Wróć

Analiza przyczyn powstawania efektu nagrobkowego.

Potencjalne przyczyny tombstoningu tworzą szeroki kataol, obejmujący wadliwy projekt ścieżek i padów PCB, procesy utleniania, rodzaj pasty lutowniczej, projekt szablonu czy parametry procesów drukowania, kładzenia i lutowania rozpływowego.
Opublikowano: 2021-11-08

tombstoning

© ElectricalEngineering.com

Efekt nagrobkowy (tombstoning) jest spowodowany niewielkimi różnicami w sile zwilżania z obu stron elementu w obudowie chip. W miarę jak topnik i stop lutowniczy upłynniają się i zwilżają po obu stronach elementu, poprzez swoje napięcie powierzchniowe, wywierają one niewielki moment obrotowy na komponent. W przypadku wystarczającego niewyważenia momentu obrotowego w stosunku do masy elementu, element wstaje do pozycji pionowej, tworząc defekt przypominający płytę nagrobka wystającą ponad powierzchnię.

Z biegiem lat elementy w obudowie chip stały się znacznie mniejsze, a ich wagę mierzy się w miligramach, tak więc stały się one bardziej podatne na oddziaływanie momentu obrotowego. Jedynym sposobem na całkowite wyeliminowanie efektu nagrobków jest dostosowanie zmiennych procesu, z których wiele aktywnie może wpływać na powstawanie defektu tombstone. Obejmują one m.in. projektowanie ścieżek/płytek, projektowanie padów, utlenianie komponentów i PCB, rodzaj pasty lutowniczej, projekt szablonu czy parametry procesów drukowania, kładzenia i lutowania rozpływowego. Odpowiednia modyfikacja jednej lub więcej z tych zmiennych procesowych może zmniejszyć lub wyeliminować efekt nagrobkowy.

Żródło: ‘Tombstone Troubleshooting’ autorstwa Johna Vivardi z © Nordson EFD

  • Projektowanie ścieżek PCB - jedną z częstych przyczyn niezrównoważenia sił zwilżania jest różnica temperatur oraz różnica czasu rozpływu pomiędzy dwoma padami, na których znajduje się chip. Przykład takiego niekorzystnego układu, zaczerpnięty z opracowania ‘Tombstone Troubleshooting’ autorstwa Johna Vivardi z Nordson EFD pokazany jest na rysunku obok. Pierwszy z padów podłączony jest do szerokiej ścieżki, mocniej pochłaniającej ciepło, podczas gdy drugi pad styka się z cienką ścieżką, o mniejszej masie cieplnej. W efekcie drugi pad będzie gorętszy niż pierwszy, a pasta przejdzie w stan rozpływu szybciej. Jeśli pasta na drugim padzie zwilży się jako pierwsza, wytworzona na nim napięcie powierzchniowe może wystarczyć do pokonania siły występującej na pierwszym padzie, co pozwoli na powstanie defektu tombstone. 
  • Również projekt padu wpływa na powstawanie defektu nagrobkowego, jak również na obracanie się komponentów. Im większy jest pad w stosunku do rozmiarów elementu, tym większa dźwignia może wytworzyć się w wyniku rozpływu lutowia. Gdy pad jest zbyt szeroki, nierównowaga pomiędzy jego oboma bokami może powodować przekrzywiania się komponentu, natomiast jeśli jest zbyt długi, łatwiej wytwarza się dźwignia, tworząc efekt nagrobkowy. 
  • Utlenianie się wyprowadzeń komponentów i/lub PCB powoduje niewielkie opóźnienia w procesie zwilżania, a różnica w czasie zwilżania pomiędzy padami może spowodować występowanie efektu nagrobkowego. Wysokiej jakości PCB i odpowiedni sposób przechowywania komponentów mogą wyeliminować ten czynnik.
  • Geometria komponentu - kondensatory, cewki czy i inne masywniejsze komponenty w obudowie chip są statystycznie bardziej podatne na efekt tombstone niż rezystory czy inne, mniejsze komponenty, bowiem znaczenie ma odległość, na jakiej lutowie zwilża wyprowadzenie komponentu. Istotną rolę odgrywa też wielkość i masa elementów: im lżejszy element, tym mniej siły potrzeba do powstania defektu nagrobkowego.
  • Pasta lutownicza jest w rzeczywistości mieszaniną dwóch niezależnych materiałów: topnika i stopu. W rzadkich przypadkach, pasty o szczególnie złym topniku nie zapewniają wystarczającej przyczepności tuż przed i podczas etapy lutowania rozpływowego. Aby zidentyfikować wpływ słabej jakości pasty, często wymagane są równoległe porównania past. 
  • W odniesieniu do cech samego stopu okazuje się, że istnieje różnica w wydajności między stopami eutektycznymi i nieeutektycznymi. Stop eutektyczny zmienia stan ze stałego w ciekły w minimalnym przedziale temperatury, gwałtownie wywołując pełne napięcie powierzchniowe. Stopy nieeutektyczne zmieniają stan stopniowo, w pewnym zakresie temperatur, a napięcie powierzchniowe wzrasta przez dłuższy czas. W efekcie, stopy nieeutektyczne, takie jak Sn62/Pb36/Ag2 i Sn96/Ag3.0/Cu0,5 wykazują mniejszą skłonność do tworzenia efektu tombstone niż Sn63/Pb37 i inne stopy eutektyczne. Im większy zakres topnienia, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo występowania defektu nagrobkowego.
  • Projekt szablonu składa się z dwóch elementów: kształtu apertury i wyboru technologii wykonania szablonu. Kształt apertury definiuje dwie rzeczy: objętość depozytu pasty i jego lokalizację. Właściwy projekt szablonu powinien przewidywać tylko taką objętość depozytu pasty lutowniczej, jaka jest potrzebna. Zbyt duża ilość pasty oznacza niewłaściwy kształt depozytu a także większy moment obrotowy podczas upłynniania się lutowia. Dobry projekt umieszcza również lut w miejscu, które zapewnia odpowiednie ułożenie komponentu na depozycie. Przy zbyt małej ilości nałożonej pasty może wystąpić niewystarczająca przyczepność depozytu do padu, natomiast przy zbyt dużej ilości pasty, kulki lutownicze pojawiają się po bokach chipu. Technologia wykonania szablonów definiuje natomiast oczekiwane właściwości uwalniania pasty. W celu zwiększenia wydajności uwalniania pasty, dostępne są szablony wytrawiane chemicznie, szablony wycinane laserowo i szablony elektroformowane. Udowodniono, że elektroformowanie i powlekanie wtórne szablonów wytrawianych chemicznie i wycinanych laserowo poprawiają wydajność uwalniania pasty.
  • Jednym z czynników, który radykalnie obniża częstotliwość występowania efektu nagrobkowego, jest jakość nadruku. Przy bardziej równomiernych depozytach przyczepność pomiędzy padami jest bardziej równomierna. W przypadku apertur w rozmiarach 0201, pasty lutownicze typu 4 i typu 5 znacznie poprawiają jakość druku. 
  • Jeśli na etapie kładzenia komponent zostanie umieszczony bardziej z jednej lub drugiej strony, pozwoli to na przyłożenie większego napięcia powierzchniowego do jednaj ze stron. Ponadto, jeśli element nie zostanie umieszczony z wystarczającym naciskiem, zacznie się przechylać w miarę postępów procesu zwilżania, a jeśli zostanie wepchnięty zbyt głęboko w pastę, pasta ulegnie przemieszczeniu i - ponownie - może mieć miejsce nierównomierne zwilżanie na obu padach.
  • Proces lutowania rozpływowego jest prawdopodobnie najważniejszym czynnikiem przyczyniającym się do powstawania efektu nagrobkowego. Kiedy PCB zaprojektowanie w sposób sprzyjający powstawaniu efektu tombstone trafia do pieca rozpływowego, sposób, w jaki PCB jest podgrzewana, może sprawić, że problem defektu nagrobkowego pogłębi się lub zredukuje. Aby zminimalizować defekt nagrobkowy, należy podnosić temperaturą tak, aby likwidus stopu lutowniczego był równomierny dla wszystkich par padów na płycie. Oznacza to, że całą płytkę należy doprowadzić do temperatury tuż poniżej likwidusu, a następnie powoli podnosić ją do punktu rozpływu. W przypadku większości produktów prędkość narastania temperatury wynosząca około 1°C na sekundę jest odpowiednim zabezpieczeniem przed występowaniem defektu nagrobkowego. Trudniejsze produkty mogą wymagać wolniejszego tempa narastania, w niektórych przypadkach nawet jedynie 0,33°C na sekundę.
https://amtest-group.com/pl/
https://amtest-group.com/pl/