Kontrola warstwy underfilling’u za pomocą technik nieniszczących

Underfilling to technika stosowana w procesie montażu, której zadaniem jest zwiększenie wytrzymałości i niezawodności połączeń. Minimalizacja układów i zwiększające się wymagania dotyczące niezawodności powodują, iż jest ona stosowana coraz częściej. Chociaż stosowane materiały i technologie spełniają kryteria nowoczesnego procesu PCBA, kontrola jakości i integralności underfilling’u pozostaje w niektórych przypadkach wyzwaniem, szczególnie biorąc pod uwagę techniki kontroli nieniszczącej na poziomie płytki. W szczególności, skaningowa mikroskopia akustyczna (Scanning Acoustic Microscopy, SAM), która jest rutynowo stosowana do kontroli underfilling’u flip-chipów, okazuje się nieomal całkowicie nieskuteczna w przypadku BGA ze względu na obecność podłoża PCB. W artykule omówiono kontrolę underfilling’u w procesie montażu powierzchniowego, koncentrując się na odpowiednich technikach kontroli i możliwych opcjach redukcji ich ograniczeń. Autorami oryginału prezentowanego artykułu jest zespół naukowców z Thales (patrz stopka na końcu tekstu).

Wprowadzenie

Zdecydowana większość aplikacji i urządzeń elektronicznych podąża za wszechobecnym trendem postępującej miniaturyzacji i integracji systemów. Rezultatem jest duży stopień upakowania PCB, z zastosowaniem komponentów o mniejszym rastrze, mniejszymi odstępami między samymi komponentami i większą gęstością połączeń lutowanych. Obecnie zaawansowane układy często zawierają blisko rozmieszczone komponenty BGA o rastrze do 0,4 mm, co budzi rosnące obawy dotyczące niezawodności i wymusza potrzebę zwiększenia wytrzymałości, szczególnie w przypadku aplikacji przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. W przypadku BGA dozowanie żywicy pod komponent (tj. underfilling) to podejście, które szybko zyskuje na popularności w różnych zastosowaniach, zwiększając niezawodność mechaniczną lub termomechaniczną na poziomie płytki.

Technika underfilling’u nie jest nowa: pierwotnie została wprowadzona kilkadziesiąt lat temu w celu poprawy niezawodności flip-chipów na podłożach ceramicznych lub organicznych. Underfilling zmniejsza naprężenia na wypukłych połączeniach chip-podłoże, występujących w efekcie niedopasowania CTE pomiędzy laminatem a matrycą krzemową. Stosowanie tej techniki rozwinęło się następnie wraz z upowszechnianiem się komponentów FC-PBGA, znajdując zastosowanie w wybranych aplikacjach wielkoseryjnych. Na przykład większość modułów BGA/LGA i zespołów PoP BGA w smartfonach jest zabezpieczona underfilling’iem, co poprawia odporność na wstrząsy wywołane upadkiem. Konstrukcje 3D i heterogeniczna integracja opierają się na modułach SiP (System-in-Package) z kilkoma matrycami lub WLP (Wafer Level Packages), które również wymagają stosowania underfilling’u. Chociaż kilka wariantów tej techniki, takich jak underfilling kapilarny, materiały aplikowane w procesie reflow, czy zabezpieczanie krawędzi/narożników, spełnia wymagania mechaniczne, to istnieją jedynie ograniczone opcje kontroli ich wykonania. Problem ten opisano w normie branżowej IPC J-STD-030A, która dotyczy underfilling’u na poziomie płytki drukowanej. Walidacja i kontrola procesu pozostają jednak kluczowe, ponieważ integralność depozytu żywicy ma bezpośredni wpływ na skuteczność tej techniki. W przypadku słabej przyczepności lub występowania pustek w warstwie żywicy, mechaniczne właściwości wzmacniające mogą ulec osłabieniu. W niniejszym artykule dokonany zostanie przegląd możliwości i ograniczeń kilku technik kontroli, które można zastosować w procesie montażu PCB. Rozważane metody kontroli to wizualna, rentgenowska i SAM, skupiające się na komponentach BGA.

Kontrola wizualna

Underfilling to proces, polegający na dozowaniu płynnej żywicy o niskiej lepkości pod komponent BGA. Żywica wypełniająca aplikowana jest blisko krawędzi BGA, przepływa kapilarnie i wypełnia przestrzeń pomiędzy BGA a płytką PCB, otaczając złącza lutowane. Proces aplikacji można przeprowadzić różnymi metodami. Zwykle odbywa się to poprzez dozowanie igłowe lub natrysk w kilku krokach, którym towarzyszy wstępne podgrzewanie płytki, mające na celu poprawę przepływu żywicy. Po operacji dozowania następuje etap utwardzania termicznego. Po zakończeniu procesu, warstwa żywicy powinna równomiernie i całkowicie wypełniać cały obszar pod BGA.

Kontrola wizualna kontrola underfilling’u BGA jest bardzo ograniczona i pozwala jedynie na kontrolę menisku żywicy i jej ewentualnego rozpływania się na otaczające elementy. Z oczywistych przyczyn tą metodą inspekcji nie można sprawdzić ewentualnych defektów pod BGA, takich jak pustki lub pęknięcia. Aby odsłonić i kontrolować układ kulek lutowniczych BGA zamkniętych w materiale wypełniającym, potrzebne są destrukcyjne przekroje poziome.

Kontrola rentgenowska

Jedną z nieniszczących technik kontroli jakości jest obrazowanie wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie. Konwencjonalne obrazowanie absorpcyjne polega na oświetleniu badanego obiektu promieniami rentgenowskimi i uzyskaniu dwuwymiarowego profilu transmitowanego przez obiekt za pomocą detektora umieszczonego tuż za nim. Przy znanej energii fotonów promieniowania rentgenowskiego, absorpcja zależy zarówno od gęstości, jak i składu pierwiastkowego obiektu. Poszczególne elementy badanego obiektu, charakteryzujące się dużymi różnicami gęstości, dają wysoki kontrast absorpcji promieniowania rentgenowskiego. Dlatego też ta technika jest obecnie szeroko stosowana w analizie defektów po procesie PCBA. Kolejną zaletą tej techniki jest możliwość wykonania rentgenowskiej tomografii komputerowej (Computed Tomography, CT), która polega na umieszczeniu pomiędzy źródłem promieniowania rentgenowskiego a detektorem stolika obrotowego, który obraca próbkę o 360° w równych odstępach kątowych. Na podstawie zbioru dwuwymiarowych obrazów rentgenowskich, zarejestrowanych wokół pojedynczej osi obrotu, algorytm CT renderuje dokładny obraz w 3D, pokazujący wewnętrzną strukturę próbki. Analiza próbek w dowolnej orientacji lub analiza całej sceny w 3D pozwala na wizualizację wszystkich wewnętrznych szczegółów próbki. Tym samym umożliwia to ocenę próbki bez konieczności wykonywania niszczącego przekroju poprzecznego, co stanowi zasadniczą zaletę przy analizie underfilling’u.

Pomimo ostatnich postępów w systemach obrazowania rentgenowskiego i cyfrowego przetwarzania obrazu, kontrast absorpcyjny umożliwiający rozróżnienie różnych typów elementów o podobnej gęstości pozostaje wyzwaniem. W przypadku wielu materiałów o wysokiej energii promieniowania rentgenowskiego, długość tłumienia promieniowania rentgenowskiego może być bardzo długa, co skutkuje jego małą absorpcją, a tym samym słabym kontrastem obrazu. W przypadku underfilling’u, stosowane żywice mają bardzo małą gęstość w porównaniu do PCB i komponentów. Co więcej, pustki charakteryzują się niewystarczającym zróżnicowaniem gęstości, aby można je było łatwo wykryć.

Innym ograniczeniem rentgenowskiej tomografii komputerowej jest zjawisko ‘utwardzania wiązki’ (beam hardening artefact), powodowane polichromatyczną naturą źródła promieniowania rentgenowskiego i zależną od energii charakterystyką obiektu. Obecność gęstego obiektu (np. metalu, lutu) w polu widzenia tomografu komputerowego może powodować poważne artefakty na tworzonym obrazie, w szczególności ciemne cienie pomiędzy kulkami lutowia w komponencie BGA (Rysunek 1).

Rysunek 1: Przekrój rentgenowski BGA -widoczne ciemne smugi łączące gęste obiekty na obrazie.

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

W opisywanym przypadku tomografię rentgenowską wykonano na urządzeniu, wykorzystującym mikroogniskowe źródło promieniowania rentgenowskiego o zmiennym napięciu przyspieszającym do 160 kV. Obraz w wysokiej rozdzielczości wygenerowano przy użyciu płaskiego detektora o matrycy 1024 x 1024 pikseli i odstępie pikseli 127 µm². Ze względu na rozdzielczość zastosowanego sprzętu i artefakty występujące podczas akwizycji danych, obserwacja pustek w underfilling’u komponentów BGA okazała się niemożliwa.

Skaningowa mikroskopia akustyczna (Scanning Acoustic Microscopy )

Analiza akustyczna opiera się na falach ultradźwiękowych, stosowanych w celu wykrycia defektów związanych z obecnością powietrza, takich jak porowatość, pustki, pęknięcia lub rozwarstwienia. Do analizy komponentów powszechnie stosuje się dwa główne tryby tej techniki: tryb C-scan i Through-scan. W trybie C-scan przetwornik wytwarza falę akustyczną, która jest odbijana przez wszystkie powierzchnie styku materiałów. Odbita fala jest wychwytywana przez ten sam przetwornik, który pracuje naprzemiennie w trybie emisji i odbioru. Obraz uzyskuje się poprzez skanowanie całej próbki, linia po linii. Natomiast w trybie skanowania Through drugi przetwornik umieszcza się pod próbką i oblicza się transmitowaną przez nią falę akustyczną. Przez wiele lat metoda SAM okazała się skuteczną metodą analizy elementów typu flip-chip, za pomocą której można łatwo wykryć takie defekty jak rozwarstwienia i pustki. Przydatnymi informacjami, które można uzyskać za pomocą SAM, są także morfologia i głębokość lokalizacji defektów.

Maksymalna osiągalna rozdzielczość zależy jednak od różnych parametrów: niektóre zależą od konstrukcji przetwornika (częstotliwość akustyczna, apertura), inne od badanej próbki (tłumienie akustyczne materiału i głębokość). Aby zwiększyć rozdzielczość, należy zwiększyć częstotliwość akustyczną, co spowoduje zmniejszenie głębokości penetracji. Staje się to coraz bardziej potrzebne w przypadku flip-chipów o coraz mniejszej średnicy wyprowadzeń i coraz mniejszym rastrze. Technikę SAM łatwo można też wykorzystać do kontroli underfilling’u elementów WLP - umożliwia kontrolę z dużą dokładnością pustek, braków wypełnienia czy rozwarstwienia.

W przypadku komponentów BGA lub LGA obecność wielu warstw laminatu i wielu interfejsów sprawia, że ​​analiza underfill wykonywana za pomocą skanowania C jest niewłaściwa. Pakiety BGA/LGA zawierają wzmocnione podłoże PCB, wykonane z licznych warstw włókien szklanych, które odchylają fale akustyczne w każdym kierunku. Powoduje to szybkie tłumienie fal akustycznych, co uniemożliwia uzyskanie wyraźnego echa w wyniku bezpośredniego odbicia. Jednym z możliwych rozwiązań może być SAM w trybie skanowania przelotowego (tj. Through-scan), szczególnie wykonany przy wykorzystaniu najnowszych innowacji w projektowaniu przetworników, takich jak zastosowanie bezpośrednio ogniskowanych bezsoczewkowych przetworników. Jednak w takim trybie można uzyskać jedynie niską rozdzielczość i w efekcie wykryć jedynie duże rozwarstwienia o rozmiarach w zakresie 1 mm.

Na ilustracji obok przeanalizowano underfilling płyty głównej smartfona w technice SAM. Za pomocą tej techniki można było wykryć duże pustki utworzone w żywicy pod LGA, co potwierdzono później za pomocą przekroju niszczącego. Analizę SAM przeprowadzono przy użyciu mikroskopu akustycznego o szybkim skanowaniu, wyposażonego w kilka przetworników pokrywających zakres częstotliwości od 20 MHz do 150 MHz. Ogniskowa przetworników również różniła się i zawierała się w przedziale od 5,9 mm przy 150 MHz do 25 mm przy 20 MHz.

QFN zazwyczaj nie nadają się do stosowania underfilling’u ze względu na ich niski prześwit i specyficzną konstrukcję, zawierającą duży pad centralny. Autorzy artykułu przeprowadzili eksperyment, w którym skontrolowano underfilling komponentów QFN za pomocą skanowania C, które okazało się bardzo skuteczne w wykrywaniu pustek. Zmniejszając częstotliwość, możliwa była analiza całej grubości masy żywicy i jej szczegółowe zobrazowanie. W trybie skanowania przelotowego również można analizować underfilling pod QFN, jednak w nieporównywalnie niższej rozdzielczości. Jak pokazano na zdjęciach poniżej, różnice w zastosowaniu obu technik są ewidentne.

Rysunek 3. Analiza underfilling’u pod QFN w trybie C-scan (lewa strona) oraz w trybie skanowania Through (prawa strona).

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

 W dalszej części artykułu autorzy stwierdzają jednak, że za pomocą C-scan nie można efektywnie kontrolować warstwy underfilling’u pod BGA. Skanowanie może zapewnić jedynie pierwszy poziom kontroli, pozwalający wykryć obecność dużych pustek w masie żywicy. Dalsza analiza wymaga zastosowania technik niszczących (lub częściowo niszczących), takich jak tradycyjne przekroje planarne, które pozwalają na sprawdzenie całego obszaru pod elementem i wykrycie defektów, takich jak zakopane pustki (tj. buried voids). Jednak i ta technika ma ograniczenia. Po pierwsze, jest to bardzo czasochłonne. Wymaga to również więcej niż jednej osi przekroju poprzecznego, aby w pełni kontrolować całą objętość warstwy żywicy, a także powierzchni styku komponent/warstwa żywicy/płytka.

Efekty analizy mogą być bardzo dokładne dopiero po połączeniu przekrojów i SAM. Autorzy tekstu przeprowadzili przekroje planarne różnych typów BGA z underfilling’iem, lecz konwencjonalne polerowanie mechaniczne zastąpiono wysoce precyzyjnym mikropolerowaniem, zazwyczaj stosowanym do dekapsulacji komponentów i analizy tylnej części odlewu matrycy. Próbkę mocuje się na specjalnie zaprojektowanym ruchomym stole, który oscyluje w kierunkach X i Y. Narzędzie obrotowe sterowane w osi Z zapewnia precyzyjne i powtarzalne szlifowanie do określonej grubości oraz lustrzane wykończenie bez zarysowań. Za pomocą tego narzędzia można kontrolować głębokość szlifowania i zatrzymać je tuż przed powierzchnią połączenia komponent/warstwa żywicy, przed analizą SAM.

Rysunek 4. Przekroje BGA z underfilling’iem wykonane za pomocą wysoce precyzyjnej maszyny do mikropolerowania.

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

Skany C wykonano na ostatniej warstwie miedzi substratu BGA (od strony kulek) przy częstotliwości 150 MHz. Dzięki C-skan można było zanalizować cały obszar BGA oraz powierzchnie styku komponent/warstwa żywicy/PCB z rozdzielczością poprzeczną około 50 µm. Dzięki tak wysokiej rozdzielczości można wykryć również małe pustki, także w najmniej dostępnych obszarach, pomiędzy złączami lutowanymi BGA. Technika ta umożliwiła wykrycie różnego rodzaju pustych przestrzeni, takich jak mniejsze puste przestrzenie u podstawy złączy lutowanych BGA lub większe puste przestrzenie wypełniające szczelinę pomiędzy dwoma sąsiednimi złączami.

Źródło: Control of the Underfill of Surface Mount Assemblies by Non-DestructiveTechniques

Autorzy: Julien Perraud, Shaïma Enouz-Vedrenne, Jean-Claude Clement, Thales Research and Technology oraz Arnaud Grivon, Thales Global Services

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!