Zaawansowane techniki inspekcji warstwy underfilling pod BGA

Inspekcja warstwy żywicy, utworzonej w procesie underfilling pod komponentem BGA to chyba jedno z największych wyzwań. Autorzy artykułu wskazują na wady i zalety poszczególnych technik, takich jak X-ray i najnowsze technologie SAM.

Łukasz Jaeszke

2022-05-05

Mikroskopia skaningowa SAM

Mikroskopia skaningowa opiera się na falach ultradźwiękowych, stosowanych w celu wykrycia defektów związanych z obecnością powietrza, takich jak porowatość, pustki, pęknięcia lub rozwarstwienia. Jest to metoda rutynowo używana do oceny integralności różnych połączeń komponentów elektronicznych. Do analizy powszechnie stosuje się dwa główne tryby: tryby C-scan i through-scan.

W trybie C-scan przetwornik wytwarza falę akustyczną, która jest odbijana przez wszystkie powierzchnie. Odbita fala jest wychwytywana przez ten sam przetwornik, który pracuje naprzemiennie w trybie emisji i odbioru a obraz uzyskuje się poprzez skanowanie całej próbki, linia po linii. W trybie skanowania przelotowego (through-scan) drugi przetwornik jest umieszczony pod próbką i wyłapuje fale akustyczne przechodzące przez próbkę.

Od wielu lat SAM sprawdza się jako wydajna metoda analizy powierzchni i połączeń elementów typu flip chip. Dzięki tej technice można łatwo wykryć takie wady jak rozwarstwienia i pustki. Przydatną informacją, którą można uzyskać dzięki zastosowaniu SAM, jest również morfologia i głębokość lokalizacji ubytków.

Jednak ostatecznie osiągnięta rozdzielczość obrazu SAM zależy od kilku parametrów: niektóre dotyczą konstrukcji przetwornika (częstotliwość akustyczna, apertury), a inne badanej próbki (tłumienie akustyczne materiału, głębokość badania). Aby zwiększyć rozdzielczość, należy zwiększyć częstotliwość akustyczną, co spowoduje jednak zmniejszenie głębokości badania.

SAM można stosować w analizie efektów procesu underfilling. Dzięki tej metodzie można kontrolować z dużą dokładnością poziom pustek, wykrywać brak depozytu żywicy czy jej rozwarstwienie. Tak jak wspomniano, wyzwaniem jest jednak grubość analizowanej warstwy i w celu kontroli całego przekroju zaleca się obniżenie częstotliwości, co zwiększa głębokość penetracji.

W przypadku komponentów BGA/LGA obecność wielu warstw w laminacie i wielu punktów styku powoduje, że tryb C-scan jest niezbyt przydatny. Komponenty BGA/LGA zawierają wzmocnione podłoże PCB, wykonane z wielu warstw włókien szklanych, które uginają fale akustyczne w każdym kierunku. Powoduje to duże tłumienie fal akustycznych, co uniemożliwia uzyskanie wyraźnego echa w wyniku bezpośredniego odbicia.

Kolejną alternatywą może być SAM pracujący w trybie skanowania przelotowego (through-scan), zwłaszcza w przypadku wykorzystywania ostatnich postępów w projektowaniu przetworników, takich jak zastosowanie przetworników z bezpośrednim ogniskowaniem bez soczewek. Takie przetworniki umożliwiają skanowanie pełnowymiarowego zespołu PCB oraz kontrolę depozytu żywicy uzyskanego w procesie underfilling. Jednak wadą jest to, iż w tym trybie można uzyskać tylko niską rozdzielczość i wykrywać tylko duże rozwarstwienia o rozmiarach X-Y w zakresie 1 mm.

Poniższa ilustracja przedstawia płytę główną smartfona, poddaną analizie through scan. Za pomocą tej techniki możliwe było wykrycie sporych pustek żywicy pod LGA, które zostały potwierdzone destrukcyjnym przekrojem.

Rysunek 2. Po lewej: Obraz uzyskany w trybie through-scan - widoczne pustki w depozycie żywicy pod zespołem LGA (czerwone strzałki). Po prawej: Przekrój LGA - widoczne pustki w depozycie żywicy pod zespołem LGA (czerwone strzałki).

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

Ze względu na bardzo mały prześwit i specyficzną konstrukcję z dużą, centralną podkładką, w przypadku komponentów w obudowach QFN zwykle nie wykonuje się operacji underfilling. Autorzy artykułu przeprowadzili jednak test wykrywania defektów underfilling QFN za pomocą urządzenia pracującego w trybie C-scan, który okazał się całkiem skuteczny w wykrywaniu pustek w depozycie żywicy. Dzięki zmniejszeniu częstotliwości można było zbadać i zobrazować całą grubość masy depozytu. W trybie skanowania przelotowego również można było kontrolować QFN po procesie underfilling, jednak było to możliwe jedynie w niższej rozdzielczości. Porównanie jakości obu obrazów zilustrowane jest na poniższym rysunku.

Rysunek 3. Po lewej. Obraz QFN po procesie underfilling uzyskany w trybie C-scan (czerwone strzałki wskazują pustki).

Po prawej: Obraz QFN po procesie underfilling uzyskany w trybie through-scan (czerwone strzałki wskazują pustki).

Autorzy artykułu oczekiwali, że w przeciwieństwie do QFN, za pomocą metody C-scan nie będą w stanie skutecznie skontrolować wypełnienia pod BGA. Jak też podkreślano wcześniej, skanowanie przelotowe through-scan może służyć jedynie jako pierwszy etap inspekcji, wykrywając obecność dużych pustek w warstwie żywicy underfilling. Dalsza analiza wymaga przeprowadzenia niszczących (lub częściowo niszczących) planarnych przekrojów próbek, które pozwalają na inspekcję całego obszaru pod elementem i wykrycie defektów, takich jak zlokalizowane głębiej pustki. Jednak ta technika ma ograniczenia. Po pierwsze, jest bardzo czasochłonna. Co więcej, aby w pełni kontrolować całą objętość warstwy żywicy, wymaga przeprowadzenia więcej niż jednego przekroju, obejmując co najmniej warstwy styku pomiędzy BGA a warstwą żywicy oraz warstwę styku pomiędzy żywicą i PCB. Jak podkreślają autorzy, metoda ta może jednak stać się znacznie wydajniejsza, jeśli zostanie użyta w połączeniu z SAM.

Płaskie, planarne przekroje można wykonać poprzez konwencjonalne polerowanie mechaniczne, jednak autorzy artykułu przeprowadzili je precyzyjnym mikropolerowaniem. Ten rodzaj mikropolerowania jest zwykle dedykowany do dekapsulacji komponentów i reverse engineering samej matrycy. Próbka jest zamontowana na specjalnie zaprojektowanym ruchomym stole, który oscyluje w kierunkach X i Y. Sterowane w osi Z narzędzie obrotowe zapewnia precyzyjne i powtarzalne szlifowanie do określonej grubości, a także lustrzane, pozbawione zarysowań wykończenie. Za pomocą tego narzędzia możliwe jest precyzyjne kontrolowanie głębokości szlifowania i zatrzymanie tuż przed interesującym nas interfejsem, a następnie przeprowadzenie analizy techniką SAM.

Autorzy przeprowadzili kontrolę techniką C-scan styków komponent /żywica i żywica/płytka z rozdzielczością poprzeczną około 50 µm. Przy tak wysokiej rozdzielczości można wykryć nawet małe puste przestrzenie, w tym te zlokalizowane w najtrudniejszych obszarach, tj. między połączeniami lutowanymi BGA. Technika ta umożliwiła wykrycie różnych rodzajów pustek w żywicy underfilling, takich jak lokalne pustki u podstawy połączeń lutowanych BGA lub większe pustki, wypełniające szczelinę między dwoma sąsiednimi połączeniami.

Rysunek 4. Po lewej. C-scan BGA po polerowaniu mikromechanicznym.

Po prawej. Szczegółowy widok warstwy żywicy underfilling między połączeniami lutowanymi: pustki w wypełnieniu (żółte strzałki) i pustki powstałe pomiędzy dwoma wyprowadzeniami (czerwone strzałki).