Pustki w połączeniach lutowanych - rodzaje, przyczyny i rozwiązania

Wprowadzenie

Pustki (ang. voids) w połączeniach lutowanych to zjawisko obecne w przemyśle elektronicznym od samego początku tej branży. Niektóre rodzaje pustek występują często i są w wielu zastosowaniach uważane za dopuszczalne. Istnieją jednak także pustki, których obecność jest niepożądana, ponieważ mogą one obniżać niezawodność połączenia lutowanego. Wiele zależy zatem od rodzaju pustek, ich lokalizacji oraz oczywiście od zastosowania urządzenia elektronicznego. Niektóre branże z grupy ADHP (Aerospace, Defense, High Performance) przywiązują dużą wagę do zjawiska pustek w lutowiu i dążą do ich znaczącej redukcji.

Przykładowa pustka procesowa (duża) widoczna w przekroju przez połączenie lutowane. Obraz z mikroskopu SEM:

oraz przykładowe pustki widoczne w obrazie rentgenowskim (X-ray) połączeń lutowannych układu BGA:

Ten artykuł przedstawia rodzaje pustek w lutowiu, przyczyny ich powstawania oraz wymagania popularnych standardów IPC w tym zakresie. Zapraszam do lektury..

Pustki procesowe

Pustki procesowe to zazwyczaj owalne, losowo rozłożone pustki w obszarze lutowia, zwykle umiejscowione bliżej środkowej części złącza. Te pustki są widoczne w standardowym x-ray. Typowa średnica mieści się w zakresie 50-300µm co jest określane jako "makrovoids", natomiast pustki mniejsze niż 50µm klasyfikuje się jako "mikrovoids" (mikro-pustki).

Przyczyny: Pustki procesowe są związane z procesem lutowania lub wilgocią w materiale. Powstają wtedy, kiedy lotne produkty rozkładu topnika nie zdążą się wydostać ze stygnącego stopu. Drugim źródłem pustek jest wilgoć uwięziona w paście lub samym laminacie (PCB), która wydobywa się w czasie lutowania.

Rozwiązania: Optymalizacja profilu lutowania SMT (dłuższy soak do odprowadzenia lotnych związków z topnika, odpowiednio dobrany TAL). Stosowanie pasty SMT "low-voiding". Przeprowadzenie procesu lutowania w piecu z podciśnieniem lub próżnią. Stosowane atmosfery azotowej (N₂). Odpowiedni projekt apertur szablonu (np. segmentacja dużych padów) itp.

Kryteria akceptacji: Standardy IPC takie jak: IPC J-STD-001, IPC-A-610, IPC-7095 określają maksymalny limit pustek w połączeniach BGA (kulki opadające) jako maksimum 30% powierzchni obrazu x-ray kulki[1,2,3]. Ustalono także wymagania dla pola termicznego połączenia BTC (np. QFN), gdzie pustki do 50% powierzchni są uznane za stan dopuszczalny wg IPC, dla każdej klasy produktu[2,3].

Pustki "via-in-pad"

Pustki typu via-in-pad mogą wystąpić wtedy, gdy mikroprzelotki są umiejscowione w polu lutowniczym (pad), czyli jest to rozwiązanie "via-in-pad". W takim przypadku pustka lokalizuje się bezpośrednio nad przelotką. Sytuację tę najczęściej spotyka się w montażu układów BGA, gdzie mikroprzelotka jest połączona z polem SMT danego układu.

Przyczyny: W projektach PCB wykorzystujących mikroprzelotki w padach - pustki mogą powstawać na skutek wydzielania się gazów pochodzących z topnika, wilgoci oraz powietrza uwięzionego w samej mikroprzelotce.

Rozwiązania: Unikanie mikroprzelotek w padach (jeżeli jest to możliwe), lub stosowanie przelotek wypełnionych i pokrytych miedzią (tzw. typ VII wg IPC-4761).

Kryteria akceptacji: Pustki spowodowane przez przelotkę są klasyfikowane jako "design induced" co można przetłumaczyć jako "spowodowane przez projekt". W takim przypadku standard IPC-A-610 nie określa limitów akceptacji i pozostawia tę kwestię do uzgodnienia między klientem a dostawcą (użytkownikiem a producentem)[3].

Pustki skurczowe

Pustki skurczowe (ang. shrinkage voids) to nieregularne zagłębienia powierzchniowe penetrujące w głąb lutowiny, często o nieregularnym kształcie. Uważa się, że zjawisko to nie wpływa na jakość i niezawodność połączeń lutowanych.

Przyczyny: Nierównomierne kurczenie się stopu bezołowiowego w trakcie krzepnięcia. Zjawisko jest powiązane z rodzajem stopu, czyli jego składem chemicznym. Drugi ważny aspekt to tempo krzepnięcia, które zależy od ilości stygnącej lutowiny, rozmiaru pól lutowniczych oraz parametrów procesu - w szczególności ustawionej szybkości chłodzenia.

Rozwiązania: Zjawisko ma charakter kosmetyczny i nie jest uważane za wadę w przemyśle. Jego minimalizacja może być osiągnięta przez zmianę stopu bezołowiowego nieeutektycznego (np. SAC305) na stop zbliżony do eutektycznego (np. SAC387). Pomocna może być również zmiana geometrii pól lutowniczych lub redukcja szybkości chłodzenia PCB w procesie lutowania.

Kryteria akceptacji: Standard IPC-A-610 klasyfikuje to zjawisko jako stan dopuszczalny dla wszystkich klas produktów IPC czyli dla klasy 1, 2 oraz 3[3].

Mikropustki w intermetaliku

Sub-mikronowe pustki w obszarze warstwy intermetalicznej (ang. IMC micro-voids) to mikroskopijne puste obszary powstające w warstwie intermetalika lub na jej granicy. Wyróżnia się dwie sytuacje o odmiennej genezie. Pierwsza to pustki Kirkendalla - pustki submikronowe zlokalizowane na granicy Cu/Cu₃Sn oraz w samej warstwie Cu₃Sn[5]. Druga to pustki występujące w obszarze intermetalika, których przyczyną nie jest efekt Kirkendalla, lecz wtrącenia (zanieczyszczenia organiczne) wprowadzone do miedzi w procesie galwanicznym[4].

Przyczyny: Pierwsza przyczyna to Efekt Kirkendalla (mechanizm dyfuzyjny): Formowanie się faz międzymetalicznych z niepodobnych metali (miedzi i cyny) wiąże się z dyfuzją atomów przebiegającą z różnymi prędkościami. Atomy miedzi migrują szybciej niż atomy cyny, co prowadzi do powstawania submikronowych pustek po stronie miedzi - na granicy Cu/Cu₃Sn oraz w warstwie Cu₃Sn. Zjawisko to nasila się w podwyższonej temperaturze pracy lub przechowywania, która przyspiesza dyfuzję. Jeżeli liczba tych pustek znacząco wzrośnie, może to negatywnie wpływać na niezawodność połączenia lutowanego przy obciążeniach mechanicznych (np. udar mechaniczny, drop test)[1]. Drugim niezależnym od dyfuzji źródłem mikropustek w obszarze intermetalika są zanieczyszczenia organiczne uwięzione w miedzi podczas galwanizacji[4].

Rozwiązania: Dla pustek o genezie dyfuzyjnej (Kirkendall): domieszkowanie stopu lutowniczego dodatkowymi pierwiastkami (np. Zn i innymi)[1,5] oraz zastosowanie bariery niklowej, czyli dobór płytek z pokryciem pól PCB takim jak ENIG. Dla pustek o genezie zanieczyszczeniowej: zapewnienie czystego i stabilnego procesu galwanicznego miedzi u dostawcy PCB (wysoka czystość Cu, kontrola zanieczyszczeń organicznych).

Kryteria akceptacji: Standardy akceptacji IPC (IPC-A-610, J-STD-001) nie definiują limitów dla tego typu mikropustek.

Mikropustki pinhole

Mikropustki o rozmiarach mikrometrowych zlokalizowane wewnątrz warstwy intermetalicznej, na granicy intermetaliku i miedzianego pola lutowniczego, lub w pobliżu warstwy IMC po stronie lutowiny[4].

Przyczyny: Niestabilny proces galwaniczny u producenta płytek PCB. Defekty i zanieczyszczenia wprowadzone do powłoki miedzianego pola lutowniczego podczas takiej metalizacji ujawniają się w procesie lutowania, kiedy ciekły stop tworzy z miedzią warstwę intermetaliczną. Wtedy lokalne defekty powłoki pozostają jako mikropustki wewnątrz lub na granicy intermetalika[4].

Rozwiązania: Zapewnienie stabilnego, kontrolowanego procesu galwanicznego oraz wysokiej czystości pól lutowniczych u dostawcy PCB.

Kryteria akceptacji: Standardy akceptacji IPC (IPC-A-610, J-STD-001) nie definiują limitów dla tego typu mikropustek.

Mikropustki planarne

Mikropustki planarne (ang. champagne voids, planar microvoids) to skupiska bardzo drobnych pęcherzyków (<20µm)[4] leżących w jednej płaszczyźnie na granicy cyna - pad PCB lub cyna - wyprowadzenie komponentu. Pustki przypominają bąbelki szampana, stąd spotykane jest także określenie "champagne voids". Jeżeli pustki tego typu występują w dużej liczbie w danej płaszczyźnie, może to negatywnie wpływać na niezawodność połączenia lutowanego. Te drobne pustki nie są widoczne w standardowej analizie rentgenowskiej 2D z uwagi na ograniczoną rozdzielczość sprzetu.

Przyczyny: Zjawisko jest najczęściej wiązane z anomaliami procesu pokrywania: metalizowania, galwanizowania wyprowadzeń komponentów oraz pól PCB. W przeszłości pokrycie pól PCB srebrem chemicznym było podejrzewane o sprzyjanie powstawaniu tego typu pustek, jednak obecnie dzięki odpowiedniej chemii procesu srebrzenia ryzyko to zostało ograniczone[1].

Rozwiązania: Optymalizacja procesów pokrywania wyprowadzeń komponentów oraz pól PCB. Zapewnienie wysokiej czystości wyprowadzeń i pól PCB.

Kryteria akceptacji: Standardy przemysłowe takie jak IPC-A-610 i J-STD-001 nie definiują limitów akceptacji dla tego typu pustek.

Podsumowanie

Pustki w połączeniach lutowanych to niepożądane zjawisko w procesie lutowania. Niektóre z nich, takie jak pustki procesowe (macrovoids), są w szerokim zakresie dopuszczalne w aplikacjach konsumenckich i wielu zastosowaniach profesjonalnych. W rozwiązaniach o wysokiej niezawodności niektóre pustki procesowe mogą być jednak postrzegane jako zagrożenie dla niezawodności.

Paradoksalnie, pustki mogące realnie zagrażać niezawodności połączeń lutowanych to wcale nie te duże, procesowe pęcherze łatwo widoczne w obrazie rentgenowskim (X-ray), lecz drobne mikropustki w pobliżu wyprowadzeń lub wręcz na granicy i w środku warstwy intermetalika. W aplikacjach o wysokiej niezawodności należy zatem dołożyć wszelkich starań, aby ryzyko wystąpienia tego rodzaju pustek minimalizować. Pierwszoplanową rolę odgrywa tu dobór materiałów: stopu lutowniczego, pokryć pól PCB i wyprowadzeń komponentów. Drugi ważny aspekt to odpowiednia kontrola procesu, a także monitorowanie jakości połączeń lutowanych poprzez badanie zgładów metalograficznych z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM).