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Denny Fritz关于弱界面和堆叠微孔的可靠性问题的演讲
  2020-12-01      84

本文由 I-CONNECT007的编辑 Happy Holden撰写

在IPC高可靠性论坛第一天,Denny Fritz的演讲主题是关于弱界面和堆叠微孔的可靠性问题。

Denny Fritz曾在MacDermid公司服务20年,在SAIC作为高级工程师工作12年后退休,负责支持位于美国印第安纳州Crane的海军水面作战中心。他于2012年入选IPC名人堂,目前是IPC名人堂委员会的主席。Denny曾在弱微孔团队工作数年,参与许多技术路线图的制定、如何制作更好的元件的各种活动和制定电路板制作的各种标准——特别是无铅电子产品风险管理(PERM)的标准。他目前是Fritz咨询公司的总裁和I-Connect007的专栏作者,他为“防务问题演讲解读”专栏撰写的文章针对涉及军用产品与防务产业的各个主题与应用 。

我整理了Denny演讲的重点内容,为了清晰起见,对笔录进行了略微编辑。

我们要明确的是,今天我们在这里探讨微孔问题的目的不是想吓跑新的电路板设计师。在制作微孔时,只要你按照IPC规定的测试方法进行操作,观察在测试中出现的各个具体情况,微孔仍然是电路板中的一种可靠的互连结构。不过,我们确实想提醒你在制作微孔时要警惕的一个问题就是它的可靠性问题,这个问题已经讨论了好几年,可能有10年之久。从我们听到的一些故事中,很多人以为只有他们的公司才有这种可靠性问题,直到他们和其他制作与使用微孔的公司进行交流后,才认识到微孔的可靠性是一个普遍存在的问题。我们正试图找出导致出现这种情况的根本原因,你能提供任何关于微孔的数据,我们肯定是欢迎的。如果你不愿意提供数据,请支持我们IPC团队的工作。我们目前的做法是通过设计参数等方法来减轻微孔问题。IPC的弱微孔团队不是来这里指定产品的可接受性测试方法,而是致力于解决弱微孔是怎样产生的这个问题,所以,你会在这个关于测试方法的演讲中获得很多信息。

我们的目标是让你了解出现弱微孔问题的背景,理解产生这个问题的原因,并且帮助指导各个公司和制造联盟努力寻找答案。这让你对被称为弱微孔小组的团队有所了解,特别是因为这是IPC和IMEC及ESA都参与的一个测试计划。

当然,我们关于这个微孔问题的概述会说明在制作微孔工艺中如何防止有问题的微孔逃过检测,要做到这一点,就要了解各种不同的微孔结构对生产能力和成品率的影响。目前,我们鼓励人们避免制作更高的微孔堆叠,所以,你将看到的是摩托罗拉公司制作的微孔堆叠,这是这家公司自己的产品所需要的堆叠。微孔测试方法中的IMEC测试分别是TM-650 2.6.26和2.6.27A;这两种测试在对多个模拟组件进行回流循环时对电阻进行连续监测。

微孔失效

当我第一次听到这个问题时,我想,“这只是一个常见的问题,不是微孔失效。”图1是大约10年前的幻灯片,这是一个微孔-焊盘堆叠的图像,这个堆叠中的微孔下面的焊盘没有经过良好的清洗,可以明显看出填充焊锡的微孔和焊盘之间是分离的;在这个横截面上,微孔-焊盘堆叠内部有一层没有焊锡连接是很明显的。我们今天遇到的问题不是这种简单的问题。

                                             

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图1:比较老的微孔失效是因为由于微孔所在的焊盘上有污染。

在图2中,放大200倍的微孔横截面来自Motorola Solutions公司,左边是一个没有经过抛光的三个堆叠微孔的横截面。右边是回流时的横截面,有一条很细小的微边,可以勉强看出来。在测试样品的时,你可看出这里有一条线,这条线是通过测量网路的电阻表现出来的。只用光学方法检查横截面时,这个堆叠的微孔可能就会通过检查。这是一个几乎看不出来的问题,正因为它难以捉摸,才是它困扰我们的原因。图3是使用测试装置查找这些问题的方法。

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图2:两个堆叠的微孔结构,左图是常见的微切片,看不出问题,与它对比的右图是经过回流的微切片,微孔的问题几乎看不出来。(来源:Motorola Solutions公司)。

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图3:三层微孔的两组热循环曲线,左边是3个堆叠微孔的热循环曲线,微孔温度上升到回流温度时开路,然后在冷却时闭合。右边是交错的堆叠,在回流时微孔连接没有开路或重新闭合。(来源: Motorola Solutions公司)。

图3是寻找这些弱微孔时使用测试装置得到的热循环曲线。左边的两个图是测试得到的热循环曲线。与热曲线对应的电阻是菊花链中包含的微孔截面的电阻。在进行第三个热循环时电阻无限增大,微孔开路。但是,你还可以看到,在所有的情况下微孔截面的电阻在每个热循环结束后回落。在这个摩托罗拉的微孔例子中,右边是包含交错微孔菊花链的热曲线,热循环并没有改变微孔菊花链的电阻,这些微孔是良好的。

对Raytheon公司提供的信息(图4)的进一步分析表明,没有任何一个界面一直都是有问题的。左边(a)是电极之间铜界面的断裂,中间(b)是焊盘所在位置没有电镀的铜层的断裂,右边(c)是没有电镀的铜和填料之间的界面断裂。在一个微孔堆叠上不是一定会发生断裂。尽管如此,你会发现在最深的微孔中的应力普遍最大。

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没有电镀铜的氧化区域,微孔的断裂向下延伸(a),向内延伸(b),向上延伸(c),这表明是晶粒的力学断裂。

所有堆叠的无电镀铜界面和层压板树脂内部的微孔都是“部分”断裂,这表明电路板各层Z轴方向所有各层的热膨胀应力基本上一样。

图4:堆叠微孔的力学晶粒断裂。(来源:Raytheon)。

产品发生开路故障的特点是,开路是间歇性的。它们在高温下比在低温下更容易开路,这种自愈效应是间歇性开路的真正原因。已完成的成品在贮存数周或数月后才出现故障;它在制造电路板时和最初的组装时都通过了测试,但在储存后可靠性就下降了。在所有开路故障中,现场使用后的开路故障的代价最大。这是一个不可预测的可靠性问题,必须解决。

表1是IPC弱微孔故障委员会的子团队的结构,其中的专业小组1A是模拟与建模小组。另外两个小组(1B和1D)用黄色表示,这是因为我们正在考虑将微孔失效的特征与测试方法团队和微孔设计要素团队合并为一个团队。这些专业团队中有层压板小组、化学工艺与冶金小组和电路板微孔整体成形小组,各个小组都在高效运作。在一年前,这个委员会成立之际,就试图收集关于微孔失效的现场数据,由于当时还没有现成的数据,委员会无所作为,暂停了这一活动。在我们概述的IPC测试计划被电子行业普遍接受,有了IPC测试数据之后,这一收集微孔失效现场数据的活动将重新激活。

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1IPC弱微孔故障委员会的各个子团队。

你也许会问,“是什么导致弱微孔?”图5是IPC的这些团队仅在组建两个月后共同提出的鱼骨图。你可以从图中看到,关于制作微孔涉及的材料、方法(工艺)、机器(设备与技术)、维护、测量技术和人力投入的信息都对弱微孔团队了解与微孔问题有关的各个方面做出贡献。导致弱微孔的原因是一个非常棘手的问题。对于测试微孔的各种设计,将所有这些原因分类排序将是一项巨大的任务。为确定与弱微孔界面有密切关系的各种原因,IPC团队审查了大量的信息,鱼骨图中列出的这些因素是他们努力工作两个月的成果。

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图5:了解与微孔界面连接弱有关的各个因素。

图6是来自IMEC和ESA测试,这些测试是内部评估的应力模拟。左上角是阶梯微孔。右上角是三层堆叠的微孔,左下角和右下角是半堆叠的“两层堆叠在一个上”或“一个在两层堆叠上” 的错位微孔。

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图6:用实际制作的微孔进行IMEC和ESA测试,模拟制作微孔时的热应力。

从图中可以看到,应力最大的情况是在三层堆叠的微孔。不幸的是,这种结构在电路板上占用的空间最少;从互连密度的角度看,这是最理想的,但也是最可能失效的微孔。图7中还有三层堆叠阶梯微孔和交错堆叠微孔的IMEC图形。他们发现,至少在我们的模拟中,交错堆叠微孔的应力略小于阶梯堆叠微孔。你会在未来的产品中看到这些设计中的大多数微孔堆叠。

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图7:改变微孔配置的效果表明,三层堆叠微孔的应力最大,交错堆叠微孔的应力最小。(来源:雷神公司)。

IPC选择的测试板来自ESA计划(图8)。测试板很像国际象棋的棋盘,IPC与IMEC和它的测试板制造商(在欧洲的CBF公司)签订了采购订单,测试板使用图8的菊花链设计。这种菊花链有六个不同的链,图9是菊花链在测试面板上的位置。

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图8:IPC可靠性测试的经过修改的ESA微孔测试板面板,面板使用日立公司的高tg层压板。(来源:IMEC)。

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图9:IPC测试板面板上四个测试样品的布局和微孔的数量。(来源:IMEC)

9IPC向欧盟制造商签订合同订购的测试板面板,这种面板是复制ESA的面板。

这些面板将用日立的679F层压板制作,它使用一种符合CB标准的环氧树脂,和北美制作的微孔结构非常相似。它使用四种不同的测试样品,具体是哪种样品取决于对D样品和对另外两种样品进行HATS分析的测试装置。CITC样品,可能还有TM和IST样品,是用IBM的旧方法开发的,由i-3加以改进的样品。

表2是摩托罗拉的结果。当摩托罗拉提出它的分类协议时,它出示了2014-2017年的成品率。有了这个分类协议,这些成品率的数字明显上升,他们认识到,在超过三层堆叠后会出现大量微孔失效,或者,有一种力在影响他们的测试结果。从提出这一分类协议开始,直到现在,摩托罗拉的微孔从未失效过。

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表2:从对每一种HDI结构类型的样品(含错位微孔的菊花链和含堆叠微孔的菊花链)进行回流测试以来各年的测试结果。

摩托罗拉的微孔从看好到不可接受,被看好的是交错的微孔,然后是两层堆叠的微孔,要小心的是两层堆叠或三层堆叠的结构。如果你需要三层堆叠的微孔,制作这种微孔需要管理层签字同意。

总之,堆叠的微孔甚至可能会有一些其他的金属界面断裂,特别是在回流和热循环模拟时。这种断裂引起的微孔失效程度是不可预见的,断裂的程度与我们今天正在做的事情有关,也和我们对微孔制作工艺的了解有关。像横截面目视检查这样的测试方法在检测微孔失效时的效果不佳。这种测试技术只是重复组装产品时的回流和回流时可能出现的问题。

T型测试是目前最广泛使用的设备。你可以将由于设计造成的失效最小化,我们的团队希望在一年内发布设计指南白皮书。除设计之外,微孔失效是不是有更多其他的原因?我们的行业在了解造成微孔失效的原因上目前受到诸多限制,不然,我们早就找到答案。

请大家理解我们的团队正在努力寻找这个问题的根本原因,已经进行了两年多。我们不是专门针对产品的可接受性。我们的目的是试图帮助IPC。我们当然想要更高的可靠性和高密度的结构,有四层堆叠或更多层堆叠的微孔。加入我们的工作团队并做出贡献吧。SMT007

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