Dopuszczalny poziom pustek w elektronice motoryzacyjnej (Część I)

Od czasu wprowadzenia technologii bezołowiowej, pustki w złączach lutowanych SMT były tematem intensywnych dyskusji, co znajduje między innymi odzwierciedlenie w różnych dokumentach zawierających wytyczne IPC, takich jak IPC-7093 (Wdrożenie procesu projektowania i montażu komponentów z wyprowadzeniami na stronie spodniej) i IPC-7095 (Wdrożenie procesu projektowania i montażu BGA), które zawierają pewne informacje na temat typowych poziomów pustek i ich wpływu na niezawodność montażu. Jeśli chodzi o wymagania ilościowe i limity dopuszczalności pustek, wartości podano wyłącznie dla układów zawierających matrycę kulek w zaktualizowanych wersjach norm J-STD001, IPC-A610 i IEC 61191-2, jednakże niedawne dyskusje podczas spotkań normalizacyjnych wskazują na potrzebę szerszego uwzględnienia tego zjawiska w normach. Jest to szczególnie ważne w elektronice samochodowej, gdzie specyfikacje klientów często dotyczą właśnie poziomu pustek. Fakt ten w sposób oczywisty wymaga szerszego uwzględnienia w przyszłości pustek w dodatkach dla przemysłu motoryzacyjnego J-STD-001 i IPC-A610. Postulat ten implikuje wykonanie dwóch działań:

(i) należy ustalić wspólne dla wszystkich stron łańcucha dostaw stanowisko, dotyczące wpływu pustek na niezawodność montażu (mechaniczną, elektrochemiczną). Optymalizacja materiałów i procesów powinna zatem być zorientowana na cel, jakim jest ogólna poprawa niezawodności montażu, a nie skupiać się wyłącznie na redukcji pustek (w niektórych przypadkach, przyjęcie zbyt rygorystycznych limitów pustek może nawet stanowić przeszkodę na drodze do poprawy ogólnej niezawodności).

(ii) typowe systemy kontroli rentgenowskiej stosowane obecnie w masowej produkcji samochodów na ogół nie spełniają rygorystycznych wymagań dotyczących powtarzalności i odtwarzalności przyrządów pomiarowych i nie są odpowiednie do pomiaru pustek. Trzeba wziąć pod uwagę, że ich głównym celem jest wykrywanie defektów lutowniczych, takich jak mostki, uszkodzenia zwilżania itp. i aby wprowadzić wymagania dotyczące poziomu pustek, wymagany jest wysoki poziom powtarzalności badań rentgenowskich. 

W artykule dokonany zostanie przegląd aktualnych działań normalizacyjnych związanych z omówionymi powyżej wyzwaniami.

Nie istnieje konsensus środowiska jeśli chodzi o wpływ pustek na funkcjonalność i niezawodność montażu SMT, a przez ostatnie lata był to temat kontrowersyjny. Główną obawą związaną z powstawaniem pustych przestrzeni jest to, że może to mieć negatywny wpływ na niezawodność połączeń poddanych obciążeniom termomechanicznym i dynamicznym (np. wibracjami) oraz na właściwości termiczne i elektryczne połączeń lutowanych. Podczas gdy wpływ pustek na właściwości termiczne i elektryczne połączeń lutowanych można ocenić dość prosto, w oparciu o obliczenia numeryczne lub nawet analityczne, ich wpływ na niezawodność połączenia lutowanego jest trudniejszy do oceny. W tym kontekście obowiązkowe jest bardzo dokładne rozróżnienie różnych typów pustek: można wyróżnić co najmniej ich sześć podstawowych typów, przedstawionych w tabeli poniżej, a tylko niektóre z nich (tj. makro-pustki, zwane też pustkami procesowymi oraz tzw. pustki projektowe) można zaobserwować i zanalizować za pomocą standardowego obrazowania rentgenowskiego.

Zródło: Voids in SMT Solder Joints – Trends in Automotive Electronics © Udo Welzel, Norbert Holle Robert Bosch GmbH 

Wpływowi makro-pustek na niezawodność poświęcono wiele badań, lecz według najlepszej wiedzy autorów omawianego artykułu, nie udało się uzyskać jednoznacznego potwierdzenia tych obaw (chyba że badaniu zostały poddane nadmierne poziomy pustek, wygenerowane celowo w badaniach, a nie w produkcji masowej). Z drugiej jednak strony dostawcy past lutowniczych i topników opracowali produkty, których głównym zadaniem jest redukcja pustek, reklamując je w taki sposób, jakby ta cecha miała stanowić przewagę konkurencyjną. W świetle istnienia różnych typów pustek i braku jednoznacznych dowodów na ich negatywne skutki, nie jest zaskoczeniem, że praktycznie nie są one objęte istniejącymi normami dotyczącymi wymagań i dopuszczalności zespołów elektronicznych, jak J. -STD-001G, IPC-A-610G i IEC 61191-2. Z wyjątkiem komponentów o wyprowadzeniach macierzowych, normy te nie nakładają ograniczeń na akceptowalne poziomy pustek przestrzeni w układach elektronicznych.

Obecnie w organizacjach normalizacyjnych trwają dyskusje, czy normy powinny obejmować ten temat szerzej, co w szczególności dotyczy elektroniki samochodowej, przechodzącej na stopy bezołowiowe, w przypadku których puste przestrzenie są bardziej powszechnie w porównaniu ze stopami ołowiowymi. Co więcej, na elektronikę motoryzacyjną nakładane są bardzo wysokie wymagania ogólne dotyczące niezawodności, co może prowadzić do ustanawiania bezpodstawnych, zbyt rygorystycznych ograniczeń dotyczących pustek. Pożądane jest zatem osiągnięcie wspólnego porozumienia dotyczącego dopuszczalnych poziomów pustek, które zostanie zaakceptowane przez wszystkie zainteresowane strony w całym łańcuchu dostaw elektroniki samochodowej. Przykładem może być konsensus osiągnięty w grupie roboczej Niemieckiej Komisji Elektrotechnicznej (DKE – Deutsche Kommission Elektrotechnik), który może zostać wykorzystany jako punkt wyjścia dla innych zainteresowanych stron. Ważnym aspektem, który należy również wziąć pod uwagę we wszelkich działaniach normalizacyjnych, jest brak solidnych systemów pomiarowych pustek w produkcji masowej, spełniających wymagania dotyczące powtarzalności przyrządów pomiarowych. Pustki analizowane są zazwyczaj za pomocą zautomatyzowanych systemów kontroli rentgenowskiej (AXI), działających w trybach obrazowania dwuwymiarowego (2D-AXI) lub trójwymiarowego (3D-AXI). 

Tekst opracowano na podstawie artykułu Voids in SMT Solder Joints – Trends in Automotive Electronics © Udo Welzel, Norbert Holle Robert Bosch GmbH

Zdjęcie tytułowe: © forum.image.sc

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!