Основные платы управления базовых станций связи 5G и основные силовые платы промышленных и коммерческих систем хранения энергии предъявляют строгие требования к долгосрочной надежности пайки BGA. В таких материнских платах обычно используются крупногабаритные микросхемы FPGA и SoC с высокой плотностью ввода-вывода, чьи шарики припоя BGA в основном доступны в двух спецификациях диаметром 0,3 мм и 0,4 мм, а подложки в основном изготовлены из материалов с высокой ТГ и имеют более 6 слоев. Проблема несоответствия коэффициента теплового расширения более заметна, чем у потребительских материнских плат. Если пиковое отклонение температуры пайки оплавлением превышает ±3 ℃ или колебание времени над ликвидусом превышает 15 секунд, это легко приведет к микротрещинам в паяных соединениях или неравномерному росту интерфейсного слоя IMC.
Отверстие трафарета должно соответствовать размеру шарика припоя и тенденции деформации подложки.
Для трафарета толщиной 0,12 мм, вырезанного лазером, который мы настроили для JiaJinYuan, коэффициент площади отверстия 92% принят для шариков припоя 0,3 мм, а коэффициент площади 88% используется для шариков припоя 0,4 мм. Форма отверстия равномерно закруглена, чтобы избежать образования острых углов. Во время печати необходимо синхронно отслеживать коробление печатной платы перед загрузкой. Если одностороннее коробление области BGA превышает 0,15 мм, линию необходимо немедленно остановить для замены материала; в противном случае скорость переноса паяльной пасты снизится более чем на 12 %, что приведет к появлению неприемлемых дефектов с долей пустот > 25 %, возникающих из-за недостаточного количества паяных соединений после оплавления.
Профиль пайки оплавлением должен динамически регулироваться в зависимости от толщины корпуса микросхемы.
Для устройств BGA основного управления накоплением энергии толщиной > 2,0 мм мы в обязательном порядке расширяем зону выдержки до 110 секунд, чтобы полностью активировать флюс и удалить внутреннюю влагу. Между тем, пиковая температура устанавливается на уровне 238 ℃ ± 2 ℃, а время выше точки ликвидуса контролируется на уровне 65 ± 5 секунд. Эта комбинация параметров постоянно проверялась на производственной линии JiaJinYuan для 37 партий плат, а процент пустот паяных соединений при выборочном рентгеновском контроле составляет <8%, что намного ниже верхнего предела в 25%, указанного в стандарте IPC-A-610G класса 3.
Проверка после пайки не может полагаться исключительно на AOI, но должна дополняться рентгеновской проверкой и проверкой поперечного сечения.
AOI совершенно неэффективен для паяных соединений нижней части BGA. Мы оговариваем, что первые пять плат каждой партии должны быть на 100% проверены рентгеновским аппаратом, уделяя особое внимание перемычкам и распределению пустот в угловых паяных соединениях. Если площадь пустот в одном паяном соединении превышает 15 %, необходимо просмотреть записи очистки трафарета и данные о давлении ракеля за предыдущие 3 часа. В то же время каждый месяц из двух плат массового производства случайным образом отбираются образцы металлографического сечения, чтобы подтвердить, стабильна ли толщина IMC в диапазоне 3,2～4,1 мкм. Как только оно превысит этот диапазон, значение компенсации термопары печи оплавления должно быть немедленно откалибровано.
Проверка долгосрочного старения — это не простая формальность, а фиксация границы отказа.
Мы сразу поместили всю машину без какого-либо ремонта после пайки в камеру с температурой окружающей среды 85 ℃ и относительной влажностью 85%, включили ее в непрерывное питание в течение 1000 часов, а затем разобрали устройства BGA. Интерфейс паяного соединения наблюдался с помощью SEM. Во всех образцах не было обнаружено аномального фазового превращения Cu6Sn5 в Cu3Sn, а также не наблюдалось признаков отслаивания между шариками припоя и контактными площадками. Это указывает на то, что текущий выбор паяльной пасты (SN100C+0,5%Ni), стратегия раскрытия трафарета и профиль оплавления JiaJinYuan сформировали согласование с обратной связью, которое действительно поддерживает 10-летний срок службы, необходимый для сценариев 5G и хранения энергии.
