تاثیر و تحلیل آلودگی لحیم کاری در مدارهای مجتمع قالبی

چکیده:

مسائل مربوط به قابلیت اطمینان ناشی از آلودگی یونی ناشی از فرسایش رطوبتی آی سی های قالب گیری شده نسبتاً رایج است، در حالی که موارد ناشی از آلودگی لحیم کاری PCB کمتر دیده می شود. این مقاله یک مورد واقعی-شکست قابلیت اطمینان IC به دلیل آلودگی لحیم کاری PCB را معرفی می‌کند، شرایطی را که تحت آن آلودگی لحیم کاری رخ می‌دهد شناسایی می‌کند و از طریق تجزیه و تحلیل عنصری بسته قالب‌گیری شده IC نشان می‌دهد که آلودگی لحیم ممکن است منجر به شکست قابلیت اطمینان IC شود. این مقاله نشان می‌دهد که چگونه گرم کردن و{3}}پیر شدن مجدد آی سی‌های خراب می‌تواند باعث بهبود و خرابی مجدد- شود. این توضیح می‌دهد که بسته‌های آی‌سی آلوده{6}}لحیم‌شده غیرقابل برگشت هستند و ممکن است در شرایط خاص دوباره خراب شوند. برای جلوگیری از خرابی قابلیت اطمینان ناشی از آلودگی لحیم کاری، توصیه هایی به مهندسان فناوری نصب سطحی (SMT) ارائه شده است.

0 مقدمه

PCBها دو طرفه-لحیم شده هستند و شامل دستگاه‌های نصب سطحی و سوراخ{1}، از جمله کنترل آی سی و درایوهای برق می‌شوند، و به طور گسترده در زمینه‌های کنترل صنعتی، مانند شمع‌های شارژ وسایل نقلیه با انرژی جدید استفاده می‌شوند. در حالی که ادبیات قابل توجهی در مورد کیفیت لحیم کاری و قابلیت اطمینان IC ها روی PCB ها وجود دارد [1-4]، ادبیات مربوط به خرابی قابلیت اطمینان IC ناشی از آلودگی لحیم کاری پس از لحیم کاری روی PCB ها کمیاب است. این مقاله تاثیر آلودگی لحیم PCB را بر قابلیت اطمینان IC مورد بررسی قرار می‌دهد، احتمال آلودگی IC را تحت روش‌های مختلف لحیم کاری، تظاهر شکست پارامتر الکتریکی IC پس از آلودگی، و روش‌های حذف و بازتولید شکست را تجزیه و تحلیل می‌کند.

1 روش لحیم کاری آی سی PCB

روش اصلی لحیم کاری برای IC های نصب سطحی بر روی PCB ها، لحیم کاری مجدد است. لحیم کاری موجی نیز توسط برخی سازندگان برای IC های نصب سطحی روی PCB ها استفاده می شود. لحیم کاری که در لحیم کاری جریانی و لحیم کاری موجی استفاده می شود، لحیم کاری بدون سرب است که عمدتاً از قلع تشکیل شده و حاوی مقادیر کمی نقره، مس و سایر فلزات است. دمای لحیم کاری مجدد بین 217 تا 260 درجه و دمای لحیم کاری موجی بین 255 تا 265 درجه است. مراجع [5{10}}6] مراحل خاص اتصال سطحی لحیم کاری موجی و از طریق{11}آی سی های سوراخ را به شرح زیر شرح می دهند: دستگاه انتخاب{12}}و{13}}آی سی پایه سطحی را در یک موقعیت تنظیم شده در پایین PCB قرار می دهد، به طوری که پین ​​های آن روی همان سطح لحیم کاری سوراخ سوراخ قرار می گیرند. سطح مانت IC با چسب قرمز ثابت می‌شود و پس از پخت با دمای بالا، محکم در جای خود ثابت می‌شود. آی سی سوراخ{18}در موقعیت تنظیم شده روی PCB وارد می‌شود، و PCB برای لحیم کاری به دستگاه لحیم کاری موجی فرستاده می‌شود تا لحیم کاری آی‌سی سوراخ{19}}و IC روی سطح در PCB انجام شود.

تخته‌های مدار چندلایه دو طرفه-لحیم‌شده هستند و شامل آی‌سی‌های سطحی-منت و از سوراخ-می‌شوند. دو راه برای انجام لحیم کاری آی سی وجود دارد. یکی این است که لحیم کاری سطح را تکمیل کنید-آی سی را در سمت جلوی PCB با لحیم کاری با جریان مجدد، و سپس لحیم کاری سطح را تکمیل کنید-آی سی را در قسمت پشت PCB با لحیم کاری با جریان مجدد تکمیل کنید، و سپس لحیم کاری آی سی سوراخ-روی سوراخ در قسمت پشتی PCB لحیم کاری را تکمیل کنید. راه دیگر این است که لحیم کاری سطح را تکمیل کنید-ICB را در سمت جلوی PCB با لحیم کاری جریانی، و سپس لحیم کاری سطح{10}}صفحه و سوراخ{11}}در سمت پشت PCB را با لحیم کاری موجی تکمیل کنید. اولی به دو لحیم کاری مجدد و یک لحیم کاری موجی نیاز دارد، در حالی که دومی به یک لحیم کاری مجدد و یک لحیم کاری موجی نیاز دارد. مزیت دومی این است که هزینه های عملیاتی را کاهش می دهد و راندمان تولید را بهبود می بخشد [6]. 2. خرابی آلودگی لحیم کاری و مکان

مقدار خمیر لحیم چاپ شده روی لنت های PCB تعیین کننده ارتفاع لحیم کاری پین ها پس از لحیم کاری است. شکل 1 سطحی را نشان می‌دهد-که در آن، پس از لحیم کاری با جریان، پین‌های PCB و IC را وصل می‌کند، اما فقط به پایین و کناره‌های پایه‌ها، به جلو یا خم‌ها نمی‌رسد. در این حالت، لحیم کاری با محفظه قالب گیری شده آی سی تماس نمی گیرد و در نتیجه احتمال آلودگی لحیم کم است. فلش های قرمز رنگ در شکل 1 به وضوح تفاوت رنگی بین سرنخ های مسی در-مناطق لحیم کاری نشده و نواحی لحیم کاری شده-را نشان می دهد.

در لحیم کاری موجی، PCB از یک دیگ لحیم مذاب عبور می کند. یک پمپ در دیگ یک موج ثابت-شبیه لحیم کاری ایجاد می کند. هنگامی که PCB با تاج موج تماس پیدا می کند، قطعه بر روی PCB لحیم می شود. در لحیم کاری موجی، تاج لحیم کاری می تواند کل محفظه قالبی IC در حال لحیم کاری را غوطه ور کند و احتمال آلودگی لحیم کاری را تا حد زیادی افزایش دهد. میزان آلودگی ممکن است بسته به فرآیند و مواد مورد استفاده متفاوت باشد. شکل 2 مورفولوژی IC های نصب سطحی را روی همان PCB مانند شکل 1 پس از لحیم کاری موجی نشان می دهد. تمام پین های آی سی با لحیم کاری پوشانده شده اند و حتی نواحی باز مانده پس از قاب مسی در وسط سمت بسته آی سی در لحیم کاری محصور شده اند که از زرد (رنگ مسی) در شکل 1 به نقره ای (رنگ پوشش لحیم کاری) تغییر می کند.

لحیم کاری Reflow از گرمایش مادون قرمز برای ذوب خمیر لحیم چاپ شده روی PCB استفاده می کند و پین های آی سی را به PCB لحیم می کند. بین 60 تا 100 میکرومتر اختلاف ارتفاع بین پایین بسته و PCB وجود دارد و هیچ لحیم کاری در زیر بسته IC وجود ندارد که احتمال آلودگی لحیم کاری بسته IC را تقریباً صفر می کند. در لحیم کاری موجی، پیک های موج لحیم کاری کل بسته آی سی در حال لحیم کاری را غوطه ور می کند و احتمال آلودگی لحیم کاری را تا حد زیادی افزایش می دهد. در نتیجه، احتمال آلودگی لحیم کاری بسته‌های آی‌سی نصب سطحی در لحیم کاری با جریان کم، اما در لحیم کاری موجی زیاد است.

یکی از همان آی سی در جلو و یکی در پشت PCB قرار داده شد. قسمت جلویی لحیم کاری مجدد و پشتی لحیم شده موجی بود. یک آزمایش قدیمی-روی{3} قابلیت اطمینان در دمای بالا روی PCB انجام شد. شرایط آی سی دمای محیط 50 درجه، Vin{6}} V، Iout=15 mA بود. آی سی لحیم شده با جریان در جلو از کار نمی افتد، در حالی که آی سی لحیم شده موجی در پشت دارای میزان خرابی تقریباً 5٪ است. خرابی به صورت اتصال کوتاه به زمین در Vin، و خروجی Vout -0.5 V در 10 mA آشکار شد (خروجی Vout معمولی باید بین 3.23-3.37 V باشد). ضریب هوشی نیز بیش از 5 μA بود. مقایسه با آی سی های خوب، منحنی های I-V غیرعادی (Vin-Vss، Vout-Vss، و غیره) را روی آی سی خراب با استفاده از یک اسیلوسکوپ نشان داد. رطوبت زدایی IC خراب در یک محفظه خلاء در 0.13 Pa و 40 درجه به مدت 12 ساعت رفتار آی سی را تغییر نداد. هنوز شکست خورد

بدیهی است که حذف رطوبت نمی تواند آی سی خراب را به حالت عادی بازگرداند. یکی از شواهد برای رد کردن خرابی پیری IC ناشی از رطوبت، تشریح طولی IC خراب و IC واجد شرایط است که هیچ لایه لایه شدن بین سطح تراشه و ترکیب قالب‌گیری را نشان نمی‌دهد (شکل 3). یکی دیگر از شواهد، آزمایش مرطوب‌سازی روی آی‌سی است که پس از پخت در دمای 85 درجه و رطوبت نسبی 85 درصد به مدت 12 ساعت بهبود یافت. محصول به طور معمول عمل کرد و شکست نخورد.

مورد IC های قالب گیری شده به دلیل رطوبت از کار افتاده و پس از پخت بهبود می یابند در مرجع [7] توضیح داده شده است. در این مورد، آی سی پس از پخت پس از شکست، بهبود یافت و رطوبت را به عنوان علت رد کرد و گمان می رود که ممکن است مربوط به آلودگی لحیم باشد.

برای بررسی علل شکست‌های قابلیت اطمینان IC لحیم‌شده موج-و شناسایی تفاوت‌های ترکیب عنصری سطح بسته بین آی‌سی‌های خوب و خراب، آنالیز EDX بر روی ترکیب عنصری سطح بسته‌های آی‌سی IC‌های لحیم‌شده شکست‌خورده، خوب و جریان- انجام شد. نتایج نشان داد که هیچ Sn روی سطح بسته‌های آی‌سی لحیم‌شده دوباره جریان-لحیم‌شده مشاهده نشد، در حالی که کسر جرمی Sn در IC‌های موج شکست-لحیم‌شده نسبت به آی‌سی‌های موج عادی-لحیم‌شده بیشتر بود.

واضح است که خرابی قابلیت اطمینان IC ها پس از لحیم کاری موجی و پدیده بازیابی پس از پخت با وجود مقدار زیادی Sn در بسته همبستگی قوی دارد. ولتاژ شتاب دهنده EDX مورد استفاده برای آنالیز عنصری 30 کو و عمق تشخیص عنصر تقریباً 6 میکرومتر بود، که نشان می دهد IC های خراب ممکن است به دلیل لحیم کاری موجی، با عمق آلودگی حداقل 6 میکرومتر، دچار آلودگی لحیم کاری بسته شده باشند. ادبیات بسیار کمی در مورد تأثیر آلودگی لحیم کاری بر عملکرد IC وجود دارد. تعداد زیادی از مطالعات بررسی شد، اما هیچ توضیح علمی برای پدیده فوق یافت نشد. نزدیکترین ادبیات یافت شده [8] تنها باقیمانده ها را در فرآیندهای لحیم کاری مجدد و موج، با تمرکز بر باقیمانده های شار مورد مطالعه قرار می دهد. هیچ مقاله ای که شامل آلودگی بسته های IC توسط عناصر فلزی لحیم کاری باشد یافت نشد.

3 مکانیسم و ​​اقدامات شکست

ساختار مدار داخلی آی سی خراب در شکل 4 نشان داده شده است. تراشه آی سی به پین ​​Vin لحیم شده است، یعنی زیرلایه تراشه آی سی به پایه Vin متصل است، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. پس از آلودگی لحیم کاری، مقدار زیادی از عناصر فلزی مانند Sn در بسته بندی آی سی غوطه ور شده است. این عناصر فلزی تحت تاثیر میدان الکتریکی در طول پیری قابلیت اطمینان الکتریکی آی سی حرکت می کنند و به آرامی در کنار هم جمع می شوند. هنگامی که غلظت این یون‌های فلزی به حد معینی می‌رسد، پایه Vin و پایه GND را به هم متصل می‌کنند و در نتیجه اتصال کوتاه به زمین در پایه Vin با جریان اتصال کوتاه Vin-GND 4.24 میلی آمپر ایجاد می‌شود. آی سی خراب در دمای 150 درجه به مدت 12 ساعت پخته شد. گرما باعث شد یون‌های با چگالی بالا، مانند Sn، که در بسته IC جمع شده بودند، به طور یکنواخت توزیع شوند که منجر به بهبود خواص الکتریکی و جریان اتصال کوتاه 1.18 میلی آمپر شد (شکل 6b). پس از 24 ساعت گرمایش مداوم، تمام پارامترهای الکتریکی با جریان مدار کوتاه 0.00 میلی آمپر به حالت عادی بازگشتند (شکل 6c).

با این حال، پخت{0}در دمای بالا فقط Sn و سایر عناصر فلزی را در بسته IC توزیع می‌کند. این عناصر را حذف نمی کند. عناصر فلزی لحیم کاری در بسته بندی آی سی باقی می مانند. از نظر تئوری، اگر یک آزمایش قدیمی قابلیت اطمینان الکتریکی مشابه دوباره انجام شود، آی سی دوباره از کار می افتد. آزمایش‌ها این را تأیید کرده‌اند و نشان می‌دهند که شکست برگشت‌پذیر و تکرارپذیر است. آی سی هایی که از پخت بازیابی شده بودند تحت یک آزمایش پیری دوم تحت شرایط زیر قرار گرفتند: Ta{5}} درجه، Vin=9 V، لوت=30 mA، Vout=3.3 V. پس از 24 ساعت، آی سی ها دوباره از کار افتادند، ضریب هوشی بیش از حد را نشان دادند. مقادیر Iq برای سه نمونه قبل از پیری به ترتیب 273/3، 269/4 و 763/3 میکروآمپر و پس از پیری به ترتیب 011/15، 499/5 و 206/8 میکروآمپر بود. محدوده نرمال کمتر از 5 μA است.

به طور خلاصه، آلودگی لحیم کاری بسته آی سی غیر قابل برگشت است. پس از آلوده شدن، بسته آی سی نمی تواند عناصر لحیم کاری آلوده را حذف کند. در حالی که خرابی پارامترهای الکتریکی آی سی ناشی از آلودگی لحیم کاری قابل بازیابی است، این آی سی های بازیابی شده ممکن است در شرایط خاصی دوباره خراب شوند زیرا لحیم کاری آلوده در بسته باقی می ماند. توصیه می شود برای کاهش احتمال آلودگی لحیم کاری بسته آی سی، از فرآیندهای لحیم کاری استاندارد برای IC های نصب بر روی سطح حساس- استفاده کنید.

4. نتیجه گیری

برای بهبود راندمان تولید، برخی از تولیدکنندگان SMT از تجهیزات لحیم کاری موجی برای پردازش همزمان IC های نصب سطحی و IC های سوراخ شده در یک طرف مدار چند لایه استفاده می کنند که مزیت های هزینه ای را ارائه می دهد. این مقاله مکانیسم شکست آلودگی لحیم کاری آی سی های قالب گیری را مورد مطالعه قرار می دهد و دریافت که لحیم کاری موجی خطر آلودگی لحیم کاری به IC های قالب گیری شده روی سطح را ایجاد می کند. علاوه بر این، آی سی های آلوده برگشت ناپذیر هستند و قابلیت اطمینان آنها همچنان یک نگرانی است. توصیه می شود از لحیم کاری مجدد برای آی سی های قالب گیری شده روی سطح حساس استفاده شود و از لحیم کاری موجی برای کاهش احتمال آلودگی لحیم کاری بسته آی سی خودداری شود.