Czy pozostałości topnika mogą zakłócać sygnał RF?

Problem napotkany przez jedną z firm dotyczył montażu układu zawierającego QFN44, podczas którego stosowano topnik no-clean. Podczas testów firma napotykała na dużą ilość odrzuceń, a operator zajmujący się kontrolą jakości jako przyczynę defektów wskazał pozostałości topnika pomiędzy wyprowadzeniami, co miało by wpływać na pojemność na złączach. Czy takie podejrzenie inżyniera testów mogło być uzasadnione?

Inżynier procesu z wieloletnim doświadczeniem, Fritz Byle, odpowiada, iż nie można wykluczyć wpływu pozostałości topnika na pojemność elektryczną montowanych układów. Jego zdaniem, przy wysokich częstotliwościach, zwykle powyżej 1 GHz, niektóre pozostałości topnika mogą powodować zakłócenia wpływające na integralność sygnału. Jeśli jednak rozpatrywany układ nie jest aplikacją wysokich częstotliwości, prawdopodobieństwo wpływu pozostałości topnika na działanie układu jest znikome.

Na niebezpieczeństwo zakłóceń sygnału RF przez pozostałości topnika wskazuje też sygnowany przez Kyzem artykuł ‘Bottom Termination Component Design Considerations to Improve Cleaning’ . Czytamy tam ‘Problem odnosi się do komponentów pracujących na częstotliwościach większych niż 1GHz. W tych zastosowaniach, utwardzony topnik może zmienić właściwości RF na powierzchni połączeń, takie jak wytrzymałość dielektryczna, rezystancja powierzchniowa i rezonans Q’. 

Fritz podpowiada też jak upewnić się, czy pozostałości topnika są źródłem zakłóceń sygnału. Należałoby ostrożnie usunąć komponent oraz oczyścić zarówno jego wyprowadzenia jak i samą płytkę z pozostałości topnika, nie usuwając przy tym lutowia. Następnym krokiem byłoby ponownie przylutowanie części przy użyciu płynnego topnika no-clean o niskiej zawartości cząstek stałych i przepłukanie całości alkoholem, aby usunąć jak najwięcej pozostałości płynnego topnika. Po wysuszeniu płytkę można by poddać testowi, jednak zawsze będzie on obarczony ryzykiem, iż układ został uszkodzony podczas demontażu lub ponownej instalacji.

Inną potencjalną przyczyną awarii może być sam projekt obwodu, który może zawodzić przy pewnych kombinacjach dopuszczalnych tolerancji komponentów. Kolejne potencjalne źródła to uszkodzenie komponentu przez wilgoć (należy sprawdzić, co jakiej klasy odporności na wilgoć należy komponent i czy jest odpowiednio przechowywany) oraz uszkodzenie przez wyładowania elektrostatyczne ESD (na jaki poziom napięcia jest wrażliwy wadliwy komponent i czy w firmie istnieje skuteczny nadzór ESD?). 

Eric Camden, analityk z firmy Foresite, Inc również twierdzi, iż takie podejrzenie może być w pełni uzasadnione. Jednym z najczęstszych przyczyn problemów z QFN i innymi typami komponentów z wyprowadzeniami na spodniej stronie, obserwowanych w procesie lutowania rozpływowego, jest bardzo mały odstęp spodniej części QFN od powierzchni płytki. Zwykle jest to jedynie 1-2 mil prześwitu – zbyt mało aby umożliwić odprowadzenie gazów i/lub pozwolić, aby jakikolwiek środek czyszczący wniknął pod komponent i usunął pozostałości topnika.

Jako najlepszy sposób na uniknięcie problemu Eric Camden podaje zwiększenie prześwitu poprzez zmianę projektu padu na tzw. ‘window pane’, a więc zamiast jednego dużego padu szereg mniejszych. Taki układ apertur stwarza to ścieżki odprowadzania gazów jak również wprowadzania środków myjących pod główną podkładkę QFN. Blog screamingcircuits.com podaje, iż takie układ mniejszych apertur powinien pokrywać od 50 do 75% powierzchni głównego pada termicznego QFN.  

Rick Perkins, prezes Chem Logic dodaje swój komentarz, skupiając się na samym myciu układów QFN: ‘Dowiedziałeś się na własnej skórze, że ‘no clean’ nie zawsze oznacza ‘nie czyścić’. Wybór, czy układ powinien być czyszczony czy nie, nie powinien być oparty na materiałach marketingowych producentów chemii. Użytkownik musi podjąć tę decyzję samodzielnie i powinien polegać na własnych danych testowych, aby sprawdzić, czy płytki rzeczywiście można nie myć’.

Rick Perkins generalnie, jako ogólną regułę, twierdzi: czyścić wszystko. ‘Od dziesięcioleci zajmuję się myciem, więc mogę być nieco stronniczy, ale moim zdaniem - jako inżynier ceniący czyste powierzchnie do klejenia, powlekania itp. - absolutnie zawsze czyściłbym lutowane powierzchnie. Gęsto upakowane układy, takie jak BGA i QFN, wymagają użycia chemii, która ma dwie funkcje: 

1) przenikaja pod obudowę i wokół połączeń, w tym również znajdujących się w wąskich szczelinach (zazwyczaj produkty na bazie wody się do tego nie nadają, ponieważ ich cząsteczki są zbyt duże) 

2) rozpuszcza pozostałości topnika i jony, a następnie wyprowadza je spod obudowy, całkowicie usuwając zanieczyszczenia. 

Pierwsze z zadań nie jest takie trudne w przypadku węglowodorów o niskim napięciu powierzchniowym lub rozpuszczalników odtłuszczających na gorąco, ale drugi wymóg jest już trudniejszy. Płynny rozpuszczalnik czy też skroplona para musi mieć możliwość wypłukania zanieczyszczeń spod komponentu, jednak chemia ta sama również zawiera rozpuszczony już topnik. Rozwiązanie tego problemu nie jest proste, jednak kilka firm zajęło się tym problemem. Rozpuszczalnik z uwolnionym topnikiem nabiera zupełnie innych właściwości niż on sam w stanie idealnie czystym. Zmiany gęstości, napięcia powierzchniowego i brak wystarczającej ilości rozpuszczalnika mogą powodować, że uwolniony topnik i tak utknie pod komponentem lub pomiędzy połączeniami i nie zostanie finalnie usunięty, co osłabi niezawodność montażu.

Rick Perkins pisze: 'Gdybym to ja musiał rozwiązać ten problem, wziąłbym myjkę parową, wystawiłbym płytki na działanie NPB lub mieszanki rozpuszczalników DCE na około 20 sekund, a następnie zanurzyłbym je w zbiorniku zanurzeniowym na około 2 minut. Układ należałoby obracać w czystym płynie lub alternatywnie zwiększyć natężenie przepływu filtracji w zbiorniku zanurzeniowym, aż do skutecznego usunięcia rozpuszczalnika z uwolnionym topnikiem, znajdującym się pod komponentami’.