Zaawansowane techniki inspekcji warstwy underfilling pod BGA

Konstrukcja zdecydowanej większości urządzeń elektronicznych odzwierciedla wszechobecny trend postępującej miniaturyzacji i integracji systemów. Efektem jest coraz gęstsze upakowanie układów, z coraz drobniejszymi komponentami, ciaśniejszymi odstępami i wyższą gęstością połączeń lutowniczych. Obecne konstrukcje coraz częściej zawierają też rozmieszczone blisko siebie elementy BGA, z rastrem do 0,4 mm. Budzi to coraz większe obawy dotyczące niezawodności i równocześnie jest przyczyną poszukiwania nowych sposobów mechanicznego wzmocnienia połączenia.

Dozowanie żywicy pod BGA – czyli właśnie underfilling - jest coraz częściej stosowanym sposobem zwiększenia mechanicznej lub termomechanicznej niezawodności układu. Sama technika underfilling nie jest nowa: została pierwotnie wprowadzona kilkadziesiąt lat temu, aby poprawić niezawodność flip-chipów na podłożach ceramicznych lub organicznych, poprzez zmniejszenie naprężeń na połączeniach chip-to-substrate, powstających w efekcie niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej CTE pomiędzy laminatem a strukturą krzemową. W dalszych latach zastosowanie underfilling’u stało się coraz powszechniejsze a obecnie większość modułów BGA/LGA i zespołów PoP BGA w smartfonach jest wzmocniona na wypadek upadku właśnie w ten sposób.

Istnieje kilka wariantów materiałów i procesów, za pomocą których wykonuje się underfilling, takich jak wypełnienia kapilarne, zalewanie rozpływowe lub klejenie krawędzi/naroży, tworząc dość szeroki wachlarz alternatyw. Z drugiej strony, dostępne opcje kontroli po underfilling’u są już znacznie bardziej ograniczone i zostały opisane w normie IPC J-STD-030A. Walidacja i kontrola procesu mają jednak kluczowe znaczenie, ponieważ integralność depozytu żywicy w bezpośredni sposób wpływa na wydajność procesu underfilling, która może być niedostateczna w przypadku słabej przyczepności lub pustych przestrzeni w warstwie żywicy.

Niniejszy artykuł, będący skrótem szerszego opracowania ‘Control of the Underfilling of Surface Mount Assemblies by Non-Destructive Techniques’, opracowanego przez koncern ©Thales, stanowi przeglądu możliwości i ograniczeń kilku technik, które można zastosować do kontroli po procesie underfilling. Rozważane metody to inspekcja wizualna, rentgenowska i mikroskopia skaningowa SAM, koncentrujące się na zespołach podzespołów BGA.

Proces underfilling

Underfilling BGA polega na dozowaniu płynnej żywicy o niskiej lepkości pod komponent BGA. Żywica jest aplikowana blisko krawędzi BGA, przepływa poprzez działanie kapilarne i wypełnia przestrzeń między BGA a płytką drukowaną, otaczając w ten sposób polutowane wyprowadzenia BGA. Proces aplikacji można przeprowadzić różnymi metodami, jednak zwykle odbywa się przez dozowanie igłą lub natryskiwanie bezkontaktowe w kilku cyklach, często w połączeniu z podgrzewaniem układu w celu ułatwienia i zwiększenia przepływu żywicy. Po operacji dozowania następuje etap utwardzania termicznego. Po zakończeniu, tworzy się żywiczne wypełnienia wokół czterech boków i pod całym obszarem BGA.

Inspekcja wizualna

Kontrola wizualna BGA po underfilling’u jest bardzo ograniczona i pozwala jedynie na kontrolę obecności żywicznego wypełnienia i jego ewentualnego wycieku na otaczające komponenty. Tą metodą w żaden sposób nie można sprawdzić ewentualnych wad powstałych pod BGA, takich jak pustki lub pęknięcia. Aby odsłonić i skontrolować szeregi kulek lutowniczych BGA zalane żywicą, niezbędne byłoby wykonanie wyrywkowych, destrukcyjnych przekrojów. Aby przezwyciężyć ograniczenia prostych badań wizualnych, opracowano nieniszczące techniki rentgenowskie i SAM.

Badanie rentgenowskie

Obrazowanie przy użyciu źródeł promieniowania rentgenowskiego jest popularną, nieniszczącą techniką kontrolowania jakości i integralności montażu. Konwencjonalne obrazowanie absorpcyjne polega na oświetleniu badanego obiektu promieniami rentgenowskimi oraz utworzeniu dwuwymiarowego profilu natężenia transmisji za pomocą detektora, umieszczonego bezpośrednio za obiektem. Przy danej energii fotonu promieniowania rentgenowskiego, absorpcja zależy zarówno od gęstości, jak i składu pierwiastkowego obiektu. Obszary charakteryzujące się dużymi różnicami gęstości dają wysoki kontrast absorpcji promieniowania rentgenowskiego. Z tego też względu, technika ta jest obecnie szeroko stosowana w kontroli i analizie defektów montażu powierzchniowego.

Poza tym, kolejną zaletą takiej techniki jest możliwość wykonywania rentgenowskiej tomografii komputerowej (computed tomography, CT), która polega na umieszczeniu pomiędzy źródłem promieniowania rentgenowskiego a detektorem obrotowego podestu, który obraca próbkę o 360° w równomiernie rozłożonych krokach. Na podstawie zbioru obrazów rentgenowskich 2D, zarejestrowanych podczas obrotu wokół pojedynczej osi, algorytm urządzenia do tomografii komputerowej tworzy dokładny zbiór danych 3D, tworząc obraz wewnętrznej struktury próbki. Tak utworzony obraz można oglądać  jako przekrój w dowolnej orientacji lub jako ogólny obraz 3D, co pozwala na zbadanie wszystkich szczegółów próbki. W wielu przypadkach, na podstawie trójwymiarowej tomografii rentgenowskiej, możliwe jest wykrycie defektów, bez konieczności wykonywania badań niszczących, czyli fizycznych przekrojów, co jest oczywiście olbrzymią zaletą przy analizie wyników procesu underfilling.

Pomimo ostatnich postępów w systemach obrazowania rentgenowskiego i cyfrowego przetwarzania obrazu, kontrast absorpcji umożliwiający rozróżnienie różnych typów elementów o podobnej gęstości pozostaje wyzwaniem. W przypadku wielu materiałów o wysokiej energii promieniowania rentgenowskiego, tłumienie promieniowania rentgenowskiego może być bardzo duże, co skutkuje niewielką absorpcją promieniowania rentgenowskiego, a w efekcie słabym kontrastem obrazowania. Żywice stosowane w procesie underfilling mają bardzo niską gęstość w porównaniu z płytkami i komponentami, a co więcej, pustki w depozycie żywicy nie mają wystarczająco różnej gęstości od żywicy, aby umożliwić ich łatwe wykrycie.

Innym ograniczeniem rentgenowskiej tomografii komputerowej jest tzw. zjawisko utwardzania wiązki, powodowane polichromatyczną naturą źródła promieniowania rentgenowskiego i zależną od przepływającej energii charakterystyką obiektu. Obecność gęstego przedmiotu (np. metalu, lutowia) w polu widzenia CT może powodować występowanie tzw. artefaktów w tworzonych obrazach, w szczególności ciemnego cieniowania pomiędzy kulkami lutowia BGA, jak pokazano to na rysunku 1.

Rysunek 1. Przekrój rentgenowski BGA (lewa strona) oraz ciemne smugi łączące gęste obiekty (prawa strona).

Źródło: Control of the Underfill of Surface Mount Assemblies by Non-Destructive Techniques ©Thales