian gelombang, puncak pateri boleh merendam keseluruhan selongsong acuan IC yang dipateri, meningkatkan kebarangkalian pencemaran pateri. Tahap pencemaran mungkin berbeza bergantung pada proses dan bahan yang digunakan. Rajah 2 menunjukkan morfologi IC pelekap permukaan pada PCB yang sama seperti dalam Rajah 1 selepas pematerian gelombang. Semua pin IC ditutup dengan pateri, malah kawasan terdedah yang ditinggalkan selepas bingkai tembaga di tengah bahagian bungkusan IC disarung dalam pateri, berubah daripada kuning (warna tembaga) dalam Rajah 1 kepada perak (warna salutan pateri).

Penyolderan aliran semula menggunakan pemanasan inframerah untuk mencairkan pes pateri yang dicetak pada PCB, memateri pin IC pada PCB. Terdapat perbezaan ketinggian 60-100 µm antara bahagian bawah pakej dan PCB, dan tiada pateri di bawah pakej IC, menjadikan kebarangkalian pencemaran pateri bagi pakej IC hampir sifar. Dalam pematerian gelombang, puncak gelombang pateri merendam keseluruhan pakej IC yang dipateri, meningkatkan kebarangkalian pencemaran pateri. Kesimpulannya, kebarangkalian pencemaran pateri bagi pakej IC pelekap permukaan adalah rendah dalam pematerian aliran semula, tetapi tinggi dalam pematerian gelombang.

Satu daripada IC yang sama diletakkan di hadapan dan satu di belakang PCB. Yang di hadapan dipateri aliran semula, dan yang di belakang dipateri gelombang. Ujian penuaan-suhu tinggi,-atas talian telah dilakukan pada PCB. Keadaan IC ialah 50 darjah suhu ambien, Vin=9 V, Iout=15 mA. IC pematerian aliran semula di bahagian hadapan tidak gagal, manakala IC yang dipateri gelombang di bahagian belakang mempunyai kadar kegagalan kira-kira 5%. Kegagalan ditunjukkan sebagai litar pintas ke tanah di Vin, dan Vout mengeluarkan -0.5 V pada 10 mA (output Vout biasa hendaklah antara 3.23-3.37 V). Iq juga telah melebihi, melebihi 5 µA. Perbandingan dengan IC yang baik mendedahkan lengkung I{19}}V yang tidak normal (Vin-Vss, Vout-Vss, dll.) pada IC yang gagal menggunakan osiloskop. Penyahlembapan IC yang gagal dalam ruang vakum pada 0.13 Pa dan 40 darjah selama 12 jam tidak mengubah tingkah laku IC; ia masih gagal.

Jelas sekali, mengeluarkan lembapan tidak boleh memulihkan IC yang gagal kepada operasi normal. Satu bukti untuk menolak kelembapan-kegagalan penuaan IC yang disebabkan ialah pembedahan membujur kedua-dua IC yang gagal dan IC yang layak, yang tidak menunjukkan penepian antara permukaan cip dan sebatian acuan (Rajah 3). Satu lagi bukti ialah eksperimen pelembapan yang dijalankan pada IC yang pulih selepas dibakar pada 85 darjah dan kelembapan relatif 85% selama 12 jam; produk berfungsi dengan normal dan tidak gagal.

Kes IC acuan gagal disebabkan oleh kelembapan dan pulih selepas dibakar diterangkan dalam rujukan [7]. Dalam kes ini, IC pulih selepas dibakar selepas kegagalan, menolak kelembapan sebagai punca, dan disyaki ia mungkin berkaitan dengan pencemaran pateri.

Untuk menyiasat punca kegagalan kebolehpercayaan IC yang dipateri -gelombang dan mengenal pasti perbezaan komposisi unsur permukaan pakej antara IC yang baik dan yang gagal, analisis EDX telah dilakukan pada komposisi unsur permukaan pakej IC yang gagal, baik dan aliran semula-IC yang dipateri. Keputusan menunjukkan bahawa tiada Sn diperhatikan pada permukaan pakej IC terpateri-aliran semula, manakala pecahan jisim Sn lebih tinggi dalam IC terpateri gelombang gagal-berbanding dalam IC terpateri gelombang biasa-.

Jelas sekali, kegagalan kebolehpercayaan IC selepas pematerian gelombang dan fenomena pemulihan selepas dibakar sangat berkait rapat dengan kehadiran sejumlah besar Sn dalam bungkusan. Voltan pecutan EDX yang digunakan untuk analisis unsur ialah 30 keV, dan kedalaman pengesanan elemen adalah kira-kira 6 µm, menunjukkan bahawa IC yang gagal mungkin mengalami pencemaran pateri pada bungkusan akibat pematerian gelombang, dengan kedalaman pencemaran sekurang-kurangnya 6 µm. Terdapat sedikit literatur tentang kesan pencemaran pateri terhadap prestasi IC; sejumlah besar kajian telah dikaji, tetapi tiada penjelasan saintifik untuk fenomena di atas ditemui. Sastera terdekat ditemui [8] hanya mengkaji sisa dalam aliran semula dan proses pematerian gelombang, memfokuskan pada sisa fluks. Tiada literatur ditemui yang melibatkan pencemaran bungkusan IC oleh unsur logam pateri.

3 Mekanisme dan Langkah Kegagalan

Struktur litar dalaman IC yang gagal ditunjukkan dalam Rajah 4. Cip IC dipateri ke pin Vin, bermakna substrat cip IC disambungkan ke pin Vin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Selepas pencemaran pateri, sejumlah besar unsur logam seperti Sn direndam dalam pakej IC. Unsur-unsur logam ini bergerak di bawah pengaruh medan elektrik semasa penuaan kebolehpercayaan elektrik IC dan perlahan-lahan berkumpul bersama. Apabila kepekatan ion logam ini mencapai tahap tertentu, ia menyambungkan pin Vin dan pin GND, menghasilkan litar pintas ke tanah pada pin Vin, dengan arus litar pintas Vin-GND sebanyak 4.24 mA. IC yang gagal dibakar pada suhu 150 darjah selama 12 jam. Haba menyebabkan ion-ketumpatan tinggi, seperti Sn, yang terkumpul dalam pakej IC untuk mengagihkan semula secara sama rata, membawa kepada sifat elektrik yang lebih baik dan{11}}arus litar pintas sebanyak 1.18 mA (Rajah 6b). Selepas 24 jam pemanasan berterusan, semua parameter elektrik kembali normal, dengan-arus litar pintas 0.00 mA (Rajah 6c).

Walau bagaimanapun, pembakar bersuhu tinggi-hanya mengagihkan semula Sn dan unsur logam lain dalam pakej IC; ia tidak menghilangkan unsur-unsur ini. Unsur logam pateri kekal dalam pakej IC. Secara teorinya, jika ujian penuaan kebolehpercayaan elektrik yang serupa dilakukan sekali lagi, IC akan gagal lagi. Eksperimen telah mengesahkan ini, menunjukkan bahawa kegagalan boleh diterbalikkan dan boleh diulang. IC yang telah pulih daripada membakar telah tertakluk kepada ujian penuaan kedua di bawah syarat berikut: Ta=50 darjah , Vin=9 V, lout=30 mA, Vout=3.3 V. Selepas 24 jam, IC gagal semula, menunjukkan Iq yang berlebihan. Nilai Iq bagi ketiga-tiga sampel sebelum penuaan ialah 3.273, 4.269, dan 3.763 µA, masing-masing, dan selepas penuaan, masing-masing adalah 15.011, 5.499, dan 8.206 µA. Julat normal adalah kurang daripada 5 µA.

Secara ringkasnya, pencemaran pateri pada pakej IC tidak dapat dipulihkan; setelah tercemar, pakej IC tidak boleh mengeluarkan unsur pateri yang tercemar. Walaupun kegagalan parameter elektrik IC yang disebabkan oleh pencemaran pateri boleh dipulihkan, IC yang dipulihkan itu mungkin gagal semula dalam keadaan tertentu kerana pateri yang tercemar kekal dalam bungkusan. Adalah disyorkan untuk menggunakan proses pematerian aliran semula standard untuk IC pelekap-permukaan sensitif untuk mengurangkan kemungkinan pencemaran pateri pada pakej IC.

4. Kesimpulan

Untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran, sesetengah pengeluar SMT menggunakan peralatan pematerian gelombang untuk memproses serentak IC pelekap permukaan dan melalui-IC lubang pada satu sisi papan litar berbilang lapisan, yang menawarkan kelebihan kos. Kertas kerja ini mengkaji mekanisme kegagalan pencemaran pateri bagi IC acuan dan mendapati pematerian gelombang menimbulkan risiko pencemaran pateri pada IC acuan pelekap permukaan. Tambahan pula, IC yang tercemar tidak dapat dipulihkan, dan kebolehpercayaannya masih menjadi kebimbangan. Adalah disyorkan untuk menggunakan pematerian aliran semula untuk IC acuan pelekap permukaan sensitif, mengelakkan pematerian gelombang untuk mengurangkan kemungkinan pencemaran pateri bagi pakej IC.