Во время отладки печи оплавления мы обнаружили, что процент разрушения партии резисторов 0201 внезапно вырос до 3,7%. Одновременно под микроскопом наблюдалось почернение по краям соединений паяльной пасты и аномальное увеличение угла смачивания. Дальнейшие измерения показали, что фактическая пиковая температура была на 23°C выше заданного значения. Номинальный предел допуска этой паяльной пасты составляет 245°C, тогда как самая высокая точка в реальной камере печи достигает 268°C. Это указывает на то, что отклонение в положении крепления термопары или старение термопары типа К после длительного использования вызвало серьезное отставание в обратной связи по температуре.
Когда паяльная паста превышает рекомендуемую пиковую температуру более чем на 5°C в течение времени, превышающего 8 секунд, карбонизация остатков флюса усиливается. Это не только ослабляет поверхностное натяжение, что приводит к разрушению паяльной пасты, но также препятствует металлургическому соединению между расплавленным припоем и медным слоем контактной площадки. На этом этапе даже сокращение времени оплавления не может исправить неконтролируемую толщину слоя IMC паяного соединения. Однажды мы проверили это на поперечном сечении FIB: при пиковой температуре 265°C толщина слоя Cu6Sn5 была в 1,8 раза больше, чем при условии 240°C, что непосредственно снижало прочность соединения на сдвиг на 42%.
Если производственная линия не повторно запускает температурный профиль после перехода на новую модель паяльной пасты, весьма вероятны ошибочные оценки из-за различий в температурах плавления сплавов и температурах активации паяльных паст разных марок. Например, на одном утреннем совещании выяснилось, что спецификация была заменена на содержащую висмут паяльную пасту с низким содержанием серебра, однако первоначальный высокотемпературный профиль все еще использовался. В результате в трех последовательных партиях наблюдалось чрезмерное количество пустот в шариках припоя BGA и нижней части QFN. Основная причина заключалась в том, что температура ликвидуса этой паяльной пасты составляла всего 217°C, но первоначальный пик профиля был установлен на уровне 250°C, что приводило к длительному перегреву и окислению соединений паяльной пасты.
Плохая однородность температуры внутри духовки также является скрытым способствующим фактором. Когда разница температур между центром и краем конвейерной дорожки превышает ±5°C, происходит неравномерный нагрев двусторонних устройств смешанного монтажа на одной и той же плате. Например, на корневых штифтах больших пакетов QFP часто образуются микротрещины из-за местного перегрева, в то время как соседние пакеты SOP с мелким шагом демонстрируют плохое смачивание из-за недостаточного поглощения тепла. Это явление особенно выражено в печах оплавления, в которых используется комбинированная система нагрева инфракрасным излучением и горячим воздухом. За каждую смену необходимо измерять не менее 5 точек сечения многоканальным термометром.
Мы рассмотрели случай, когда испытания соединения паяльной пасты на растяжение не удались в течение пяти дней подряд. Окончательная основная причина была определена как снижение концентрации защиты азота с 99,95% до 99,2%. Хотя сигнал тревоги не сработал, повышенное содержание кислорода вызвало быстрое окисление паяльной пасты в высокотемпературной зоне, что привело к дисбалансу поверхностного натяжения расплава. Это препятствовало достаточному растеканию припоя, и вместо этого он сжимался на этапе охлаждения, разрывая структуру соединения. Такое повреждение трудно идентифицировать с помощью АОИ; только рентгеновское или металлографическое поперечное сечение может подтвердить внутренние пустоты и морфологию перелома IMC.
