Przyczyny powstawania i eliminacja defektu kuleczkowania

Defekt wolnych kulek lutowia pomiędzy biegunami obudowy chip Żródło: Eliminating Mid-Chip Solder Balls: A Practical Guide to Understanding and Doing Away with this Common Defect © Henkel Electronic Materials LLC

AIM Solder definiuje defekt kuleczkowania (ang. balling) jako liczne, małe kulki lutowia, uwięzione wzdłuż obwodu pozostałości topnika po lutowaniu rozpływowym. Firma ta podaje też trzy potencjalne przyczyny występowania defektu:

- Utleniona pasta: w takim przypadku pojawi się szara obwódka wokół kulek lutowniczych lub połączeń

- Pasta zbyt długo znajdowała się na PCB przed etapem lutowania rozpływowego

- Profil reflow jest zbyt wolny na etapie wzrostu temperatury

Z kolei Georgian Simion, niezależny konsultant procesu SMT, tak pisze o potencjalnych przyczynach kuleczkowania: ‘Wolne kulki lutownicze to problem procesowy, który może wynikać z wielu przyczyn. Projekt apertury szablonu i jego grubość to tylko dwa z nich. Nie sądzę, aby istniała ścisła, matematyczna reguła, pozwalająca uniknąć kuleczkowania, jednak zastosowanie apertury i grubości szablonu odpowiednich dla rozmiarów danej obudowy i samego projektu jest na pewno jednym ze sposobów uniknięcia tego defektu. Należy ponadto upewnić się również, że komponenty są wolne od wilgoci i tlenków, profilu rozpływu jest zgodny z zaleceniami producenta pasty lutowniczej, a nachylenie w fazie szczytu nie jest na tyle strome, aby powodować gwałtowny wzrost temperatury. Ponadto, pasta lutownicza nie może zawierać wilgoci: powinno się ją wyjąć z lodówki na 24 godziny przed użyciem i zmieszać do odpowiedniej lepkości’.

Edithel Marietti, starszy inżynier produkcji z Northrop Grumman, również nie wierzy w istnienie ścisłej formuły i daje kilka wskazówek: ‘Nie sądzę, aby istniała matematyczna formuła rozwiązywania tego typu defektów, ale istnieje kilka sposobów na zminimalizowanie lub całkowite usunięcie defektu kuleczkowania poprzez modyfikację szablonu. Po pierwsze, stosunek powierzchni apertury i padu nie powinien wynosić 1:1, lecz apertura powinna być o około 10% mniejsza. Spróbuj zastosować wzór home-plate do zaprojektowania padów (rysunek poniżej) oraz użyj szablon takiej grubości, która nie będzie generować nadmiaru lutu'.

Wzór apertury typu home-plate, dalej stosowana jest też nazwa 'korona' Źródło: © PCBboardassembly.com

Henkel Electronics  opracował osobna notę aplikacyjną na temat kuleczkowania ‘Eliminating Mid-Chip Solder Balls: A Practical Guide to Understanding and Doing Away with this Common Defect’. Jak czytamy w dokumencie, kuleczkowanie pojawia się najczęściej pomiędzy biegunami komponentów pasywnych w obudowie typu chip. Defekt ten występuje w sytuacji, gdy lutowie jest wciśnięte pod komponent z dala od padu i nie jest w stanie połączyć się z resztą objętości pasty podczas lutowania rozpływowego, pozostając pod komponentem lub pojawiając się z jego boku. Podobnie jak w poprzednio cytowanych wypowiedziach ekspertów, nota Henkla wskazuje na następujące ewentualne przyczyny defektu: nadmiar pasty lutowniczej na podkładce, słaby rozpływ i niewystarczające zwilżanie.

Wraz z przejściem z lutów SnPb na materiały bezołowiowe, zmiana stosowanych stopów spowodowała też zmianę podejścia do eliminacji opisywanego defektu. W dobie lutów ołowiowych, powszechnie stosowano zmniejszenie apertury w celu kontroli objętości depozytu - niższe napięcie powierzchniowe lutów SnPb sprzyjało rozprzestrzenianiu się lutowia. Ponieważ jednak materiały niezawierające ołowiu mają wyższe napięcie powierzchniowe niż luty SnPb, zjawisko kuleczkowania stało się mniej powszechne, co zachęcało do odejścia od techniki zmniejszania apertur, tak aby nie pozostawiać odsłoniętej miedzi. Gdy jednak technologia bezołowiowa zaczęła się upowszechniać, wczesne generacje  materiałów zostały ulepszone poprzez nowe rodzaje topnika, umożliwiające czyszczenie powierzchni z tlenków w wyższych temperaturach, zmniejszające napięcie powierzchniowe stopów lutowniczych i umożliwiające lepsze zwilżanie. Jak czytamy w nocie Henkla, mimo ulepszeń w formułach lutów bezołowiowych, montażyści długo jeszcze stosowali zbyt duże apertury, co generowało dużą ilość defektów kuleczkowania.

Aby lepiej zrozumieć związek między rozmiarem i typem komponentu, zasadami projektowania szablonów i właściwościami pasty lutowniczej a występowaniem kulek lutowniczych pomiędzy biegunami chipa, Henkel przeprowadził ocenę tych czynników w celu określenia najlepszego podejścia do wyeliminowania tego defektu. Badanie przeprowadzono w dwóch fazach; w pierwszym etapie badano rozpływ materiału i redukcję apertury, w drugim analizowano charakterystykę pasty lutowniczej w zakresie rozpływu w różnych temperaturach, zwilżania i wydajności transferu. Faza pierwsza wykazała, że zmniejszenie krzywej załamania utworzonego połączenia poprzez dodanie środka żelującego lub przez zwiększenie zawartości metalu w paście lutowniczej zmniejszyło występowanie defektu wolnych kulek lutowniczych pomiędzy biegunami obudowy chip. Wykazano również, że zmniejszenie wewnętrznej ściany apertury również odegrało ważną (jeśli nie ważniejszą) rolę.

Ponadto nota wskazuje, że częstotliwość występowania defektu kuleczkowania jest większa w przypadku rezystorów niż w przypadku kondensatorów. Jest to najprawdopodobniej spowodowane większą lutowalną powierzchnią kondensatorów w porównaniu z rezystorami: kondensatory są cynowane na pięciu powierzchniach, podczas gdy rezystory są cynowane na trzech. Większa powierzchnia zwilżalna kondensatorów pomaga usuwać lutowie spod elementu podczas lutowania rozpływowego. Ważny okazał się również sposób redukcji apertury: apertura w kształcie ‘korony’ lub litery ‘u’ jest najbardziej skuteczna w ograniczaniu defektów kulek lutowniczych w środku chipa (rysunek po prawej).

W drugiej fazie badań Henkel wpływ samej pasty na powstawanie defektu. Przeanalizowano opad lutowia w różnych temperaturach, zwilżanie materiału, skłonność do koalescencji i wydajność transferu. Zarówno w przypadku komponentów 0402, jak i 1206 potwierdzono, że istnieje silna korelacja właściwości pasty lutowniczej w zakresie sposobu opadu, objętości pasty i stopnia koalescencji lutu. Wykazano, że pasty charakteryzujące się doskonałym transferem, lepszą koalescencją i minimalnym opad w wysokiej temperaturze, mogą skutecznie redukować defekty kulek lutowniczych.

Henkel stwierdza jednak, że chociaż właściwości pasty są ważne, zmniejszenie powierzchni apertury poprzez zastosowanie wzoru w kształcie litery ‘u’ lub ‘korony’ ma największy wpływ na redukcję defektu kuleczkowania (rysunek poniżej).

Żródło: Eliminating Mid-Chip Solder Balls: A Practical Guide to Understanding and Doing Away with this Common Defect © Henkel Electronic Materials LLC