VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav mikroelektroniky

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRN Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav mikroelektroniky Ing. Josef Šandera, Ph.D. Technologie a spolehlivost pájeného p ipojení elektronických modul a součástek pro povrchovou montáž Technology and reliability of solder connection electronic modules and compoments in surface mount assembly Zkrácená verse habilitační práce Brno 2010

Klíčová slova: Elektronický modul, elektronické spojení modul, 3D konstrukce, elektronické materiály, LTCC keramika, bezolovnaté (LF) pájky, elektronické technologie, zrychlené cyklování, termomechanické namáhání, únavové modely pájeného spoje, analýza FEA, cyklování pomocí Peltierových článk, identifikace poruch, pájení a spolehlivost čipových součástek. Key Words: Electronic module, electronic connection of modules, 3D construction, electronic materials, LTCC ceramic, lead-free solders, electronic technology, accelerated cycling, thermomechanical loading, fatigues models of solder joint, FEA analysis, cycling with Peltier elements, failure identification, soldering and reliability of chip components. Originál habilitační práce je dostupný na v deckém odd lení d kanátu FEKT VUT v Brn, Technická 10, 616 00, Brno Šandera Josef, 2010 ISBN 978-80-214-4221-4 ISSN 1213-418X

P EDSTAVENÍ AUTORA... 4 1 ÚVOD... 5 1.1 Konstrukce modul na úrovni desek elektroniky elektronické moduly... 5 2 POUŽÍVANÉ MATERIÁLY A TECHNOLOGIE... 6 3 TERMOMECHANICKÉ NAMÁHÁNÍ A SPOLEHLIVOST SPOJE... 6 3.1 Zrychlené zkoušky spolehlivosti ATC (Accelerated Thermal Cycling)... 7 3.2 Únavové modely a teorie pro mechanické poruchy pájeného spoje... 8 3.3 Darveauxova teorie vzniku poruchy (Darveaux s Theory)... 9 3.4 Stanovení životnosti pájeného spoje metodou konečných prvk (FEA)... 9 4 VÝSLEDKY VÝZKUMU V OBLASTI SPOJOVÁNÍ ČIPOVÝCH SOUČÁSTEK A ELEKTRONICKÝCH MODUL A ZJIŠ OVÁNÍ SPOLEHLIVOSTI SPOJENÍ... 11 4.1 Zjiš ování spolehlivosti pájeného spoje pro čipové součástky... 11 4.1.1 Shrnutí výsledk simulace... 14 4.1.2 M ení termomechanické spolehlivosti čipových součástek... 14 4.1.3 Shrnutí dosažených výsledk m ení... 22 4.2 P ipojení elektronických modul na základní desku a ešení 3D konstrukcí... 22 4.2.1 P ipojení modulu na základní desku pomocí čipových součástek (CwC-Connection with Components)... 23 4.3 M ení spolehlivosti propojení CwC... 24 4.4 M ení spolehlivosti navrhovaných spojení modul... 25 4.4.1 Vyhodnocování poruchy spoje... 25 4.4.2 Cyklovací za ízení... 26 4.5 Záv ry, které vyplývají z provád ných experiment... 28 5 SEZNAM LITERATURY POUŽITÉ V HABILITAČNÍ PRÁCI... 29 3

P EDSTAVENÍ AUTORA Josef Šandera (1951) V roce 1976 absolvoval Vysoké učení technické Brno, fakultu elektrotechnickou, obor elektrotechnologie. Po jejím dokončení pracoval jako vývojový pracovník v závodu Metra Blansko, závod Brno, pozd ji ZPA Brno v oblasti programování mikropočítač, pozd ji d lal vedoucího odd lení racionalizace v témže podniku. Poté pracoval dva roky ve Výzkumném ústavu m ící techniky v Brn. Od roku 1994 je zam stnán jako asistent, pozd ji odborný asistent na VUT, FEKT Brno, Ústav mikroelektroniky. V roce 2004 úsp šn dokončil postgraduální doktorské studium v oboru Elektronická a elektrotechnická technologie a obhájil doktorskou práce na téma Design and Reliability of the Connection in 3D Electronic Systems. Jeho odborným zam ením na fakult jsou moderní elektronické a mikroelektronické konstrukce, termomechanická spolehlivost pájených spoj, metodika návrhu plošných spoj, teorie vakuových proces, teorie vakuových za ízení a vakuové technologie, vakuové napa ování. V rámci pedagogického p sobení se podílí na výuce celé ady p edm t bakalá ského i magisterského studia. Jedná se o p edm t Mikroelektronické praktikum, kterého je garantem a spoluzakladatelem, dále učí a je garantem p edm tu Elektrovakuové p ístroje a technika nízkých teplot, vede cvičení v p edm tu Vakuová technika. P ibližn deset let realizoval odborné teoretické i praktické vzd lávací kursy z oblasti elektrotechnologie pro techniky a ostatní zam stnance pr myslových podnik. Již dvakrát realizoval vyžádané odborné p ednášky na universit v zahraničí. Je autorem mnoha vysokoškolských skript, napsal odbornou knihu, která se v nuje návrhu plošných spoj. Aktivn pracuje jako člen technické normalizační komise na ÚNMZ, podílí se na posuzování norem a vypracovávání českých dodatk k normám. Podílel se na ešení n kolika českých grant, současné dob je hlavním ešitelem společného grantu s pr myslem. Účastnil se celé ady odborných konferencí doma i v zahraničí, publikoval v odborných časopisech. Je spoluautorem jednoho patentu, jednoho autorského osv dčení a autorem užitného vzoru. 4

1 ÚVOD V rámci práce jsou za mikroelektronické moduly považovány obvodov samostatné jednotky. Vodivé propojení, pasivní součástky a aktivní součástky jsou realizovány p ímo na k emíkovém substrátu, p i použití technologií, které se používají p i realizaci polovodičových struktur. Za elektronické moduly jsou v práci považovány samostatné elektronické jednotky realizované na organickém, nebo anorganickém substrátu. Propojení jednotek je realizováno technikou plošných spoj, nebo tlustou vrstvou, pasivní i aktivní součástky jsou v pouzdrech SMD. V současné dob se používají konstrukce s jednou základní deskou, avšak čast ji se realizují konstrukce, u kterých je použito n kolik desek, skládaných do osy z, tzv. 3D konstrukce. Takto se mohou vrstvit samostatné čipy, desky s více samostatnými čipy (multičipy), p ípadn desky na organickém, nebo anorganickém substrátu, na kterých jsou umíst ny aktivní i pasivní součástky v SMD pouzdrech. Elektrické p ipojení modul na základní desku se realizuje nejčast ji pájením, v současné dob se používají m kké bezolovnaté pájky. V p ípad modul, nebo čipových součástek se jedná o tzv. nepružné spojení. Vlivem oh evu systému a v d sledku montáže, anebo provozem dochází z d vod r zné tepelné délkové roztažnosti k mechanickému namáhání pájených spoj. Toto má vliv na jejich spolehlivost. Spolehlivost se zjiš uje zrychleným cyklováním. 1.1 KONSTRUKCE MODUL NA ÚROVNI DESEK ELEKTRONIKY ELEKTRONICKÉ MODULY V p ípad tohoto druhu spojení se jedná o ešení, p i kterém jsou na hlavní desku plošného spoje (mainboard, motherboard) elektronicky p ipojovány samostatné moduly. Moduly jsou osazeny SMD součástkami ve standardních pouzdrech, nebo obsahují multičipové moduly, samostatné čipy. Moduly mohou rovn ž vrstveny v ose z, tím vznikají tzv. 3D konstrukce. P i návrhu spojení modulu se základní deskou je vždy preferována podmínka použítí standardních technologií, které se používají v povrchové montáži. Možná provedení jsou uvedena na obrázku 1.1. Modul je ešen v tšinou tak, že zastává samostatnou funkci. Tímto zp sobem mohou být ešeny LCD displeje, BLUETOOTH moduly, GPS moduly a další. Spousta společností eší elektronické levné a spolehlivé propojení modul se základní deskou. a) Klasické provedení b) 3D provedení Obrázek 1.1: Princip modulového spojení na úrovni desek elektroniky Existuje celá ada p ipojení, které jsou realizovány klasickou formou ve tvaru kolíčk, pružinek a mikrodrátk. Práce se hlavn v nuje nepružným spojením, mezi které pat í spojení kuličkami, výstupky (bumps), na hranu a nové ešení pomocí SMD součástek. 5

2 POUŽÍVANÉ MATERIÁLY A TECHNOLOGIE Pro konstrukci modul a jejich elektrickému p ipojování k základní desce jsou využívány p evážn standardní technologie, které se využívají p i konstrukci elektronických a mikroelektronických sestav. Z nejpoužívan jších technologií jsou to hlavn SMD montáž do pájecí pasty, pájení p etavením, pájení pomocí horkého vzduchu a pájení v parách, technologie tenké a tlusté vrstvy, mikrovia technologie a další. Elektrické vlastnosti modulového zapojení výrazn ovliv uje výb r vhodného materiálu pro základní podložku elektronického modulu. Je podmín n hlavn elektrickými vlastnostmi zapojení, velikostí modulu a zp sobem p ipojení na základní desku. V tšinou se používají podobné materiály, jako je materiál plošného spoje, na který se modul pájí. Toto ešení značn zjednodušuje situaci z hlediska termomechanického namáhání. Pokud je z elektrického hlediska nutno použít jiný materiál, nejčast ji keramický materiál, který má výrazn jinou délkovou roztažnost, hledají se konstrukce a ešení, která snižují termomechanické namáhání. D ležitým faktorem, který také ovliv uje ešení je cena spojení. V nezkrácené versi práce jsou uvedeny materiály a technologie, které se b žn používají s uvedenými odkazy na podrobnou literaturu. Podrobn v ní uvádím nové materiály a technologie, které se začaly používat v posledních deseti letech. Z nových materiál je v práci podrobn uvedena keramika s nízkou teplotou výpalu LTCC, aluminium nitrid AlN, bezolovnaté pájky a vodivá lepidla, jsou zde popisovány vsazené (embedded technologie) a n které typy 3D propojení. 3 TERMOMECHANICKÉ NAMÁHÁNÍ A SPOLEHLIVOST SPOJE V d sledku rozdílného koeficientu tepelné roztažnosti CTE 1 (Coefficient of Thermal Expansion) dochází p i zm nách teplot, které nastávají p i procesu pájení, montáže, nebo v b žném provozu ke zm n rozm ru jednotlivých částí systému, což má za následek také zm nu pnutí a tvaru pájeného spoje, Pokud jsou části nepružné spojeny (m že se jednat o pájku, vodivé lepidlo), vyvolává zm na rozm ru v relativn nepružném spojení zm nu pnutí. Za nepružné spojení je možno považovat spojení uvedené na obrázku 3.1. Obrázek ukazuje možnosti p ipájení elektronického modulu na základní desku. pájený spoj L D pájený spoj L D Materiál I. Materiál I. h hx Materiál II. Materiál II. a) b) s Obrázek 3.1: Základní geometrie bezvývodového spojení 1 N kdy se používá označení TCE (Thermal Coefficient of Expansion), norma IPC-SM-785 používá CTE. 6

Uspo ádání podle obrázku 3.1a se využívá mimo modul pro technologii FLIP-CHIP, BGA pouzdra, SON pouzdra. U tohoto typu spojení není nutno osazovat součástku, nebo modul do pájecí pasty. Uspo ádání podle obrázku 3.1b je typické pro pájené součástky v čipových pouzdrech SMD, LCCC u modul pro p ipojení p es hranu. Velikost termomechanického pnutí, které vzniká v d sledku p ípadných rozdíl teplot T substrátu (materiál I.) a podložky (materiál II.) a rozdílné délkové roztažnosti je možno v oblasti pružných zm n vyjád it vztahem (3.1), σ e = E. Δε e = E. F. L D. Δα. ΔT h (3.1) kde, hodnota pom rného posunutí e v oblasti pružných zm n je závislá na vzdálenosti spojení od nulového bodu (L D ), rozdílu koeficient délkové roztažnosti substrátu a teplot (materiál I.) a podložky (materiál II.) (, T mismatch) a výšce spoje h, p ípadn hx. tak, jak ukazují obrázky 3.2a, 3.2b. Výška spoje hx bývá v literatu e p edm tem diskusí. Konstanta F je dána konstrukcí spoje a pohybuje se od 0,7 do 1,5. E je teplotn závislý Young v modul pružnosti. Tento stav pružných zm n popsaných rovnicí však nastává v popisované struktu e velice krátkou dobu, v tšinou jsou zm ny rozm ru tak velké, že dochází k nelineárním zm nám, a k trvalé deformaci spoje, které jsou charakteristické tečením materiálu. 3.1 ZRYCHLENÉ ZKOUŠKY SPOLEHLIVOSTI ATC (ACCELERATED THERMAL CYCLING) Testování spolehlivosti pájeného spoje p i normálních podmínkách je drahé, zdlouhavé a pro svoji délku neproveditelné. Proto se únavové mechanismy, které zp sobují poruchu vyvolávají zrychlenými testy. Hlavním smyslem zrychleného cyklování je vyvolání poruchy d íve než by se d lo za normálních podmínek. Strategie zrychlených test spočívá v tom, že porucha zp sobena únavou je vyvolána za kratší dobu, než by se projevila za b žného provozu. Toho lze dosáhnout zv tšením amplitudy namáhání, nebo zvýšením frekvence aplikovaných zm n. Tyto okolnosti však musí být voleny tak, aby nedošlo ke zm n p íčin poruchy. Pro stanovení spolehlivosti se používají zrychlené testy. Pájený spoj je vystaven teplotním cykl m definované amplitudy a frekvence. Počet cykl do poruchy označovaný jako N f závisí na amplitud, délce a frekvenci zat žování, v praxi se rozlišují tzv. Vysokocyklová únava (High Cycle Fatigue) zkoumá chování spoje p i malých amplitudách a velkých frekvencích zat žování, zabývá se zkoumáním struktury mikrostruktur. P íkladem mohou být vibrační testy. Nízkocyklová únava (Low Cycle Fatigue) zkoumá chování spoje p i nízkých frekvencích a vysokých amplitudách zat žování, často až do zničení spoje, termomechanické namáhání pat í do této skupiny. 7

3.2 ÚNAVOVÉ MODELY A TEORIE PRO MECHANICKÉ PORUCHY PÁJENÉHO SPOJE Únavových model používaných pro výpočet životnosti pájeného spoje existuje celá ada. Nejčast ji používané jsou, - modely založené na trvalé deformaci. Pat í sem Coffin-Manson [26], [65], Engelmaier [26], [65], Salomon [18], Krecht and Fox [24], Shi [29] a další - modely založené na p ír stku viskoplastické p etvárné energie. Pat í sem Darweaux, MDRR( Multi-Domain Rayleigh-Ritz) [26], Morrow a další. Pro výpočet termomechanické spolehlivosti pájených spoj se nejčast ji používá Coffin v- Manson v zákon (Coffin-Manson Law). Z tohoto vztahu m žeme stanovit velice často používaný Coffin-Manson v zákon. c Δε (3.2) f = CN Zákon vyjad uje počet cykl do poruchy N f v závislosti na amplitud pom rného posunutí, kde c a C jsou materiálové konstanty. Obecný vztah zahrnuje plastické p i elastické deformace. e. Je možno jej p epsat do tvaru. Δ c f e c ε = Δε + Δε = C N + C N p ( 3.3) e p e p f kde C e jsou konstanty pro elastické deformace a C p jsou konstanty pro plastické deformace. Pro pájky v elektrotechnice jsou elastické deformace velmi malé (p ibližn 0,02%), takže se tento člen u v tšiny spolehlivostních model pro pájky v tšinou zanedbává. Pro výzkum spolehlivosti pájených spoj je t eba uvažovat, že nepružná deformace je složena z plastické deformace a tečení materiálu. Z toho d vodu je klasický Coffin Manson v model nevhodný, proto v roce 1985 Werner Engelmaier 2 definuje rovnici, která je určena pro nízkocyklovou únavu a nezahrnuje vliv elastických deformací a p edpokládá, že plastické deformace mají pouze smykovou složku. Pro 50%ní pravd podobnost vzniku poruchy má rovnice tvar, N f ( %) 1 2ε f = 2 Δε m 50 (3.3) kde f je koeficient tažnosti (strain ductility factor) a je koeficient tečení materiálu, neboli velikost smykového p etvo ení (posunu) (creep-fatique damage). Engelmaier v model je velice jednoduchý a efektivní, je však t eba znát materiálové konstanty. Materiálové konstanty pro olovnatou pájku jsou uvedeny v [27]. 2 Werner Engelmaier známý jako Mr. Reliability, president Engelmaier Asssociates,L.C, p edseda IPC komise pro spolehlivost 8

3.3 DARVEAUXOVA TEORIE VZNIKU PORUCHY (DARVEAUX S THEORY) Tato teorie je založena na laboratorním m ení nízkocyklové únavy, která je charakteristická vznikem trhliny a jejím postupným rozši ováním v závislosti na nepružné p etvárné práci pájky. Metoda je založena na výpočtu a vyhodnocení viskoplastické p etvárné energie v každém teplotním cyklu metodou konečných prvk. Tato metoda se používá pro stanovení životnosti pájeného spojení. Spočívá v určení čty materiálových konstant K1 až K4, které slouží k výpočtu počtu cykl do poruchy. Tato metoda je značn citlivá na postup modelování. Nejv tší pozornost musí být v nována na určování stanovení správné tlouš ky a tvaru pájeného spoje. Je také t eba správn stanovit st ední hodnotu objemu, ve kterém probíhají plastické zm ny. Rovnice, které slouží k výpočtu počtu cykl do vzniku trhliny N 0 a rychlosti ší ení trhliny da/dn vyjad ují vztahy (3.4) a (3.5). W ae je pr m rná stabilizovaná zm na energie plastické p etvárné práce jednoho objemového elementu. Charakteristický počet cykl do poruchy N (pro 63.2% vzork ) je možno spočítat ze vztahu (3.6), N 0 K = K ( Δ ) 2 K (3.4 ) ( ) 4 1 W ae N N + α = 0 a da dn kde a je celková délka lomu p ed chybou, která ke definována jako kompletní odd lení pájeného spoje od pouzdra. da dn (3.6 ) = K Δ (3.5 ) 3 W ae 3.4 STANOVENÍ ŽIVOTNOSTI PÁJENÉHO SPOJE METODOU KONEČNÝCH PRVK (FEA) Dále popisuji postup, který používám ke stanovení životnosti pájeného spoje pro konkrétní geometrickou aplikaci s danými materiály včetn materiál pájky. Tento postup popisuji pro olovnatou pájku ve svém článku [25] v časopise Journal of Electrical Engineering. V literatu e, [76] jsou uvedeny výpočty pro struktury p ipájení polovodičových čip (technologie FLIP-CHIP), pájení pouzder integrovaných obvod s kuličkami (technologie BGA), s ploškami na hranách (pouzdra LTCC) n kolikavrstvé struktury a další. Výsledkem je stanovení počtu cykl do poruchy N f. Tato hodnota se nejčast ji porovnává s experimentálními výsledky. Pro simulace se využívá programový balík ANSYS. Výpočet je založen na stanovení hodnoty p etvárné práce, která se spot ebovává v každém teplotním cyklu [38]. Na základ této hodnoty se počítá počet cykl, který je nutný na vytvo ení defektu ve form praskliny, která zp sobuje kontinuální elektrické p erušení pájeného spoje. Visko-plastické vlastnosti materiál v závislosti na teplot, (v tomto p ípad uvažujeme pájený spoj) definovali vztahem (3.7) Garofalo- Arrhenius. Zm na pnutí v materiálu vyjád ená zm nou rozm ru v závislosti na čase d cr /dt, neboli tečení materiálu (creep) je rovna, d K 3 [ sinh( K σ )] ε cr = 4 dt K1 2 exp K T (3.7) 9

kde je odpovídající pnutí v pájce, K 1 až K 4 jsou materiálové konstanty. Tuto rovnici upravuje Anand, který stanovuje t i vztahy (3.19, 3.20, 3,21) ešením rovnice,. Q ξσ ε p = A exp sinh RT s (3.8) Ko enové rovnice jsou potom, 1 m a B s s& = h0 ( B ) ε& p (3.9) B = 1 * (3.10) B s * ) ε& p s = s exp A Q RT n (3.11) Uvedené rovnice obsahují dev t materiálových konstant, které je t eba experimentáln určit. Velikost t chto konstant se v současné dob není jednotn určena, m že se lišit podle publikovaného článku. V tabulce 3.1 jsou uvedeny hodnoty konstant pro olovnatou eutektickou pájku a bezolovnatou pájku SAC. Zadáním materiálových konstant do programu je možno vypočítat p ír stky p etvárné práce W ae pro každý teplotní cyklus. Tuto hodnotu použijeme pro výpočet charakteristického počtu cykl do poruchy N. Tabulka 3.1: Materiálové konstanty pro Anand v model [39] Konstanta Symbol 62Sn36Pb2Ag Sn3,5Ag0,75Cu Sn2,0Ag0,5Cu (jednotka) [40] [41] [ 33 ] Konstanta A [1/s] 2,3x10 7 4,61x10 6 2,42x10 7 Aktivační energie (activation energy) Q/R [K] 11262 8400 8400 Multiplikátor nap tí [-] 11 0,038 0,043 Pom rná velikost p etvo ení v či nap tí) (Strain rate sensitivity of stress) Mezní hodnota deformačního odporu (Coefficient for deformation resistance saturation value) Pom rná citlivost mezního deformačního odporu (Strain rate sensitivity of saturation value) Koeficient tvrdosti (hardering coefficient) Pom rná citlivost zpevn ní (Strain rate sensitivity of hardering coefficient) Počáteční deformační odpor (initial deformation resistance) m [-] 0,303 0,162 0,168 s [MPa] 80,79 1,04 1,005 n [-] 0,0212 4,6x10-3 8,1x10-4 h 0 [MPa] 4121,31 3090 3162 a [-] 1,38 1,56 1,59 s 0 [MPa] 42,32 - - Stanovení počtu cykl do poruchy se stanoví na základ Darveauxovy teorie podle rovnic (3.4), (3.5),(3.6) uvedených v p edchozí kapitole. 10

4 VÝSLEDKY VÝZKUMU V OBLASTI SPOJOVÁNÍ ČIPOVÝCH SOUČÁSTEK A ELEKTRONICKÝCH MODUL A ZJIŠ OVÁNÍ SPOLEHLIVOSTI SPOJENÍ Na VUT Brno, Fakult elektrotechniky a komunikačních technologií pracují v současné dob dv skupiny, které se zabývají, problematikou mikroelektronických a elektronických montážních technologií - na Ústavu elektrotechnologie existuje laborato elektronických montážních technologií, která zajiš uje výuku p edm t a výzkum v této oblasti - Ústav mikroelektroniky disponuje laborato í mikroelektronických montážních technologií, která zajiš uje výuku p edm t a výzkum v této oblasti včetn problematiky pouzd ení. Ob pracovišt jsou vybavena dostatečn na to, aby zajistila výuku a výzkum. V práci popisovanou tématiku eším společn se svými doktorandy na Ústavu mikroelektroniky. V tšina výzkumu bezprost edn navazuje na poznatky a m ení, která jsou popisované v mé disertační práci. Výzkum se soust e uje na stanovení termomechanické spolehlivosti pájeného spoje pro SMD montáž i spojování elektronických modul, realizovaného bezolovnatou pájkou. Tento parametr totiž výrazn ovliv uje celkovou spolehlivost spojení. Další výzkum probíhá v oblasti ov ení montážních, pájecích, spojovacích a dalších technologií použitých pro nové perspektivní materiály. Podle dostupných informací se tímto výzkumem v současné dob komplexn nezabývá žádné pracovišt v ČR. 4.1 ZJIŠ OVÁNÍ SPOLEHLIVOSTI PÁJENÉHO SPOJE PRO ČIPOVÉ SOUČÁSTKY V této kapitole popisuji simulaci termomechanického pnutí p ipájených čipových rezistorových pouzder velikosti 1206. Výsledky simulací dávají p edstavu o rozložení tahových a tlakových sil p i pájení čipové součástky. P i simulaci byl uvažován stav, kdy se p edpokládá, že p i teplot nižších než 183 o C dojde k dokonalému zatuhnutí pájky. Pokud se bude teplota dále snižovat, postupn se zvyšuje termomechanické pnutí v systému. P i simulaci se p edpokládalo, že materiál pouzdra součástky je baryum titanát, jedná se tedy keramické kompenzátory, materiál podložky je organický substrát pro plošné spoje FR4. Pájení se uskutečnilo eutektickou pájkou Sn Pb s teplotou tání 183 o C. Obrázky 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 znázor ují postupné zvyšování namáhání p i teplotách 120, 80, 20 a -10 o C. Hodnoty jsou uvád ny v MPa, červená barva znázor uje mechanický tah, modrá mechanický tlak. 11

Obrázek 4.1: Termomechanické pnutí pro pouzdro 1206 p i 120 o C 12 Obrázek 4.2: Termomechanické pnutí pro pouzdro 1206 p i 80 o C

Obrázek 4.3: Termomechanické pnutí pro pouzdro 1206 p i 20 o C Obrázek 4.4: Termomechanické pnutí pro pouzdro 1206 p i -10 o C 13

4.1.1 Shrnutí výsledk simulace Z provedených simulaci je patrno, že maximální namáhání se nachází v míst styku vývodu součástky s pájkou a v místech, styku pájky s plošným spojem. Simulace je značn zjednodušena, z objektivních p íčin se neuvažují vlastnosti vývod pouzdra, vlastnosti kovové vrstvy na plošném spoji, reálný zaoblený tvar menisku pájky, povrchová úprava desky a vývod součástky. Geometrické rozložení pnutí v sestav jsem pozd ji využil k rozboru vlastností sestavy CwC tj. p ipojení modul pomocí čipových součástek. 4.1.2 M ení termomechanické spolehlivosti čipových součástek V rámci zám ru využít čipové součástky jako propojovací element p i p ipojení elektronických modul na základní desku, jsem se rozhodl v první fázi m it spolehlivost pájeného spojení čipových součástek p ipojených na základní desku plošného spoje. Pro experiment byly zám rn vybrány bezvývodové součástky s keramickým pouzdrem nejv tší velikosti, které se v současné dob vyrábí. Toto provedení je považováno za mezní p ípad, kdy se p edpokládá nejmenší spolehlivost pájeného spoje. Podobné ešení lze nalézt v [78]. V následujícím p ehledu jsou uvedeny parametry realizovaného spojení a testování, - čipové resistory YAGEO 2512/0R, (pouzdro velikosti 6,325 mm x 3,036 mm), povrchová úprava vývod Ag/Ni/Sn; - použitá technologie pájení vlnou a p etavením - pájecí slitina pro pájení vlnou, SAC 305 (Sn96.5Ag3Cu0.5), tavidlo Kester 979 - pájecí pasta pro pájení p etavením, SAC 305 (Sn96.5 Ag3 Cu0.5), tavidlo Kester EM 907 - materiál plošného spoje FR4, tl. materiálu 1,5mm, tl. m di 35 m - povrchová úprava plošného spoje, HAL (Hot Air Levelling), galvanické zlato, bezproudov nanesený cín(imersní), výrobce Gatema Boskovice - parametry cyklování, teplotní cykly -20 C to +120 C, časová prodleva p i mezních teplotách 15 minut, perioda cyklu 45 minut - tlouš ka šablony pro nanášení pasty 150 m. Obrázek 4.5: Pohled na testovací desku Obrázek 4.6: Velikosti pájecích plošek Pro účely testovaní byly realizovány testovací desky, které se lišily použitou povrchovou úpravou a velikostí pájecích plošek. Vzhled testovací desky s resistory je uveden na obrázku 4.5, velikosti navržených pájecích plošek (footprins) A,B,C,D jsou na obrázku 4.6. Na každou desku bylo p ipájeno 40 resistor. Desky byly umíst ny v teplotní komo e a vystaveny teplotnímu 14

cyklování, které trvalo n kolik m síc. Celkem bylo provedeno 6000 teplotních cykl. Poruchy vyvolané teplotními cykly byly vyhodnoceny manuáln pro každý rezistor zvláš rozsvícením LED diody v zapojeni podle obrázku 4.24 a,b v kapitole 4.4.1. Následující obrázky 4.7 až 4.20 udávají nam ené výsledky spolehlivosti pájeného spoje pro pájení p etavením p i termomechanickém namáhání. Obrázek 4.7 Spolehlivost pro povrchovou úpravu HAL, pájení p etavením [77] Obrázek 4.8: Spolehlivost pro povrchovou úpravu Imersní cín, pájení p etavením [77] 15

Obrázek 4.9: Spolehlivost pro povrchovou úpravu galvanické zlato, pájení p etavením [77] Obrázek 4.10: Spolehlivost pro plochy A(1,25x3,65mm), pájení p etavením [77] 16

Obrázek 4.11: Spolehlivost pro plochy B(1,75x3,65mm), pájení p etavením [77] Obrázek 4.12: Spolehlivost pro plochy C(2,35x3,65mm), pájení p etavením [77] 17

Obrázek 4.13: Spolehlivost pro plošky D(2,75x3,65mm), pájení p etavením [77] Obrázek 4.14 Spolehlivost pro povrchovou úpravu HAL, pájení vlnou [77] 18

Obrázek 4.15: Spolehlivost pro povrchovou úpravu imersní cín, pájení vlnou [77] Obrázek 4.16: Spolehlivost pro povrchovou úpravu galvanické zlato, pájení vlnou [77] 19

Obrázek 4.17: Spolehlivost pro plochy A(1,25x3,65mm), pájení vlnou [77] 20 Obrázek 4.18: Spolehlivost pro plochy B(1,75x3,65mm), pájení vlnou [77]

Obrázek 4.19: Spolehlivost spoj pro plochy C(2,35x3,65mm), pájení vlnou [77] D Obrázek 4.20: Spolehlivost pro plochy D(2,75x3,65mm), pájení vlnou [77] 21

4.1.3 Shrnutí dosažených výsledk m ení Na základ výsledk cyklování lze usoudit, že nejlepší termomechanickou spolehlivost vykazuje povrchová úprava HAL, kde se spolehlivost pro 50% pravd podobnost poruchy pohybuje kolem 4800 teplotních cykl ve srovnání s plošnými spoji s povrchovou úpravou imersní cín a zlato (3800 až 2000 teplotních cykl ). Toto platí pro pájení vlnou i p etavením. Vliv velikosti pájecích plošek na termomechanickou spolehlivost se nijak závažn neprojevoval. Z výsledk m ení se dá p edpokládat, že spolehlivost p evážn ovliv ují difuzní procesy a které zp sobují tvorbu intermetalických slitin se sníženou termomechanickou spolehlivostí. Podrobný popis výsledk m ení je uveden v [77]. Obecn se dá konstatovat, že toto spojení vykazuje dobrou spolehlivost. Toto zjišt ní m vedlo k nápadu realizovat spojeni modul p es čipové součásti. Toto ešení je popisováno v kapitole 4.2.1. 4.2 P IPOJENÍ ELEKTRONICKÝCH MODUL NA ZÁKLADNÍ DESKU A EŠENÍ 3D KONSTRUKCÍ V rámci výzkumu v této oblasti se eším problematiku vzájemného propojení použití substrát na bázi FR4, korundové keramiky (ALUMINA) a nízkoteplotní keramiky (LTCC). Propojení je realizováno bezolovnatou (LF) pájkou. Veškeré experimenty probíhají s pájkou SAC 305 a uvažuje se použití pájky Sn100. Krom p ipojení modul na základní desku je ešeno propojení jednotlivých modul na sebe v ose z. ešení a konstrukce, které budou dále popsány, vychází ze zkušeností, které jsem získal v pr b hu n kolika minulých let na m ení a simulacích spolehlivosti p ipájených pouzder čipových SMD součástek a integrovaných obvod. Pro komerční využití popisovaných ešení je t eba vy ešit, - definovat a ov it technologii montáže aby ešení bylo použitelné v pr myslu. Technologie musí být dostatečn jednoduchá a levná. Úkolem výzkumu je použití standardních b žných technologií, jako jsou nanášení pájecí pasty pro pájení p etavením šablonovým tiskem, sítotiskem, dispenserem, pájení p etavením, osazování modul pomocí standardního osazovacího automatu a další - ov it spolehlivost spojení, p i použití r zných základních materiál substrát modulu, vodivých past a povrchové úpravy. Všechny jmenované faktory mají totiž na spolehlivost podstatný vliv - modifikovat konstrukci s ohledem na použitý substrát podložky i modulu na velikosti a tvary propojovacích plošek a další faktory konstrukce - veškerý výzkum provád t pro použití současn používaných bezolovnatých pájek a netoxických materiál v souladu s evropskou sm rnicí. V současné dob se svými spolupracovníky eším a ov uji následující konstrukce, - p ipojení modul na základní desku pomocí čipových součástek - p ipojení modul na základní desku pomocí kuliček pájky - p ipojení modul na základní desku metodou p ipájení na hranu 22

I když poslední dv jmenované konstrukce se již ve sv t standardn používají, je snaha celou operaci podstatn zjednodušit p i použití standardních technologií, které se b žn používají u elektrotechnických montáží. To povede k tomu, tyto montáže bude možno efektivn nasadit i p i výrob malých sérií. První jmenovaná konstrukce pat í k originálnímu ešení, které nebylo doposud ve sv t použito. 4.2.1 P ipojení modulu na základní desku pomocí čipových součástek (CwC- Connection with Components) VUT Brno je majitelem užitného vzoru Elektronická sestava desek PCB s číslem PUV 2008-20682 [42]. P edm tem užitného vzoru je metodika spojování modul pomocí b žných čipových součástek používaných v elektronice. Spojení na základní desku se uskuteč uje p es vývody součástek podle obrázku 4.21. Pro spojení mohou být použity b žná čipová a válcová pouzdra rezistor a kapacitor. Výhodou navrženého a popisovaného ešení se jeví možnost použití standardních součástek ve standardním balení. Pro montáž by bylo možno použít klasický osazovací automat bez úprav. ešení využívá standardní technologické postupy, které se používají v elektrotechnice p i elektronické SMT montáži, jako jsou šablonový tisk, pájení vlnou, pájení p etavením a další. Obrázek 4.21: P ipojení pomocí SMD součástek. V rámci výzkumu v této oblasti jsem provád l se svými spolupracovníky celou adu experiment, které se týkaly realizace a spolehlivosti popisovaného ešení. Parametry provád ných experiment jsou následující, - použité čipové SMD součástky: Čipové rezistory hodnoty 0R, nebo keramické čipové kondenzátory 10 pf, velikost pouzdra 0805, nebo 0603 - pájecí plošky a propojení je realizováno: Pro Al 2 O 3 i LTCC keramiku p íslušnými vodivými pastami DuPont - typ keramického materiálu: Al 2 O 3 (ALUMINA) tl. 0,6, a 1,0mm, LTCC keramika Hareaus, HeraLock Tape HL2000 tlouš ky 3,6 mils (0.09mm) - pro pájení je použita pájecí pasta pro pájení p etavením - SAC 305 (Sn96,5 Ag3 Cu0.5), tavidlo Kester EM 907, nebo COBAR SAC3-XF4 - parametry pájení: pájení vlnou, p etavením (IR oh ev, horkovzdušný oh ev, pájení v parách. 23