SamsPcbGuide ، الجزء 11: التكنولوجيا - العبوات من النوع BGA والبلاستيك والفضاء

في المناقشات التي جرت على مقالة سابقة ، كتب proton17 أن BGAs التقليدية لا تطير إلى الفضاء ، مما يعطي روابط إلى حاويات CCGA من نوع كمثال على الموثوقية. قررت أن أفرز هذه المسألة ووجدت الكثير من المعلومات المثيرة للاهتمام (يرجع الفضل في ذلك إلى حد كبير إلى هذا الشخص).



على الرغم من مزاياها (الحد الأقصى لعدد الخيوط فيما يتعلق بأبعاد خطوة معينة ، انخفاض الحث الطرفي ، التسوية الذاتية عند اللحام) ، فإن العلب من النوع BGA لها عيب خطير للتطبيقات الموثوقة - استحالة التحكم الموثوق بجودة المرئية في المفاصل الملحومة.

مسألة قابلية تطبيق مكونات BGA في التطبيقات الموثوقة ليست جديدة ؛ في عام 1995 ، أجرت JPL بحثًا عن موثوقيتها في ظل ظروف مختلفة. تم تقديم نتائج العمل باستمرار في العديد من المنشورات من قبل المعلم الحقيقي لهذا الموضوع ، ر. جافاريان [1-5]. في البداية ، تم فحص العلب الخزفية والبلاستيكية "العادية" من أجل تسطيح السطح باستخدام المسح بالليزر. لقياس التسطيح ، تم اختيار الفرق بين أدنى وأعلى كرة. أصغر هذا الاختلاف ، فرصة أقل من العيوب في لحام. كانت الأجسام الخزفية أكثر تسطحًا ، كما تحسنت أيضًا مع انخفاض عدد الاستنتاجات. هذه المعلمة هي الأكثر أهمية حيث يتم استخدام لحام أكثر ارتفاع في درجة الحرارة لحام. المرحلة الثانية - تصاعد على لوحات الدوائر المطبوعة (FR-4 والبوليميد) وركوب الدراجات الحرارية. تم تنظيم التوصيلات الكهربائية على السبورة وداخل الحزمة BGA للاختبار بطريقة تشكل مجموعات متعددة من التوصيلات التسلسلية (سلسلة ديزي الإنجليزية). في كل مجموعة من هذه المجموعات ، تم رصد وجود اضطراب الاتصال من خلال معيار المقاومة الزائدة لـ 1 كيلو أوم بواسطة أكثر من 1 μs. تم تعريف هذا المعيار في IPC-SM-785 ، ومع ذلك ، فهو غير كافٍ ، لأن الاتصال المتصدع بالكامل قد لا يتجاوز قيمة العتبة المحددة بسبب قرصة التلامس بسبب المطاريف المجاورة [4].

بسبب الاختلاف الكبير بين KTP للسيراميك و FR-4 / polyimide ، فشل غلاف CBGA في وقت سابق عن الأغطية البلاستيكية. أيضًا ، أظهرت الحالات السابقة حالات بلاستيكية تحتوي على مجموعة كاملة من الأجهزة الطرفية ، على عكس الحالات ذات الحشوة المحيطية ، حيث يوجد تحت البلورة زيادة محلية في عدم تطابق KTP بين العلبة واللوحة ، وهناك فشل التوصيلات الأولى.

من بين النتائج ، لوحظ تأثير درجة حرارة الانتقال الزجاجي لمادة لوحة الدائرة المطبوعة على الموثوقية لنطاق درجة الحرارة الممتد. وأظهرت FR-4 في المتوسط ​​نتائج أضعف من مادة البولي أميد. تم تأكيد هذه النتيجة في المقالة [6]: استخدام لوحة الدوائر المطبوعة FR-5 (مع Tg ~ 170 ^o C و KTP ~ 13 ∙ 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ) يوفر زيادة أربعة أضعاف في الموثوقية مقارنة مع FR-4 المعتادة لحالة SON- اكتب.

تجدر الإشارة إلى أن KTP الخاص بلوحة الدوائر المطبوعة يمكن أن يختلف حتى داخل اللوحة ويعتمد على الهيكل. ويرد نطاق واسع من القيم من 12 إلى 24 ∙ 10 ⁻⁶ K ⁻¹ في [6]. هناك أيضًا بيانات مثيرة للاهتمام (الجدول 1) حول اعتماد موثوقية PBGA على قطر الكرة ، ومنصات التلامس (KP) على اللوحة (نوع NSMD) وقاعدة الشريحة (نوع SMD). يكشف تحليلهم الأنماط التالية:

1. زيادة قطر الكرة ، مع ثبات paribus ، زاد عدد الدورات الحرارية المحجوبة بنسبة ~ 20-30 ٪.
2. تؤدي زيادة قطر صندوق التروس على جانب لوحة الدوائر المطبوعة إلى تقليل الموثوقية ، نظرًا لأن ارتفاع الكرة يتناقص. ومع ذلك ، مع زيادة متزامنة في قطر الموقع استنادًا إلى PBGA ، يتم تعويض خسائر الموثوقية المرتبطة بانخفاض الطول عن طريق التحسن في منطقة الاتصال ، ويصبح التأثير الكلي إيجابيًا.
3. تم الحصول على أقصى درجة من الموثوقية عندما كان قطر صندوق التروس على اللوحة أقل قليلاً من ذلك على أساس الدائرة الصغيرة. يشير المؤلف إلى نتيجة مماثلة تم الحصول عليها في عمل آخر. لسوء الحظ ، لا توجد مقارنة للحالة بقطر كرة كبير.

توضح المقالة [7] بشكل تجريبي زيادة في عدد الدورات الحرارية مع انخفاض في سمك القاعدة الخزفية للجسم. لم أتمكن من التعرف على المقال السابق لأحد المؤلفين بوصف لنموذج العملية ، لكن الاعتبارات العامة هي كما يلي: كلما كان الجسم أرق ، ومقاومته أقل قوة الشد ، قلت العبء على الاستنتاجات.

يؤثر معدل التغير في درجة الحرارة على المكان الغالب لحدوث العيوب في المفاصل - بسرعة (عندما تنشأ ضغوط محلية) يكون من جانب العلبة ، مع بطيء (عندما يتمكن النظام من الوصول إلى التوازن الحراري) - من جانب لوحة الدوائر المطبوعة. بالنسبة لمدى درجة الحرارة الممتد ، كان أكبر عدد من حالات فشل خزانات CBGA في حالة العلبة (63Sn37Pb) والكرة (90Pb10Sn).
لذلك ، يتم تحديد الأنماط الرئيسية الواضحة ، المؤكدة تجريبياً في عام 1995 ، من أجل موثوقية مكونات BGA بواسطة التمدد الحراري وهي كما يلي:

1. كلما زاد السكن وعدد الخيوط ، قلت الموثوقية.
2. الاستنتاجات التي هي أبعد ما تكون عن المركز هي الأكثر عرضة للتدمير. بالنسبة لحالات BGA البلاستيكية ، بالإضافة إلى ذلك ، فإن الاستنتاجات في مجال البلورة ضعيفة
3. تظهر الحالات الخزفية على لوحة الدوائر المطبوعة PCB موثوقية منخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، فهي غير محاذاة بشكل جيد أثناء عملية اللحام (نظرًا لأنها ذات كتلة أكبر) وأكثر حساسية لكمية ونوعية تطبيق معجون اللحام ، مما يعقد عملية صياغة التثبيت الموثوق للمكونات.

انحدار غنائي. استخدام لوحات الدوائر المطبوعة على أساس السيراميك LTCC من شأنه أن يزيل مشكلة عدم تطابق KTP. ربما هذا هو أحد الاتجاهات لتطوير REA للمساحة ، مما سيؤدي إلى انخفاض في تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة.

لماذا استخدام الحالات السيراميك؟ تمت معالجة هذه المشكلة بواسطة BarsMonster في أحد المقالات . حول حقيقة أنه يتم دعم وصلات العبور في البلاستيك بطول كامل من قبل المركب ، من ناحية ، فمن المنطقي ، ولكن من ناحية أخرى ، فإن عدم تطابق KTP لمواد العلبة البلاستيكية (مركب ، والسيليكون ، والنسيجوليت ، الطائر المعدني) يخلق عددًا كبيرًا من المشكلات في نطاق درجة حرارة ممتدة. من بين الحجج الإضافية المؤيدة لاستخدام حبيبات السيراميك قيمة KTE القريبة من السيليكون ، والتوصيل الحراري العالي ، ومجموعة درجات الحرارة الواسعة (وهو أمر مهم لعملية التجميع) ، وارتفاع الكراهية للماء ، وتطوير عملية الختم بسهولة.

على الروح والفرصة ، استخدمت الأجسام الخزفية ، ولكن ليس بنوع CBGA ، ولكن بنوع CCGA (الشكل 1): حيث تم استبدال الكرات بأعمدة (معززة في بعض الأحيان بدوامة نحاسية) يمكنها تحمل الأحمال الثقيلة (فيما يلي البيانات التي زيادة 2 أضعاف في الارتفاع يقلل من الضغط والإجهاد الميكانيكي بنسبة 30 ٪). على الرغم من حقيقة أن هذه المهام قد أنجزت بنجاح مهامها بل تجاوزتها ، تجدر الإشارة إلى أن المعالجات المنتجة في العلب CCGA كانت في وحدة التحكم في درجة الحرارة. تقدم المقالات [8 ، 9] مقارنة بين CCGA و PBGA المقابلة لها في ظل ظروف مختلفة. بعد 1075 دورة حرارية -50 / 75 درجة مئوية ، واجهت CCGA-560 أول تدمير لجهة الاتصال على جانب العلبة (تم استخدام كمية متزايدة من عجينة اللحام للتركيب ، مما أدى إلى تحسين موثوقية الاتصال على جانب اللوحة ، انظر الشكل 2 و 3) ، بينما في PBGA-560 لعام 2000 دورات من الفشل لم يتم الكشف عنها.




من المثير للاهتمام التفكير في سبب تحيز المسامير المتطرفة تجاه المركز على جانب اللوحة. إن KTP بلوحة الدوائر المطبوعة أكبر من KTP للسيراميك ، وهذا يعني أن التدمير يحدث عند الانضغاط ، في منطقة درجات الحرارة السلبية. قادني ذلك إلى التعليل التالي: يحدث اللحام وتحديد الموضع النسبي بالقرب من درجة حرارة انصهار عجينة اللحيم ، أي حوالي 183 ^درجة مئوية لـ 63Sn37Pb ، وبالتالي فإن نطاق درجات حرارة التشغيل بالكامل يقع في منطقة الضغط بلوحة الدائرة المطبوعة نسبةً إلى قاعدة السيراميك في العلبة. ثم درجة حرارة النقطة المحايدة ليست 25 ^درجة مئوية ، هذه هي نقطة انصهار عجينة اللحام.

من أجل تقليل الحمل على أطراف BGA-cases (بما في ذلك نتيجة لآثار العوامل الميكانيكية) ، يتم استخدام عدة طرق: التثبيت على الزوايا (وضع الزاوية الإنجليزية) ، مما يضاعف المسافة بين العلبة واللوح (الإنجليزية ناقص). ومع ذلك ، تظهر نتائج الاختبار في [9] أن هذه التقنية لا تحل المشكلة فحسب ، بل على العكس من ذلك ، يمكن أن تؤدي فقط إلى تفاقم الاستقرار الهيكلي لآثار التغيرات في درجات الحرارة (الشكل 4).


تم اختبار حالة CCGA-717 مع أعمدة معززة ذات قطر أصغر أيضًا [9]. بالمقارنة مع CCGA-560 مع الخيوط غير المقواة ، فقد أظهر مقاومة أكبر للدراجات الحرارية: بعد 950 دورة من -55/100 ^درجة مئوية لم تكن هناك أعطال كهربائية ، لكن العيوب في الخيوط قد بدأت بالفعل في التكون (الشكل 5). في المجال العام ، توجد أيضًا نتائج الاختبارات الناجحة لـ CCGA-472 من مختبر Aeroflex وفقًا لمعايير ناسا.


تقدم المقالة [5] نتائج دراسة لتأثير الطلاء النهائي للوحة الدوائر المطبوعة على موثوقية مكونات BGA. ولوحظ أنه بالنسبة لـ ENIG ، على عكس HASL و OSP ، التي اتسمت بتدمير لزج للنتائج ، أظهرت بعض النتائج تدميرًا هزيلًا للنتائج. يحظر معيار IPC-9701A ، الذي يصف منهجية اختبار موثوقية المفاصل الملحومة ، استخدام الطلاء ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، باستثناء HASL و OSP و IAg ، من أجل تجنب آثار المركبات intermetallic (أيضًا ، بالمناسبة ، يوصي المعيار باستخدام وسادات الاتصال من نوع NSMD مع أقنعة المسافات البادئة). في إطار الدراسات الخاصة [10 ، 11] ، فشلت مشكلات استخدام ENIG كطبقة يراعى في اكتشاف أي أنماط ، وبالتالي ، فإن حدوث انخفاض في موثوقية الاتصال أمر يصعب التنبؤ به. على ما يبدو ، لهذا السبب ، فإن المعيار لا ينصح باستخدام مثل هذه النهاية. بالمناسبة ، كطلاء بديل ، من بين أشياء أخرى ، تم أخذ طلاء ENEPIG في الاعتبار ، مما أظهر نتائج جيدة ( في الأصل - "كان الأداء جيدًا للغاية ويتطلب المزيد من الاختبارات").

يلخص الجدول 2 بيانات التجارب على موثوقية المكونات من النوع BGA ، والتي يشير تحليلها إلى وجود بعض العناصر المنتظمة (على سبيل المثال ، يقلل انخفاض سمك القاعدة الخزفية بشكل كبير من الحمل على الاستنتاجات). يمكن أن تكون هذه البيانات بمثابة دليل فقط في التصميم ، ومعيار الموثوقية هو تجربة لتصميم معين وتكنولوجيا التجميع. في نهاية المقالة [9] ، يتم تقديم توصيات قيمة حول استخدام مكونات BGA استنادًا إلى ملخص لتجربة NASA من شخص يعمل على موثوقية مكونات BGA منذ عام 1995. فيما يلي بعض النقاط:

1. توفر معظم حالات PBGA موثوقية كافية للمهام ذات الفروق المحدودة في درجات الحرارة (على سبيل المثال ، درجة الحرارة التي يتم التحكم فيها في علبة الوحدة). مع مهمة طويلة ، يجب اختبار السلك مع عدد كبير من الاستنتاجات (أكثر من 500).
2. يمكن لحالات BGA الخزفية التي تحتوي على عدد صغير من الخيوط (أقل من 400) تلبية متطلبات الموثوقية للمهام قصيرة الأجل مع وجود اختلافات محدودة في درجات الحرارة ، ولكن بالنسبة للمهام طويلة الأجل ، يجب اجتياز اختبارات التأهيل حتى في حالة انخفاض متطلبات الاختلافات في درجات الحرارة. للحالات التي تحتوي على عدد كبير من الاستنتاجات (أكثر من 500) ، تكون الاختبارات مطلوبة في جميع الحالات.
3. لا ينصح باستخدام مركب "underfill" في CCGAs بسبب الخلوص العالي بين العلبة ولوحة الدوائر المطبوعة. في حالة الاستخدام ، يجب أن يكون KTP للمركب قريبًا من KTP الخاص بلوحة الدوائر المطبوعة (الحمل في الطائرة) والاستنتاجات (التحميل في اتجاه المحور Z) ، بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري إجراء اختبارات فردية لكل تطبيق.
4. إذا كان من الضروري زيادة مقاومة الضغوط الميكانيكية ، فإن تثبيت الركن (تثبيت الركن الإنجليزية ، ربط الحافة) هو الأفضل في حالات CCGA و CBGA مقارنة بتكنولوجيا التعبئة السفلية. ومع ذلك ، حتى هنا يمكنك تقليل موثوقية المواد المحددة بشكل غير صحيح.

هناك بيانات أخرى: في أحد عروض JAXA ، يقال أن استخدامه لحالات CBGA يزيد من عدد الدورات قبل حدوث الفشل في المتوسط ​​1.7 مرة. في معظم الأحيان ، تُستخدم مركبات من النوع السفلي في حاويات من نوع CSP ، حيث تتمثل المهمة الرئيسية ، بأبعاد أقرب ما يمكن من حجم البلورة ، في ضمان الانتقال بين السليكون المنخفض KTP ولوحة الدوائر المطبوعة KTP. بالنسبة لمكونات BGA ، كما سبق ذكره ، من الضروري إجراء اختبارات في كل حالة محددة (دون إمكانية نقل النتائج حتى عندما تتغير إحدى المعلمات ، بما في ذلك التقنية) وفقًا لنموذج العوامل الخارجية المؤثرة.


كم عدد الدورات الحرارية التي يجب أن يتحملها الجسم؟ بالطبع ، هذا يعتمد على نموذج العوامل المؤثرة. باستخدام تقنية التجميع المُحسَّنة ، فإن معيار الموثوقية المعمم في حالة عدم وجود عيوب في 500 دورة من -60/125 satisfied راضٍ عن العديد من أنواع الحالات (انظر الجدول 2). ومع ذلك ، "ليست دورة حرارية واحدة" ، يجب ألا تتراكم العلبة الرطوبة ، بل يجب أن توفر مقاومة حرارية منخفضة ، ويجب أن توفر مقاومة للعوامل الميكانيكية ، إلخ. ووفقًا لقائمة المعايير الكاملة لحالات السيراميك ، فإن الموثوقية أعلى من الناحية الإحصائية. تقوم الشركات المصنعة للمكونات الإلكترونية للمعدات الفضائية ، مثل Aeroflex و MSK ، بإطلاق دوائرها الدقيقة في علب من السيراميك والزجاج المعدني. نعم ، لتنفيذ النوع BGA ، يؤدي التثبيت على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور إلى حدوث مشاكل بسبب عدم تطابق KTR ، لذلك يتعين عليك ابتكار طرق لزيادة موثوقية الاتصالات - تقليل سمك القاعدة ، واستخدام المطبات ، والمضاعفة ، إلخ.

من المهم أن نفهم أن الأمر لا يتعلق بتكنولوجيا التغليف بشكل عام ، ولكن ما إذا كانت دائرة كهربائية دقيقة تفي بمتطلبات الموثوقية ومقاومة العوامل المؤثرة. يمكنك استخدام دائرة كهربائية صغيرة في علبة بلاستيكية ، إذا نجحت في اجتياز دورة الاختبار الكاملة. في الوقت نفسه ، لن تعني الاختبارات الناجحة أن الدائرة الدقيقة "نفسها" من شركة تصنيع أخرى أو حتى من دفعة أخرى ستفي بمتطلبات الموثوقية. هذا هو الفرق بين البنك المركزي الأوروبي الموثوق به ، المتأصل في السعر - تتحمل الشركة المصنعة تكاليف الاختبارات. نفس 3D PLUS تنفذ مجموعة من الرقائق في البلاستيك لبعض المجموعات الدقيقة ، ولكن هذه المنتجات هي بالفعل أكثر تكلفة بكثير. هناك طريقة أخرى لإجراء الاختبار والاختيار على جانب المستهلك. يمكن تبرير ذلك إذا لم يتم تنفيذ الوظيفة المطلوبة في تنفيذ موثوق ، أو إذا كان نموذج التأثيرات الخارجية ومتطلبات الموثوقية للمهمة المستهدفة أقل بكثير من البطاريات الإلكترونية الموثوقة المعتادة في السوق.

إن الطلب على تقليل كتلة المركبات الفضائية (أولاً وقبل كل شيء ، تطوير المركبات الفضائية الصغيرة) يدفع الشركات المصنعة لإنتاج مكونات إلكترونية يمكن الاعتماد عليها في الحالات البلاستيكية ، وهناك بالفعل حلول في السوق (بالإضافة إلى ذلك ، يتم الإعلان عنها أيضًا كأخرى خاصة بالميزانية). ربما في المستقبل القريب ، ستنمو كمية المواد البلاستيكية الموثوقة المعتمدة من الفضاء لتلبية احتياجات المهمات المدارية ذات الأرض المنخفضة ، وسيتم نقل حالات السيراميك إلى لوحات الدوائر المطبوعة LTCC من أجل حرث المساحات العميقة.

أدب

[1] رضا غفاريان ، "BGAs لتطبيقات الموثوقية العالية" ، 1998.
[2] رضا غفاريان ، "تقييم موثوقية صفيف شبكة الكرة لتطبيقات الفضاء الجوي" ، 1997
[3] رضا غفاريان ، "تحليلات الاعتمادية والفشل في مجموعة مصفوفات الكرة الحلزونية ذات الدورة الحرارية" ، 1998
[4] رضا غفاريان ، "موثوقية حزم BGA للتطبيقات عالية الموثوقية وموثوقية مستوى لوح حزمة الحزمة" ، 1997
[5] رضا غفاريان ، "موثوقية التجميع لل BGAs وآثار إنهاء المجالس" ، 1998
[6] جان بول كليش ، "موثوقية اللحام المشتركة لمجموعات CSP مقابل BGA" ، 2000
[7] Raj N. Master ، Gregory B. Martin ، إلخ. "صفيف شبكة الكرة الخزفية لتطبيقات AMD K6 المشغلات الدقيقة" ، 1998
[8] رضا غفاريان ، "تأثير أنواع حزم مجموعة المساحة على موثوقية الجمعية والتعليقات على IPC-9701A" ، 2005
[9] رضا غفاريان ، "حزم CCGA للتطبيقات الفضائية" ، 2006
[10] FDBruce Houghton. "ITRI Project on Electroless Nickel / Immersion Gold Joint Cracking"، 2000
[11] FDBruce Houghton. "حل مشكلة ENIG Black Pad: تقرير ITRI في الجولة 2" ، 1999