Obiecujące wyniki past typu JRP

Płytki drukowane stosowane w produktach elektroniki użytkowej, takich jak smartfony, tablety i komputery osobiste klientów mobilnych, są zwykle montowane poprzez lutowanie rozpływowe za pomocą bezołowiowych past lutowniczych SnAgCu (SAC), przy maksymalnej temperaturze rozpływu w zakresie od 240°C do 260°C. Jednak ze względu na malejące rozmiary urządzeń elektronicznych, które wymagają mniejszej wysokości, lutowanie komponentów FCBGA często staje się problematyczne ze względu na dynamiczne wypaczenia obudowy komponentu i PCB.

Typowe kształty wypaczeń FCBGA podczas dla past lutowniczych SAC i BiSnAg na poszczególnych etapach procesu lutowania rozpływowego 

Żródło: Mechanical Shock and Drop Reliability Evaluation of the BGA Solder Joint Stack-Ups © Intel

W rezultacie, jako alternatywę dla past lutowniczych SnAgCu, do montażu płytek w aplikacjach mobilnej elektroniki użytkowej, zaproponowano niskotemperaturowe pasty lutownicze zawierające bizmut. Oprócz poprawy wydajności połączeń lutowniczych ze względu na mniejsze wypaczenia obudów i płytek w punkcie szczytowym procesu lutowania rozpływowego, niższe temperatury topnienia tych past lutowniczych umożliwią również znaczne oszczędności zużywanej energii.

Jednakże wcześniej już alarmowano, że obecność znacznych ilości Bi w lutowiu w połączeniu z Sn powoduje kruchość połączeń lutowanych, co prowadzi do niższej odporności na wstrząsy mechaniczne. Kruchość stopów Bi-Sn, nawet po dodaniu Ag, ogranicza ich zastosowanie w produktach konsumenckich, gdzie ryzyko wielokrotnych uderzeń jest wysokie.

Niedawno opracowany sposób przezwyciężenia kruchości stopów z bizmutem polega na zastosowaniu wokół połączeń lutowanych wzmocnień polimerowych, takich jak materiały epoksydowe. De facto takie wzmocnienie polimerowe jest już stosowane w układach BGA i innych elementach układu Area Array w postaci underfill, stosowanych na poziomie płytki. Wypełnienia dozowane są po lutowaniu rozpływowym w miejscach, w których znajdują się układy BGA, a następnie są utwardzane. Te dwa dodatkowe etapy - dozowanie i utwardzanie - niekorzystnie wpływają na czas procesu (co ma szczególne znaczenie w przypadku dużych serii elektroniki konsumenckiej), jak również wymagają zużycia dodatkowej ilości energii na utwardzenie, dlatego też firmy niechętnie korzystają z tych rozwiązań. Co więcej, wypełnienia underfill mają zastosowanie głównie w stosunku komponentów typu area array i wzmacniają de facto jedynie część połączeń lutowanych na PCB, podczas gdy połączenia lutowane innych komponentów również wymagają wzmocnienia w przypadku stosowania past lutowniczych na bazie BiSn.

Alternatywną opcją opartą na polimerach jest zastosowanie niskotemperaturowych past wzmacnianych (joint reinforced pastes, JRP). Są to pasty lutownicze zawierające nieutwardzoną żywicę. Podczas procesu rozpływu, gdy pasta lutownicza topi się, żywica ta jest wypierana ze stopionego materiału lutowia i pokrywa zewnętrznie stopiony lut. W miarę następowania kolejnych etapów lutowania rozpływowego żywica zaczyna utwardzać się. Ostatecznie, po zakończeniu procesu rozpływu, utwardzona żywica tworzy zaokrąglone umocnienie wokół połączeń lutowanych, zapewniając niezbędne wzmocnienie mechaniczne.

Artykuł Mechanical Shock and Drop Reliability Evaluation of the BGA Solder Joint Stack-Ups, opracowany wspólnie przez kilku specjalistów Intel, analizuje odporność na wstrząsy mechaniczne i odporność na upadki złączy lutowniczych BGA Flip Chip SnAgCu, lutowanych za pomocą BiSnAg (BSA) i past lutowniczych BiSn wzmocnionych żywicą (JRP). Dane pozyskane w trakcie testów zostały porównane z danymi uzyskanymi dla złączy lutowniczych ball Flip Chip BGA, wykonanych za pomocą standardowej pasty lutowniczej SAC, ze wzmocnieniem klejem na poziomie płytki lub bez.

Artykuł szczegółowo opisuje profil lutowania rozpływowego, kształt uzyskanego złącza lutowniczego, mikrostruktura, morfologia i przypadki uszkodzeń. Na podstawie analizy defektów zarejestrowanych po wstrząsie mechanicznym, autorzy wskazali na porównywalną wydajność past JRP i SAC305 oraz mniejszą odporność na wstrząsy past BSA. Luty wykonane za pomocą BSA wykazywały większą propagację uszkodzeń w dodatkowych lokalizacjach obudowy, podczas gdy wyprowadzenia lutowane SAC305 i JRP nie wykazywały dodatkowych uszkodzeń w innych lokalizacjach opakowania poza dwoma pierwszymi rzędami w rogach obudowy.

Wyniki past BSA uległy znacznej poprawie po dodaniu w narożnikach wzmocnień kleju w kształcie litery L na wszystkich czterech rogach obudowy. W związku z tym, autorzy artykułu stwierdzili, iż obydwa produkty JRP, tj. kleje na poziomie płytki i polimerowe pasty wzmacniające, wykazały obiecujące wyniki w zakresie poprawy właściwości mechanicznych połączeń utworzonych przez pasty BSA.

Żródło: Mechanical Shock and Drop Reliability Evaluation of the BGA Solder Joint Stack-Ups © Intel

Autorzy: Olivia H. Chen, Al Molina,  Raiyo Aspandiar, Kevin Byrd, Scott Mokler, Kok Kwan Tang