Tytuł projektu
Formowanie połączeń lutowanych podzespołów QFP, PBGA i CSP na polach z mikrootworami

Podstawa prawna
Umowa na dofinansowanie projektu rozwojowego nr N R02 0004 04 na podstawie decyzji Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego Nr 0325/R/T02/2008/04 z dnia 08.06.2008r. pomiędzy Narodowym Centrum Badań i Rozwoju, a Instytutem Tele- i Radiotechnicznym

Termin realizacji
Projekt jest realizowany w latach 2008 – 2010.

Źródło finansowania
Projekt jest finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju z budżetu państwa.

Cel Projektu
Głównym celem pracy było określenie optymalnych wymiarów mikrootworów i optymalnych warunków lutowania bezołowiowego pozwalających na formowanie połączeń lutowanych o dużej gęstości upakowania na polach z mikrootworami, bez generowania nadmiernej liczby pustych przestrzeni. Optymalizacja procesu lutowania obejmowała warunki, materiały i parametry, w celu wytworzenia połączeń lutowanych podzespołów QFP i podzespołów PBGA i CSP odpowiadających opracowanym uprzednio kryteriom oceny. Projekt obejmował analizę generowania pustych przestrzeni i innych wad w zależności od rodzaju pasty lutowniczej (wielkość ziarna, rodzaj topnika, ilość pasty).

Opis Projektu
Przeprowadzono badania warunków formowania połączeń lutowanych podzespołów QFP, PBGA i CSP na polach lutowniczych z mikrootworami o średnicy 125 μm i 150 μm w celu ustalenie czynników decydujących o jakości tego typu połączeń lutowanych.

W zależności od rodzaju badanego czynnika mikrootwory były usytuowane w centralnej części pola lutowniczego, w polu stycznym do pola lutowniczego i/lub w dodatkowym wydzielonym polu połączonym ścieżką z polem lutowniczym.

Badano procesy formowania połączeń lutowanych wielo wyprowadzeniowych obudów QFP z rastrem 0,65 mm, wielo wyprowadzeniowych obudów BGA z kontaktami sferycznymi w rastrze 0, 80 mm, 1,0 mm i 1,27 mm oraz wielo wyprowadzeniowych obudów CSP z kontaktami sferycznymi w rastrze 0,5mm.

Do lutowania rozpływowego stosowano pasty bezołowiowe zawierające stop SAC305 (SnAg3,0Cu0,5), topnik o zróżnicowanej aktywności ROL0 lub ROL1 oraz trzy rodzaje wielkości ziarna proszku w paście – typ 4, 5 i 6. Pasty nadrukowywano, jeden lub dwa razy, przez szablon o grubości 100 μm i  120 μm oraz  wielkości okien zgodnej z wymiarami pól lutowniczych (1:1). Montaż podzespołów prowadzono na płytkach drukowanych z powłoką złota immersyjnego na podwarstwie niklu chemicznego oraz organicznej powłoki (OSP), wytwarzanych przez dwóch dostawców. Stosowano dwa profile lutowania. Pierwszy profil charakteryzował się siodłową charakterystyką temperaturowo- czasową i średnią temperaturą lutowania w piku 247,5°C Drugi profil charakteryzował się stromą charakterystyką temperaturowo - czasową i średnią temperaturą lutowania w piku 243,5ºC. Wygrzewanie płytek w temperaturze 80°C przez 4 godziny przed procesem lutowania zapewniało usunięcie z nich wilgoci i innych gazów, które mogły być przyczyną generowania pustych przestrzeni w połączeniach lutowanych.

Jakość formowanych połączeń lutowanych oceniano na podstawie ich wyglądu, rodzaju wad zewnętrznych, liczby i wielkości pustych przestrzeni wewnątrz połączeń oraz wyników wybranych badań nieuszkadzalnosci. Do oceny liczby i wielkości pustych przestrzeni wykorzystano urządzenie rentgenowskie z odpowiednim programem komputerowym pozwalającym na obróbkę matematyczną danych. Specjalne płytki testowe z zamontowanymi podzespołami poddawano działaniu 1000 cykli cieplnych (-40°C do 125°C). Do oceny wyglądu, stopnia wypełnienia i wad mikrootworów oraz wad połączeń lutowanych oprócz analizy rentgenowskiej wykorzystywano analizę zgładów metalograficznych.

Uzyskane wyniki prac badawczych wykazały, że rozwiązanie w postaci umieszczenia mikrootworów w polach lutowniczych może być stosowane dla obudów QFP, PBGA i CSP w przypadku, w którym szczególną uwagę zwraca się na zmniejszenie wymiarów płytki obwodu drukowanego i skrócenie drogi sygnału elektrycznego. Dzięki zastosowaniu takiego rozwiązania uzyskano mniejsze rezystancje przejścia dla podzespołów w obudowach CBGA256T1.27 (zmiana rezystancji siatki połączeń ok. 17%) i BGA100T.8 (zmiana rezystancji siatki połączeń o ok 40%). Uzyskano również mniejsze rezystancje przejścia dla podzespołów QFP52 w przypadku umieszczenia mikrootworów centralnie w polu lutowniczym w porównaniu z rozwiązaniem naprzemiennego rozmieszczenia mikrootworów w bocznej części pól lutowniczych (zmniejszenie o ok. 24%).

W oparciu o wyniki badań niniejszej pracy stwierdzono, że wprowadzanie mikrootworu w obszar pola lutowniczego nie jest zalecane w przypadku, gdy stosunek średnicy wyprowadzenia sferycznego montowanego podzespołu do średnicy mikrootworu umieszczonego w polu lutowniczym jest poniżej 3,1 (przy założeniu, że zgodnie z definicją, maksymalna średnica mikrootworu, u wejścia mikrootworu bez metalizacji, wynosi 150 µm).

W przypadku najmniejszych podzespołów matrycowych CSP84T.5 (dla których współczynnik projektowy pola lutowniczego z mikrootworem ma wartość poniżej 3,1) umieszczenie mikrootworu w obszarze pola lutowniczego prowadziło do generowania dużej liczby pustych przestrzeni wewnątrz połączeń (do 35% objętości połączenia). Nadmierna objętość pustych przestrzeni może powodować zakłócenia ciągłości elektrycznej i zmniejszać wytrzymałość mechaniczną połączenia lutowanego. Dlatego, w przypadku najmniejszych podzespołów matrycowych takich jak np. CSP84T.5 zalecono stosowanie umieszczania mikrootworu w polu stycznym do pola lutowniczego. Takie rozwiązanie również zapewnia zmniejszenie rezystancji przejścia.

Przeprowadzono badania w celu ustalenia przyczyny występowania defektu HoP („Head on Pillow” – termin angielski określający podział sferycznego połączenia lutowanego na dwie części) obserwowanego wielokrotnie w połączeniach lutowanych kontaktów sferycznych podzespołu BGA 676. Badania obejmowały między innymi optymalizację charakterystyki temperaturowo-czasowej procesu lutowania, analizę składu kontaktów sferycznych podzespołu, usuwanie tlenkowych zanieczyszczeń z powierzchni lutu kontaktów sferycznych podzespołu przed lutowaniem i optymalizację projektu szablonu.

Dla ułatwienia wykorzystania uzyskanych wyników badań dla potrzeb technologii montażu w krajowym sektorze elektronicznym opracowano wytyczne dotyczące warunków formowania połączeń lutowanych podzespołów QFP, PBGA i CSP na polach lutowniczych z mikrootworami oraz określono optymalne parametry prowadzenia kolejnych operacji technologicznych w celu uzyskania integralnych połączeń lutowanych dla tego typu rozwiązania.

Uzyskane wyniki przeprowadzonych badań mogą być udostępniane zainteresowanym przedsiębiorstwom w postaci dokumentów zawierających:

  • szczegółowy opis zrealizowanych badań,
  • dokumentacje technologiczne dotyczące procesów wykonywania mikropołączeń i montażu bezołowiowego,
  • wyniki badań integralności zespołów elektronicznych zawierających podzespoły standardowe i QFP, PBGA oraz CSP na polach z mikrootworami,
  • obszerną bibliotekę zdjęć zgładów metalograficznych połączeń lutowanych (prawidłowych i wadliwych) w zależności od czynników wpływających na mechanizm powstawania wad.

Zadania badawcze
W ramach projektu wykonano następujące zadania główne:

1. Opracowanie projektu płytki testowej, parametrów wymiarowych

mikrootworów oraz kryteriów oceny połączenia lutowanego podzespołów

QFP, PBGA i CSP

2. Badanie wpływu pozostałości w mikrootworach po procesie metalizacji na

proces formowania połączenia lutowanego na polach z mikrootworami

3. Badanie wpływu parametrów procesu lutowania, w zależności od wielkości i

głębokości mikrootworów w polu lutowniczym, na proces formowania

połączeń lutowanych

4. Badanie wpływu past o zróżnicowanej wielkości ziarna i rodzaju topnika na

wypełnienie mikrootworów o znacząco różnych średnicach oraz na

wadliwość połączeń lutowanych.

5. Badanie wpływu usytuowania mikrootworu w polu lutowniczym.

6. Badania wpływu zróżnicowania ilości pasty w procesie nadruku na

wypełnienie mikrootworów i wadliwość połączeń lutowanych.

7. Porównawcze badania starzeniowe połączeń lutowanych o różnej zawartości

pustych przestrzeni

8. Opracowanie wytycznych dotyczące optymalnych warunków formowania

połączeń na polach z mikrootworami oraz paramrtrów lutowania

podzespołów na polach z mikropołączeniami

 

Biuro projektu
Instytut Tele- i Radiotechniczny
ul. Ratuszowa 11
03-450 Warszawa

mgr inż. Wojciech Stęplewski

wojciech.steplewski@remove-this.itr.org.pl

tel.: (48-22) 590-73-53

Realizatorzy projektu

Zespół naukowy

mgr inż. Marek Kościelski, tel. (48-22) 590-73-55– Kierownik Projektu

dr inż. Krystyna Daniela Kujawa-Bukat

dr inż. Janusz Leszek Sitek, tel. (48-22) 590-73-57

mgr inż. Aneta Araźna, tel. (48-22) 619 22 41 wewn. 354

mgr inż. Wojciech Stęplewski, tel. (48-22) 590-73-53

Obsługa administracyjna
mgr inż. Paweł Główka tel. (48-22) 590-73-07