Pęknięcia pod BGA powstające na etapie depanelizacji i testów

Czy istnieją specjalne wymagania dotyczące depanelizacji PCB zawierających komponenty BGA? Jakie są najlepsze/najbezpieczniejsze metody depanelizacji tego typu płytek?

Łukasz Jaeszke

2022-09-13

Pęknięcia pod wyprowadzeniami BGA powstające na etapie depanelizacji i testów.

Żródło: Impact of laminate cracks under solder pads on the fatigue lives of ball grid array solder joints © Microelectronics Reliability

Wszystkie komponenty i ich połączenia należy chronić przed naprężeniami, które mogą powstać w wyniku procesów depanelizacji, wyginających lub ścinających podłoże PCB. Szczególnie podatne na uszkodzenia są takie komponenty jak małe kondensatory ceramiczne, BGA, LGA, QFN lub jakiekolwiek inne elementy zawierające drobne i delikatne połączenia.

Produkująca sprzęt dla procesu SMT firma Ansys na swoim blogu wymienia etap depanelizacji lub testu jako jedną z pięciu głównych przyczyn powstawiania pęknięć. Cztery pozostałe to stres mechaniczny powstały na etapie conformal coatingu, cykle temperaturowe przy niedopasowanym współczynniku rozszerzalności poszczególnych materiałów, stres mechaniczny powstały na etapie montażu, błędy projektowe (w tym niewłaściwie zaprojektowany montaż mechaniczny) oraz błędy lutowania. Według opisu sporządzonego przez Ansys, pęknięcia połączenia lutowanego zwykle przybierają formę pękania padów lub pękania połączenia międzymetalicznego (IMC). Pad cratering to pęknięcie w warstwie laminatu bezpośrednio pod miedzianym padem. Z kolei warstwa międzymetaliczna to obszar, w którym miedziany pad i lut łączą się, tworząc Cu₃Sn lub Cu₆Sn₅- jest to najbardziej kruchy obszar złącza lutowniczego i dlatego też jest najbardziej podatny na przeciążenia. Opisywany problem dotyczy zwykle komponentów o mniejszej podziałce - głównie BGA - lub gdy stosowane są szczególnie kruche laminaty.

Ponieważ awarie mechaniczne mogą w dużym stopniu zależeć od warunków brzegowych i geometrii płytki drukowanej, Ansys w swoim wpisie zaleca stosowanie metod MES (metoda elementów skończonych, ang. FEM, czyli finite element method ) do przewidywania ryzyka przeciążenia mechanicznego, która pozwala na ilościową ocenę odkształcenia i krzywizny.

Na ten temat wypowiada się też Larry Harman, inżynier procesu SMT z firmy ACDi:

‘Gęstość elementów na płytkach drukowanych stale rośnie, a 2.000 – 3.000 lub nawet więcej komponentów w układzie staje się normą. Depanelizacja płytek drukowanych staje się coraz bardziej krytycznym etapem w przypadku złożonych płyt, które mają coraz węższy roztaw, więcej warstw i większą grubość.

Depanelizacja powoduje naprężenia mechaniczne na płytce drukowanej, które mogą powodować przedwczesną awarię elektryczną układu lub jego nieprawidłową pracę. Podstawowym problemem, powodowanym przez oddziaływanie zewnętrznych sił jest rozwarstwianie krawędzi PCB, które z kolei naraża płytkę na działanie wilgoci, płynów i mikro-ruchy powierzchni. Z punktu widzenia BGA, spośród potencjalnych problemów spowodowanych rozwarstwieniem wspomniane mikro-ruchy powierzchni stanowią największy problem. Odchylenia powierzchni zmieniają współpłaszczyznowość BGA, powodując nadmierne naprężenie rozciągające na lutowanych złączach kulka-pad, co może mieć niekorzystny wpływ na wydajność i żywotność produktu. W normalnych warunkach rozwarstwienia są nieodwracalne i choć IPC 7711 i 7721 opisują pewne procedury naprawy, jednak jest to kosztowne i wydłuża czas cyklu produkcji. Kluczem do sukcesu jest zminimalizowanie stresu mechanicznego podczas depanelizacji. Cięcie laserowe i frezowanie są ‘najmniej traumatyczne’ w przypadku depanelizacji płytek drukowanych z układami BGA, a ponadto zmniejszają/eliminują rozwarstwienia'.

I jeszcze jedna szeroka wypowiedź na ten temat, tym razem od często cytowanego przez nas Carlos’a Bouras, dyrektora generalnego Nordson SELECT:

‘Jeśli urządzenia znajdują się w pobliżu krawędzi układu, podczas procesu depanelizacji w elementach BGA lub mikro-BGA mogą powstać pęknięcia. Wygięcie płyty podczas procesu depanelizacji naraża zewnętrzne krawędzie układu BGA - a zwłaszcza kulki zlokalizowane na samym obwodzie i na rogach - na najwyższe naprężenia, na co wskazuje nierównomierny rozkład pęknięć.

Panele z V-kształtnymi frezami w większości przypadków łamane są ręcznie przez ostrą krawędź, co powoduje naprężenia w samej płytce i na powierzchni styku płytki z komponentem BGA. Fixtury służące do depanelizacji paneli powinny być zaprojektowane tak, aby w pełni podpierały płytkę po obu stronach linii nacięcia, minimalizując naprężenia.

Popularne noże typu ‘przecinarka do pizzy’ również mogą powodować nadmierne obciążenia układów BGA, jeśli te znajdują się zbyt blisko krawędzi płytki drukowanej. Najbezpieczniejszą metodą rozdzielania paneli jest użycie routera do oddzielenia poszczególnych płytek, które zazwyczaj jest wolniejsze niż łamanie lub cięcie, ale jest najlepszą opcją, zapewniającą integralność interfejsu płytki-BGA.

Jeśli płyta nie jest prawidłowo osadzona w uchwycie testowym, podobne pęknięcia pod BGA mogą wystąpić podczas testu obwodów. Co więcej, nieprawidłowe osadzenie powoduje, że operator jest zmuszony powtórzyć procedurę testową, co skutkuje kolejnym, niepotrzebnym wystawieniem PCB na stres mechaniczny. W obu przypadkach, aby zapewnić monitorowanie w czasie rzeczywistym poziomów naprężeń wywieranych podczas procesów depanelizacji i testowania, zaleca się wdrożenie testów tensometrycznych'.

Źródła:

© Ansys

Opracowanie: Łukasz Jaeszke