Lutowanie niskotemperaturowe sposobem na zapobieganie wypaczaniu się BGA

Wraz ze wzrostem integracji urządzeń, coraz więcej funkcji i komponentów jest integrowanych w pojedynczym układzie scalonym IC, który zazwyczaj jest umieszczony w obudowie BGA. Zastosowanie procesorów wielordzeniowych z jednej strony oraz zapotrzebowanie na większą przepustowość danych i pojemność pamięci z drugiej, sprawiły, że przykładowo w aplikacjach serwerowych wymagane są coraz wyższa moc obliczeniowa i wydajność przetwarzania danych, a także większa pojemność pamięci. Aby sprostać tym wymaganiom, układy scalone w obudowach BGA nieuchronnie stają się większe. Na przykładzie technologii Intel, ukazano to na Rysunku 1.

Rysunek 1. Rozwój technologii układów serwerowych Intel.

Ze względu na różne współczynniki rozszerzalności cieplnej podłoży BGA, krzemu w układach scalonych i plastikowych materiałów stosowanych w obudowie, typowym wyzwaniem związanym ze wzrostem rozmiarów obudów układów scalonych jest deformacja odkształcająca podczas lutowania rozpływowego. Deformacja mniejszych układów BGA to zazwyczaj tzw. ‘marszczenie brwi [frown]’ lub ‘uśmiech’, podczas gdy tryb deformacji większych układów BGA zazwyczaj jest bardziej złożony.

W artykule Achieving Warp-Free Packaging: A Cover Mold Flip-Chip Packaging Design, opublikowanym przez Latin American University i NVIDIA, można odnaleźć rysunek, obrazujący różne mechanizmy deformacji typu układu BGA podczas montażu (Rysunek 2).

Zgodnie z normą JESD22-B112A, w celu zbadania deformacji odkształceń układu BGA, często stosuje się technikę cienia Moiré. Aby opisać deformację układu BGA, technika Moiré wykorzystuje interferencję geometryczną generowaną przez siatkę odniesienia oraz projekcję siatki odniesienia na badaną próbkę. Następnie wykorzystuje się matrycę CCD (Charge Coupled Device) do uzyskania cyfrowego obrazu graficznego, przetwarzanego za pomocą algorytmu przesuwania, rozwijania i ekstrakcji informacji o kształcie. Zasady tej techniki obrazuje Rysunek 3.

Najczęstszym sposobem minimalizacji odkształcenia układu BGA i przylegającej do niego płytki PCB jest lutowanie niskotemperaturowe, za pomocą stopów cynowo-bizmutowych. Autorzy artykułu Soldering Challenges Caused by Warpage and Deformation of Large-Size Server Integrated Circuits z firmy Indium przeprowadzili kilka eksperymentów w tej dziedzinie (po ich szczegółowy opis odsyłamy jak zwykle do oryginału, link)

Qu (Wisdom) Yanhong, Chris Nash oraz Ronald C. Lasky stwierdzają, iż układy BGA wykazują jedynie minimalne odkształcenia w temperaturze rozpływu 200-220°C, które nie występują właściwie w ogóle w temperaturze około 180°C, co odpowiada wymaganiom lutowania cynowo-bizmutowego. Jak twierdzą w podsumowaniu autorzy, najlepsze okno produkcyjne można uzyskać, stosując stop lutowniczy o temperaturze topnienia 200°C i o szczytowej temperaturze lutowania rozpływowego wynoszącej 220°C.

Dodatkowo artykuł opisuje nowa koncepcje lutowia, stosowanego w tego typu niskotemperaturowym procesie. Jest to pasta lutownicza z proszkiem stopowym, opracowana przez Hongwen Zhang i jego zespół, która topi się w niskiej temperaturze (tj. w zakresie 200–210°C). Ten ‘system’ pasty lutowniczej z proszkiem stopowym wykorzystuje opatentowaną kombinację sproszkowanych stopów SAC i sproszkowanego stopu indu  Kinetykę tego systemu pasty lutowniczej przedstawiono na Rysunku 4 - po lutowaniu rozpływowym uzyskany stop ma wysoką temperaturę przetopienia i lepsze właściwości mechaniczne i niezawodność niż SAC305. Całość tej koncepcji oparta jest na zjawisku rozpuszczania jedynych metali przez inne. Przykładem takiej interakcji metali jest rtęć rozpuszczająca złoto, co bywa wykorzystywane w procesie wydobycia tego drogocennego kruszcu.

Źródło: Soldering Challenges Caused by Warpage and Deformation of Large-Size Server Integrated Circuits, Autorzy: Qu (Wisdom) Yanhong, Chris Nash, Ronald C. Lasky, © Indium Corporation

 Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 19 marca 2026. Zapisz się tutaj!