Dopuszczalny poziom pustek w elektronice motoryzacyjnej: konkrety

Konsensus w sprawie akceptowalnych poziomów pustek w elektronice motoryzacyjnej.

Artykuł przedstawia dotychczasowe ustalenia w sprawie akceptowalnych poziomów pustek, opracowane w grupie roboczej Niemieckiej Komisji Elektrotechnicznej (DKE – Deutsche Kommission Elektrotechnik), w skład których wchodzą czołowe firmy z łańcucha dostaw elektroniki samochodowej. Grupa robocza DKE została oznaczona jako AK682.0.7 ‘Technologia montażu i łączenia w samochodowych zespołach elektronicznych’ i rozpoczęła prace około dwa lata temu. Mimo tego, że grupa koncentruje się na zespołach elektronicznych stosowanych w motoryzacji, podejście jest dość ogólne i może być pomocne również w innych branżach. Główne ustalenia zostały już zharmonizowane z Komitetem Technicznym TC 91 ‘Technologia montażu elektroniki’ Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC), a raport techniczny tej ostatniej jest w przygotowaniu.

W dyskusji wzięto pod uwagę następujące aspekty:

(i) Jakie poziomy pustek zwykle występują w zespołach SMT w procesie obejmującym typowe komponenty, PCB i procesy?

(ii) Jakie obciążenia środowiskowe (np. mechaniczne, termomechaniczne) są wywierane na zespoły i jaki jest wpływ pustek na niezawodność połączenia lutowanego pod tymi obciążeniami?

(iii) Które właściwości użytkowe złączy lutowanych (np. termotransfer) są ważne i jaki jest wpływ na nie wywierają pustki?

(iv) Jakie wartości procentowe pustek należy zdefiniować jako limity w celu znalezienia rozsądnego kompromisu pomiędzy kwestiami funkcjonalności i niezawodności a wykonalnością / produkowalnością?

Oczywiście, jednolite podejście do pustek w połączeniach lutowanych nie jest możliwe, dlatego też progi akceptowalności rozpatrywano dla następujących typów:

• Komponenty area-array, takie jak BGA i LGA
• Komponenty z dolnymi wyprowadzeniami z ramą wyprowadzeniową, takie jak quad-flat czy dual-flat
• Komponenty zawierające duże płaszczyzny termiczne
• Obudowy chip

Analizując zjawisko pustek okazuje się, że zazwyczaj występuje raczej dość duży rozrzut ich poziomu, nawet w przypadku identycznych połączeń, na tych samych PCB. Można to interpretować, że tworzenie się pustek podczas rozpływu jest procesem dość dynamicznym: pustki rosną i po osiągnięciu pewnego krytycznego rozmiaru, kiedy to sięgają zewnętrznej powierzchni połączenia lutowanego, wydostają poza nie. Kilka sekund później tworzą się nowe pustki, często w tym samym miejscu, na skutek rozprzestrzeniania się pozostałości topnika, niewidoczne podczas kontroli rentgenowskiej. Proces zmian można zaobserwować za pomocą analizy rentgenowskiej online. W efekcie, wykres obrazujący poziom pustek w procesie rozpływu może wyglądać jak nieregularne zęby piły [3]. Z tego powodu należy unikać zbyt rygorystycznych progów, ponieważ dotrzymanie tych limitów może nie być możliwe w przypadku produkcji na dużą skalę, gdzie prawdopodobne jest wystąpienie znacznego rozrzutu rozkładu poziomu pustek.

Wpływ pustek na połączenia lutowane

Większość problemów związanych z pustkami koncentruje się na kwestiach związanych z niezawodnością mechaniczną i termomechaniczną oraz funkcją termiczną i elektryczną połączeń lutowanych. W dalszej części omówienie skupi się na pustkach typu I i II (por. tabela z poprzedniej części ). Chociaż wpływ na niezawodność innych rodzajów pustek może być istotna, w elektronice samochodowej są one niezwykle rzadkie.

Niezawodność mechaniczna

Niezawodność mechaniczna dotyczy występowania wibracji lub obciążeń udarowych. Wpływ pustek na niezawodność mechaniczną złącza lutowanego pod takimi obciążeniami nie jest szczegółowo zbadany, co od razu wskazuje na ich ograniczone znaczenie w tym kontekście. Doświadczenia produkcyjne nie wskazują, aby obciążenia mechaniczne powodowały awarie związane z pustkami. Z drugiej strony, potencjalne zagrożenia można sobie wyobrazić w przypadku następujących dwóch grup komponentów:

• Ciężkie komponenty (kondensatory elektrolityczne, cewki SMD, dławiki, boczniki) z małą liczbą pinów, nie przekraczającą 4. W przypadku takich komponentów puste przestrzenie mogą mieć znaczenie dla niezawodności w przypadku wstrząsów/upadków ze względu na dużą siłę ścinającą, tworzącą się podczas uderzenia mechanicznego.
• Komponenty typu area-array z niskim prześwitem i dużą liczbą połączeń lutowanych, takie jak moduły LGA >2x2cm czy moduły zakończone na brzegach ściętymi otworami. W przypadku takich układów mogą wystąpić uszkodzenia spowodowane zginaniem, w którym istotną rolę odgrywają pustki.

Ze względu na ograniczone doświadczenie i wiedzę na temat wpływu pustek na skutki upadków, wstrząsów i wibracji, głębsze badania są zalecane tylko w przypadku wyjątkowo wysokich wymagań dotyczących obciążeń mechanicznych, przekraczających typowe obciążenia w elektronice samochodowej

Niezawodność termomechaniczna

Ponieważ pustki wpływają na geometrię i mikrostrukturę złącza lutowanego, a także mogą oddziaływać z propagacją pęknięć, mogą mieć w efekcie wpływ na niezawodność termomechaniczną złącza lutowanego. W przypadku większości typów połączeń lutowanych można zidentyfikować najczęściej występujące ścieżki pęknięć podczas zmian temperatury PCB. Jeśli pustki znajdują się w obrębie tychże ścieżek, odporność układu na pękanie może zostać zmniejszona, ponieważ określone typy pustek mogą przyspieszać propagację pęknięć i osłabiać stabilność połączenia lutowanego. Z drugiej strony puste przestrzenie mogą zwiększać elastyczność połączeń lutowanych i poprawiać - przynajmniej lokalnie - w ten sposób niezawodność (przykładem są BGA). Ogólny wpływ na niezawodność połączeń lutowanych jest trudny do oceny, szczególnie w przypadku komponentów z wieloma połączeniami lutowanymi, takimi jak BGA. W przypadku takich elementów należy wziąć pod uwagę również interakcje pomiędzy złączami lutowanymi. Na przykład pustki w jednym złączu lutowanym mogą zwiększać elastyczność tego złącza, ale mogą również częściowo przenosić naprężenia na sąsiednie złącza lutowane. Ponieważ wpływ pustych przestrzeni na niezawodność termomechaniczną jest trudny do oceny wyłącznie na podstawie symulacji teoretycznych, przeprowadzono pewne oceny eksperymentalne i opisano je w literaturze.

Przeprowadzono szereg badań poświęconych powstawaniu pustek w komponentach area-array [np. 8]. W innym badaniu porównano czas życia TC BGA416 (skok 1.0) ze standardowymi i celowo zwiększonym pustkami [3]. W tym badaniu analizowano czas do wystąpienia awarii elektrycznej przy cyklicznych zmianach temperatury w zakresie od -40° do +125°C. Wyniki analizy potwierdziły wnioski z badań teoretycznych, które wskazywały, iż powierzchnia pustek, przekraczająca nawet 30%, nie wpływa znacząco na niezawodność.

W literaturze opisano niewiele badań dotyczących komponentów w obudowie chip. Jeden z wyników pokazuje wytrzymałość na siłę ścinającą złączy lutowanych z rezystorem chipowym 1206 po różnych poziomach cyklicznych zmian temperatur -40°C/+125°C. Autorzy opracowania stwierdzili, że poziom pustek nieomal nie wywiera wpływu na siłę ścinającą. Wniosek z analizy jest taki, że poziom pustek nie wpływa znacząco na trwałość termomechaniczną aż do poziomu około 35% pustek w obszarze prześwitu.

Podobnie, literatura dotycząca komponentów z dolnymi wyprowadzeniami (BTC) jest dość skąpa. Niedawno przeprowadzone badanie nie tyle dotyczyło rezystancji na podkładkach termicznych QFN w obecności pustek, co skupiło się na tym, jak konstrukcja płytki (tj. przelotek) wpływa na tworzenie się pustych przestrzeni, a także na pytaniu, czy obecność pustek wpływa na niezawodność sygnału. W badaniu tym stwierdzono, że wielkość pustek na podkładce termicznej nie miała wpływu na niezawodność [6].

Funkcjonalność termiczna.

Innym problemem w kontekście pustek jest potencjalna redukcja przenikania ciepła w przypadku dużych podkładek termicznych, nazywanych również padami odsłoniętymi. W tych złączach lutowanych o dużej powierzchni odsetek pustek jest zwykle znacznie wyższy niż w przypadku niewielkich, standardowych połączeń. Pustki w takich przypadkach zmniejszają obszar połączenia między padem a PCB (tzw. solder coverage). Procent pokrycia lutem można obliczyć, biorąc stosunek powierzchni połączenia lutowanego pomiędzy odsłoniętym padem a obszarem PCB w odniesieniu do całkowitego obszaru zwilżalnego (tj. obszaru, na którym odsłonięte pole elementu pokrywa się z Cu na powierzchni PCB). Stopień pokrycia lutem tego obszaru jest bezpośrednio powiązany z transferem ciepła. Zakres, który zwykle odnotowuje się przy standardowych parametrach produkcyjnych, mieści się w przedziale od 90% do 50%, czasami aż do ~40% pokrycia lutem. Szkic uproszczonego modelu stanowiącego podstawę do obliczenia wpływu zmniejszenia pokrycia lutem na całkowity opór cieplny pokazano na rysunku obok.

Ogólną rezystancję cieplną pomiędzy powierzchnią komponentu a powierzchnią radiatora lub obudowy po drugiej stronie płytki drukowanej oblicza się dla całego obszaru padu. Obliczenia tego typu wskazują, że połączenia lutowane padów odsłoniętych nie są wrażliwe na powstawanie pustek do poziomu około 20%, a nawet 10%. Głównym wąskim gardłem w transferze ciepła jest nie pad, lecz konstrukcja płytki drukowanej z platerowanymi otworami przelotowymi, nawet jeśli duża liczba przelotek wspomaga pionowy transfer ciepła przez płytkę drukowaną. Lutowanie przelotek również nie zmienia zasadniczo sytuacji.

Wpływ pustek w odsłoniętych padach na żywotność połączenia lutowanego pod wpływem cykli termicznych nie został dokładnie zbadany, ale z praktycznych doświadczeń wiadomo, że tego rodzaju połączenie lutowane generalnie nie stanowi problemu w kontekście niezawodności, jeśli tylko zapewniony jest wystarczający transfer ciepła. Reasumując: normalny zakres pokrycia lutem do około 35% nie wywiera szkodliwego wpływu na przenikanie ciepła. Może być inaczej tylko wtedy, gdy element zostanie przylutowany bezpośrednio do radiatora lub do grubej, masywnej miedzi: w tym przypadku połączenie lutowane wykazuje znacznie wyraźniejszy wpływ na rezystywność cieplną. W tych zastosowaniach skuteczną metodą redukcji pustek jest lutowanie próżniowe. Rozważania te dotyczą warunków standardowych, jednak zastosowania specjalne, z wyższymi wymaganiami dotyczącymi wymiany ciepła lub efektami dynamicznymi, takimi jak gorące punkty w obszarze odsłoniętych padów, mogą nakładać dodatkowe wymagania.

Funkcjonalność elektryczna

Ponieważ oporność elektryczna połączeń lutowanych nie jest krytyczna dla większości typów komponentów, puste przestrzenie zwykle nie wpływają na funkcjonalność elektryczną komponentów. Wyjątkiem mogą być wyłącznie zastosowania o wysokiej częstotliwości lub wysokim natężeniu prądu, które to przypadki należy oceniać indywidualnie.

Zalecenia dotyczące dopuszczalności pustek w elektronice motoryzacyjnej

W oparciu o rozważania przedstawione powyżej, w grupie roboczej DKE omówiono i uzgodniono wartości dopuszczalnego minimalnego pokrycia lutem lub maksymalnego poziomu pustek, a także zakresy wskaźników procesu. Wyniki tych dyskusji przedstawiono w poniższej tabeli jako granice akceptowalności i tzw. wskaźniki procesu. Wskaźnik procesu to stan (nie koniecznie wada), który identyfikuje cechę, która nie ma wpływu na formę czy funkcję układu. Określony poziom jest wynikiem zastosowanych materiałów, konstrukcją, działań operatora lub maszyny, które powodują, że stan nie spełnia w pełni kryteriów akceptacji, ale też nie jest wadą (patrz także [6]). W przypadku pokrycia lutem lub poziomu pustek taki stan nie powinien występować z dużą częstotliwością i należy traktować go jako sygnał do podjęcia analizy procesu. Może to skutkować podjęciem działań mających na celu odpowiednio zmniejszenie powstawania pustych przestrzeni lub zwiększenie pokrycia lutem i poprawę wydajności.

Żródło: Voids in SMT Solder Joints – Trends in Automotive Electronics, Udo Welzel, Norbert Holle © Robert Bosch GmbH

Żródła uzyte w tekście oryginalnym

[1] T. Ewald, N. Holle and K.-J. Wolter, \\\\"Void formation on PCB surface finish during reflow soldering,\\\\" in 34thInternational Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Bad Aussee, Austria, 2011.

[2] T. Ewald, N. Holle and K.-J. Wolter, “Void formation during reflow soldering,” in IEEE 62nd Electronic and Technology Conference, San Diego, CA, USA, 2012.

[3] N. Holle, T. Ewald and U. Welzel, “Voids in SMT Solder Joints - Myths Revisited,” in IPC APEX EXPO Proceedings, San Diego, 2018.

[4] R. Aspendir, “Voids in Solder Joints,” in SMTAI Conference Proceedings, 2006.

[5] J-STD-001G, Requirements for Soldered Electrical and Electronic Assemblies, IPC, 2018.

[6] IPC-A-610G, Acceptability of Electronic Assemblies, IPC, 2018.

[7] IEC 61191-2, Printed board assemblies - Part 2: Sectional specification - Requirements for surface mount solder assemblies, IEC, 2017.

[8] D. Hillman, D. Adams, T. Peason, B. Williams, B. Pettrick, R. Wilcoxon, D. Bernard, J. Travis, E. Krastev und V.Bastin, „The last will and testament of the BGA void,“ in IPC APEX EXPO Proceedings, 2015.

[9] D. Hillman, R. Wilcoxon, T. Pearson and K. Cho, “Bottom terminated component (BTC) void concers: real and imagined,” in Proceedings of SMTA International, Rosemont, IL, USA, 2019.

[10] IEC 61191-6, PRINTED BOARD ASSEMBLIES, Part 6: Evaluation criteria for voids in soldered joints of BGA and LGA and measurement method, IEC, 2010.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!