Rendimiento en la formación de huecos (voids) con pastas de soldadura con contenido de aleaciones de SAC modificado para aplicaciones automotrices en ensamblajes de componentes terminados por la parte inferior

Autores: Brook Sandy-Smith.

Resumen:

La formación de huecos (voids) es una preocupación clave en los componentes con planos térmicos debido a que las interrupciones en la continuidad del eje Z de la union de soldadura reduce la transferencia térmica. Al ensamblar componentes con soldadura en pasta, hay una gran propensión a la formación de huecos (voids) debido a la naturaleza confinada de los depósitos de pasta de soldadura debajo del componente. Una vez sometidos a reflujo, muchos factores contribuyen con la cantidad de vacíos en una union de soldadura, como el perfil de reflujo, los diseños del componente, la tarjeta y el esténcil y los factores materiales. Este estudio se centrará en la combinación de aleaciones de pasta de soldadura y flux, así como en el perfil y los acabados de superficie de la tarjeta.

En la última década, se han desarrollado varias aleaciones para mejorar el rendimiento en entornos de altas temperaturas y la confiabilidad en las pruebas de ciclos térmicos. Estas aleaciones normalmente consisten en SnAgCu, con elementos adicionales como Sb y Bi para modificar el rendimiento. Uno de los mayores obstáculos para la adopción de estas aleaciones ha sido los altos niveles de formación de huecos (voids). En documentos anteriores, se ha explorado el efecto de las modificaciones de proceso y esténcil en una o más de estas aleaciones¹.

Las pastas de soldadura incluyen varias aleaciones dentro del rango de las composiciones sugeridas para aplicaciones automotrices, en combinación con diferentes fluxes de pastas. Los resultados compararán la formación de huecos (voids) en diferentes aleaciones y acabados de superficie de tarjeta comunes.

Palabras Claves: formación de huecos (voids) en QFN, acabado de superficie, OSP, ENIG

Introducción

El desafío de ensamblar componentes terminados por la parte inferior (BTCs)

La formación de huecos (voids) en los BTC es un desafío para la industria de la electrónica. Actualmente, los ensambles comunes requieren un gran número de QFN. Estos ensamblajes a menudo incluyen varios tipos diferentes de BTC. Estos componentes tienen terminaciones planas con un acabado de superficie en la parte inferior del componente, con frecuencia sin exposición de cables o union de soldadura. Usualmente, el centro del componente tiene una almohadilla de tierra térmica grande con contactos (pads) de señal adicionales alrededor del perímetro. La prueba del ensamble inicial garantizará la continuidad de los contactos (pads) de señal, pero en algunos casos, no evita las fallas en campo. Estas se pueden atribuir a una mala conductividad térmica en el centro de la union de soldadura, que provoca sobrecalentamiento y agrietamiento del chip. Una mala conductividad térmica da como resultado discontinuidad en el eje Z de la union de soldadura debido a los huecos (voids) existentes en esta.

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La inspección de los BTC puede ser desafiante debido a que hay union ocultas que requieren escaneo por rayos X de los ensambles. Las imágenes de rayos X dan una vista bidimensional del componente y designan las áreas de baja densidad con un contraste más ligero (Figura 1). A continuación, se usa software para cuantificar el porcentaje del área que muestra huecos (voids), el tamaño del hueco (voids) mayor y el número total de huecos (voids). También es importante observar las imágenes del perímetro de las juntas de soldadura, ya que se pueden detectar puentes y diferentes formas pueden indicar, a veces, variaciones en la coplanaridad de los componentes.

Optimizar un proceso de ensamblaje para minimizar la formación de huecos (voids) requerirá observar con mayor detalle muchos de los aspectos del ensamblaje. No se logra fácilmente una formación de huecos (voids) mínima al cambiar una parte del proceso o cambiando únicamente los materiales de soldadura. Se han investigado muchos escenarios diferentes de ensamblaje en los que la formación de huecos (voids) ha jugado un papel importante en las fallas. Los factores que contribuyen son varios y se agrupan en tres tipos: diseño, proceso y material. La Figura 2 muestra algunos ejemplos de variables críticas que se deben considerar en los esfuerzos de optimizar el rendimiento.

Hay dos mecanismos principales que contribuyen a la formación de huecos (voids): un pobre mojado y la retencion de compuestos volátiles. Primero, las áreas que no permiten que la soldadura se un pobre mojado bien provocarán inconsistencia en la formación de union de soldadura e incrementarán la probabilidad de formación de huecos (voids). Una mala un pobre mojado es provocada a menudo por el deterioro de las superficies de los componentes y las almohadillas. Los acabados de superficie protegen las almohadillas de cobre de la oxidación al contacto con el aire. También sirven como barrera para la formación de union de soldadura debido a que el flux o el metal deben formar un enlace a pesar de la presencia de un acabado de superficie. De esta forma, los acabados de superficie pueden variar en gran medida en cuanto a su impacto en la formación de huecos (voids). El flux de pasta de soldadura funciona para eliminar los óxidos y mejorar el mojado.

La retencion de compuestos volátiles, el segundo mecanismo, es particularmente desafiante en los BTC debido a la amplia área cubierta y a la baja separación entre los componentes y la tarjeta. Durante el reflujo, los materiales de la tarjeta y la soldadura que contienen componentes volátiles se desgasificarán. Estos gases se escapan libremente alrededor de otros componentes debido a que no están restringidos por los espacios reducidos encontrados en los BTC. Una vez que el reflujo alcanza el estado líquido y las aleaciones de soldadura se funden para formar la union de soldadura, cualquier gas que quede atrapado puede formar burbujas. Muchas de estas burbujas son forzadas a escapar por la tensión superficial de la soldadura líquida, pero aquellas que no escapan antes de que la aleación se solidifique estarán presentes en la junta de soldadura en forma de huecos (voids).

Al enfocarse en la formación de huecos (voids), es fácil perder de vista el factor más crítico en el ensamblaje de BTC: la altura de separación. Los fabricantes de componentes recomiendan una determinada cantidad de separación ofrecida por la union de soldadura. Los fabricantes de componentes recomiendan que la separación mínima aceptable es de aproximadamente 50 micras. Esto generalmente se determina mediante análisis destructivo, como el seccionamiento transversal y mediante el uso de imágenes SEM para medición. Algunos equipos de rayos X ahora pueden producir análisis topográfico que puede detectar la altura y la coplanaridad. Si la union de soldadura no alcanza el espesor mínimo, no habrá soldadura suficiente para rellenar el espacio huecos (voids) para las diferencias del coeficiente de expansión térmica (CTE, por sus siglas en inglés) entre la tarjeta y el componente. Esto puede ocasionar fallas funcionales adicionales escasamente relacionadas con la formación de huecos (voids).

Las uniones de soldadura con suficiente separación han demostrado un rendimiento aceptable en pruebas de vida útil aceleradas con una formación de vacíos de hasta el 50 %². Esto no toma en consideración la carga térmica requerida para que el componente funcione de manera óptima, pero demuestra la naturaleza resistente de las uniones de soldadura asociadas con los BTC.

Este estudio abordará el impacto de algunos de los factores en la Figura 2: acabado de superficie, selección del material de la pasta de soldadura y diseño del componente/esténcil.

Diseño experimental

Se diseñó una nueva tarjeta de prueba para incluir solo componentes QFN. Los dos diseños del componente tienen las mismas dimensiones, pero la principal diferencia es el tamaño de la almohadilla térmica central. La Figura 3 muestra los dos diseños. Se llenaron solo cinco de las nueve posibles ubicaciones del componente. Por lo tanto, el diseño del esténcil está expuesto. El diseño J tiene una almohadilla térmica central, pero más paneles de ventanas en el diseño del esténcil. El diseño B tiene un diseño de cuatro cuadrantes, por lo que se puede depositar una mayor cantidad de pasta de soldadura de manera proporcional.

Estos diseños de tarjetas se solicitaron al mismo fabricante de tarjetas en cuatro acabados de superficie diferentes: plata (Ag) de inmersión, estaño (Sn) de inmersión, conservador de soldabilidad orgánica convencional (OSP, por sus siglas en inglés) y oro de inmersión de níquel sin electro (ENIG, por sus siglas en inglés). Para someter a prueba el impacto de la oxidación después de varios procesos de reflujo, se oxidaron algunas tarjetas completando dos reflujos antes de imprimir y de la colocación del componente, siempre con el perfil en la Figura 4.

En este estudio, se sometieron a prueba tres aleaciones: SAC305 y dos aleaciones modificadas de SnAgCu promocionadas para aplicaciones automotrices, a la que se hace referencia como aleación auto 1, que exhibe la composición 90.95Sn/3.8Ag/0.7Cu/3Bi/1.4Sb/0.15Ni y aleación auto 2, que es similar, pero sin níquel. Se probaron las tres aleaciones en forma de soldadura en pasta usando el mismo vehículo flux ROL0, que no requiere limpieza y no contiene halógeno (pasta A). También se probó la pasta A con aleación auto 1 al principio y al final de su vida util (shelf life) de un año en refrigeración para evaluar el efecto del envejecimiento de la pasta. Para investigar el efecto potencial del vehículo flux en el rendimiento de la formación de huecos (voids), se probaron otras dos pastas con la aleación auto 1: una pasta de soldadura ROL1 que no requiere limpieza, y una pasta de soldadura en desarrollo ROL0 diseñada para reducir la formación de vacíos. Se usó el mismo perfil de reflujo con un pico de 243 °C y alrededor de 60 segundos por encima del estado líquido para todas las tarjetas, lo que se muestra en la Figura 4.

Resultados y análisis

Se midieron todos los componentes para determinar el porcentaje de formación de huecos (voids) total y el porcentaje del hueco (void) mayor mediante análisis con rayos X. Los resultados se muestran usualmente en una gráfica de variabilidad que muestra la dispersión de todos los puntos por categorías. Con frecuencia, se agrega una representación del promedio y de la distribución, tal como una representación gráfica de diamantes. Las barras de cuantiles y la media de grupo también ayudan a establecer una comparación con la media.

En primer lugar, consideremos el efecto de únicamente el acabado de superficie de la tarjeta. Los resultados de la pasta A con la aleación auto 1 para todos los acabados de superficie, incluidas las condiciones de nueva y oxidada, se muestran en la Figura 5. Todos los porcentajes de formación total de huecos (voids) tienen menos del 10 % de desviación estándar y hay poca diferencia entre las condiciones de nueva (F) y oxidada (O). La diferencia entre los acabados de superficie es pequeña, menos del 5 % respecto de la media del conjunto total de datos. Los resultados para el porcentaje máximo de huecos (voids) muestran que hay algunos valores atípicos con un gran hueco (void). Los puntos de datos más altos no parecen ser preferenciales para un acabado de superficie. Esto puede indicar que las variaciones en otra característica, como el acabado del componente o la limpieza, también pueden desempeñar un papel importante.

La Figura 5b resume los mismos datos que la Figura 5A e indica con mayor claridad que el acabado OSP muestra el menor promedio de formación de huecos (voids). También verifica que hay poca diferencia entre las tarjetas nuevas y las tarjetas que ya se han oxidado a través de los ciclos de los dos reflujos.

Las tarjetas de prueba se ensamblaron con la misma pasta de soldadura al final de su vida util (shelf life) de un año en refrigeración. Las distribuciones que se muestran en la Figura 6 son ligeramente diferentes. La pasta al final de su vida (shelf life) util tiene una media y una variante ligeramente mayores, pero también tiene algunos de los componentes de formación de huecos (voids) más bajos del conjunto de datos. La variación aquí es similar a la variación observada entre cualquiera de los dos conjuntos de datos de formación de vacíos en QFN.

A continuación, consideremos el efecto de la aleación de soldadura. Las tres pastas contienen el vehículo flux de pasta A y el polvo tipo 4 al mismo nivel de carga de metal. La Figura 7 también muestra poca diferencia entre las tarjetas nuevas y las oxidadas, con una pequeña diferencia en los promedios. Cabe observar que el conjunto de datos para la aleación auto 1 tiene más puntos de datos debido a que se ensamblaron tarjetas adicionales.

Para investigar el efecto de los diferentes fluxes en la formación de vacíos, se mezclaron tres vehículos fluxes diferentes con la aleación auto 1 y el polvo tipo 4 a diferentes cargas de metal para ajustarse a la misma viscosidad. Los resultados promedio de la Figura 8 muestran una tendencia a la formación de huecos (voids) ligeramente menor para la pasta C ROL0 experimental (mostrada en la gráfica superior en naranja) y una variación ligeramente mayor en los resultados con la pasta B ROL1. Las tendencias relacionadas con el acabado de superficie de la tarjeta parecen trasladarse a los diferentes fluxes de pasta.

Por último, consideremos el efecto del diseño del componente, según se muestra en la Figura 9. Cabe notar que el diseño del esténcil para el componente J contribuye a que haya un menor volumen de soldadura en la junta de soldadura. Se ha demostrado que esta falta de volumen de soldadura incrementa el porcentaje de formación de vacíos y contribuye a una altura de separación insuficiente debido a que no hay suficiente volumen de soldadura para llenar el espacio geométrico vacío debajo del componente.

Resumen/conclusiones

Este estudio se propuso investigar el impacto de huecos (voids) factores diferentes en la formación de huecos (voids), a saber, los acabados de la superficie de la tarjeta de prueba, la oxidación de la tarjeta, la selección de la aleación de soldadura, el flux de pasta, el envejecimiento de la pasta y el diseño del componente/patrón del esténcil. Cada uno de estos factores mostró alguna diferencia en la formación de huecos (voids) media general, pero todas las diferencias fueron muy pequeñas en comparación con la variación en los conjuntos de datos. Los valores de formación de huecos (voids) también fueron altos en comparación con los valores típicos de menos del 20 % para estos materiales de soldadura en otras tarjetas de prueba. Esto indica que el diseño de la tarjeta de prueba se puede mejorar para producir menores porcentajes totales de formación de huecos (voids). Para fines comparativos, estas tarjetas de prueba se pueden utilizar para demostrar la forma en que las variaciones en los materiales y el proceso afectan el diseño en el caso más desfavorable.

No se apoyó ninguna hipótesis acerca de cuál acabado de superficie o cuál aleación tendría un mejor rendimiento. El acabado OSP mostró sistemáticamente menores resultados de formación de huecos (voids), tanto con la tarjeta nueva como con la oxidada, mientras que el acabado ENIG, que normalmente se considera como el mejor inhibidor de corrosión, mostró mayores resultados de formación de huecos (voids). La tendencia en los acabados de superficie de la tarjeta también se puede atribuir a la forma en que son aplicados, más que a la naturaleza del acabado de superficie exclusivamente.

Las comparaciones de los materiales mostró que el flux en desarrollo sí exhibió una ligera mejora en la formación de huecos (voids) en general, pero la aleación tuvo un efecto menor. La pasta de soldadura envejecida más allá de su vida util (shelf life) mostró un porcentaje de formación de huecos (voids) ligeramente superior, pero dentro de un rango que podría atribuirse a la variación normal. Esto brinda confianza en el sentido de que el envejecimiento de la pasta tiene escaso efecto en la formación de huecos (voids), aunque esto podría cambiar en función del vehículo flux.

Agradecimientos:

Gracias a John Russo en la compañía por su ayuda para preparar todas las tarjetas de prueba y a STI Electronics por el análisis de rayos X.

Referencias:

1. Sandy-Smith, How Stencil Design and Reflow Profiles
   Affect Variation in QFN Voiding Data: Caso de estudio,
   SMTA ICSR 2016.
2. Hillman, BTC Voiding: Component and Solder Joint
   Reliability, SMTAi 2016.

Presentado originalmente en APEX 2017, febrero de 2017,
San Diego, California.