Fehleranalyse an BGA Lötverbindungen

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1 Fehleranalyse an BGA Lötverbindungen Katja Reiter, Mario Reiter Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie Itzehoe 1 Einführung Die zunehmende Verwendung von moderner Elektronik (Handys, Computer, Smartphones, Tablets, Automobilelektronik) verlangt nach ständig fortschreitender Volumenminimierung bei gleichzeitig höherer Robustheit der Komponenten aufgrund mobilen Einsatzes. Die flächigen Bauteile (BGA, CSP, Flip Chip) gewinnen dadurch immer weiter an Bedeutung. Für hohe Pinzahlen sind vollflächige Anordnungen von Pins die effektivste Integrationsmöglichkeit auf der Leiterplatte. BGAs verbinden einfache Herstellung des Gehäuses mit einer guten mechanischen Stabilität der Pins, die als Lotkugeln auf der Gehäuseunterseite angebracht sind. Die BGA-Bauteile sind somit robuster als Bauteile mit peripheren Anschlüssen (z.b. QFP-, SO-Bauteile). Da sich bei den flächigen Bauteilen die Anschlüsse auf der Unterseite befinden, sind diese nicht in gewohnter Weise optisch inspizierbar und es müssen neue Analysemethoden zur Bewertung der Herstellqualität eingesetzt werden. Hierzu dienen Verfahren wie Endoskopie, Röntgen, Tomografie und Querschliffpräparation. Bei der optischen Inspektion mit einer Endoskopoptik lässt sich die Lötstelle hinsichtlich von außen erkennbarer Fehler wie Lotgeometrie, kalte Lötstellen und Benetzung beurteilen. Durch röntgenografische Untersuchungen lassen sich Informationen zur Benetzungsgeometrie, Lotvolumen, Lotverteilung und Porengehalt in den Lötungen gewinnen. Zur analytischen Unterstützung sind Querschliffe sinnvoll, die dass Innenleben der Lötstellen mikroskopisch darstellen können. Die metallographische Querschliffpräparation liefert Erkenntnisse zum Lotgefüge, zur Ausbildung von Grenzflächen, zur Darstellung von intermetallischen Phasen sowie zu Schädigungs- und Degradationsmechanismen in den Lötstellen bei entsprechenden mechanischen und/oder thermischen Belastungen. Als häufige Ausfallursache bei BGA-Lötstellen treten unter bestimmten Bedingungen spontane Sprödbrüche auf, die in der Arbeit näher erläutert werden. Um die Fehlermechanismen zu verstehen, wurden Videoaufahmen während des Lötens durchgeführt. Mit Hilfe von Röntgen-Videografie wird auch das Aufschmelzen der BGA-Lötkugeln in einer Lötanlage beobachtet, um den Mechanismus der Porenbildung in den Lötstellen zu verstehen. 2 Besonderheiten beim Einsatz von BGA-Bauteilen Ball Grid Arrays (BGA) und Chip Size Packages (CSP) sind eine Gehäuseformen für integrierte Schaltungen, bei der die Lötanschlüsse für eine SMD-Bestückung auf der Unterseite des Bauelements liegen (Bilder 1, 2). Die Anschlüsse sind kleine Lotkugeln, die in einem Raster aus Spalten und Zeilen aufgebracht sind. Diese Kugeln werden beim Reflow-Löten aufgeschmolzen und verbinden sich mit den Kontaktpads auf der Leiterplatte. Da sich die Anschlusspins auf der Unterseite des Bauteils befinden, sind die Lötstellen nicht mehr frei zugänglich.

2 Bild 1: BGA (Ball Grid Array) Bild 2: CSP (Chip Size Package) Bild 3: ERSASCOPEInspektionssystem Deutlich schwieriger erweist sich dadurch die Einschätzung der Lötqualität durch optische Inspektion. Die gewohnten optischen Bewertungskriterien für freiliegende Lötstellen wie Meniskenkontur, Glanz und Rauhigkeit sind nicht mehr trivial einsetzbar. Abhilfe schafft ein endoskopisches Inspektionssystem (Bild 3), welches erlaubt, unter einem 90 Winkel in einen engen Spalt zwischen BGA-Bauteil und Leiterplatte zu sehen und die versteckten Lötstellen auf etwaige Fehler zu inspizieren. Mit einer solchen Inspektionseinheit können einfache, außenliegende Fehler der BGA-Lötung erkannt und entsprechend korrigiert werden. Eine recht zuverlässige Aussage zur Lötqualität kann man mit der Endoskopinspektion nur für die äußere Ballreihe generieren. Das Inspektionsergebnis ist abhängig von der Höhe der Lotfuge. Je enger der Abstand umso schwieriger wird die Bewertung aufgrund verringerter Beleuchtung. Bild 4 zeigt einen BGA, bei dem keine signifikante Verbindung zur Leiterplatte hergestellt werden konnte. In Bild 5 ist das gleiche Phänomen auch im Inneren des Bauteiles zu sehen, dargestellt durch eine 2D-Röntgendurchstrahlung. Bild 4: Ungenügendes Zusammenschmelzen von Ball und Lotpastendepot (Ersascope) Bild 5: Ungenügendes Zusammenschmelzen von Ball und Lotpastendepot (Röntgen) Die Ursachen können vielfältig sein: Benetzungsfähigkeit von Ball oder Leiterplatte sind eingeschränkt, der Pastenauftrag ist fehlerhaft, Lotpaste mit unzureichender Aktivierung, Versatz zwischen Bauteil und Landeflächen, unangepasstes Lötprofil. Eine Ursache für eine eingeschränkte Benetzungsfähigkeit der BGA-Balls kann deren Oberflächenzustand sein. Bild 6 zeigt einen einwandfreien, metallisch reinen BGA-Ball, der raue Erstarrungsstrukturen auf der Oberfläche aufweist. Diese sind unkritisch und behindern den Lötvorgang nicht. Problematisch hingegen sind Verunreinigungen auf der Ball-Oberfläche (Bild 7), die die Lötbarkeit des BGA-Bauteils massiv verringern können.

3 Bild 6: BGA-Ball ohne Verunreinigung (REM) Bild 7: BGA-Ball mit verunreinigter Oberfläche (REM) Die verringerte Lötbarkeit der verunreinigten Balls lässt sich mit Hilfe von Benetzungskraftmessungen mit niedrig schmelzendem Lot messen. In Bild 8 erkennt man eine gute Benetzungsfähigkeit des metallisch sauberen BGA-Balls. Im Gegensatz dazu lässt sich der durch organische Verunreinigungen kontaminierte BGA-Ball überhaupt nicht benetzen (Bild 9). Bild 8: BGA-Ball im Idealzustand (Benetzungskraftmessungen) Bild 9: BGA-Ball mit deutlichen Verunreinigungen (Benetzungskraftmessungen) Mit dem endoskopischen Inspektionssystem, Röntgendurchstrahlung, Tomografie und Querschliffen lassen sich auch Fehler nachweisen, die z.b. auf den Herstellprozess (Pastendruck, Bestücken, Löten) zurückzuführen sind. In den folgenden Bildern sind Beispiele für: Bauteilversatz (Bilder 10a und 10b) nicht aufgeschmolzene Lotpaste (ungenügende Wärme) - Bilder 11a und 11b fehlendes Zusammensacken der Balls bzw. Einschwimmen des Bauteils (Bilder12a und 12b) Abfließen des Lotes in benachbarte Durchkontaktierungen (Bilder 13-15) große Poren (speziell bei Vias in Padflächen) (Bilder 16-18) zu sehen.

4 Bild 10a: Versatz (Ersascope) Bild 11a: nichtaufgeschmolzene Lotpaste (Ersascope) Bild 12a: Ungenügendes Zusammenschmelzen von Ball (Tomograph) Bild 10b: Versatz (2D-Röntgen) Bild 11b: nichtaufgeschmolzene Lotpaste (2D-Röntgen) Bild 12b: Ungenügendes Zusammenschmelzen von Ball (Querschliff) Der Bauteilversatz wird bei BGAs in der Praxis recht häufig durch den Lötprozess ausgeglichen. Ob dies funktioniert, hängt vom Gewicht der Komponente, der Oberflächenspannung des Lotes aber auch von Lotpastenmenge und der Kontaktfläche zwischen Pastenlot und Lotball ab. Die Oberflächenspannung wiederum ist abhängig von der Art der Lotlegierung und der Löttemperatur. In den Bildern 10a,b ist ein deutlicher Bauteilversatz zu erkennen. Eine Ursache kann eine ungenügende Löttemperatur sein. Bild 11a,b zeigt nicht aufgeschmolzene Lötpaste unter dem Bauteil, ein Einschwimmen wird aufgrund der unzureichenden Oberflächenspannung des Lotes somit nicht möglich. In den Bildern 12a,b ist keine ausreichende Vermischung des Pastenlotes mit dem Lötball zustande gekommen. Ursache ist die Verwendung von zwei verschiedenen Lotlegierungen (Pastenlot: SnPb, Lotball: SnAgCu). Die Löttemperatur war an den bleihaltigen Lötprozess angepasst und war im vorliegenden Fall unzureichend für ein höher schmelzendes, bleifreies BGA-Bauteil. Weitere Fehlermöglichkeiten sind in den Bildern dargestellt. Auch wenn Lotpastendruck und Temperaturprofil i.o. sind, können weitere Unzulänglichkeiten auftreten. In den Bildern13 und 14 erkennt man einen Lotball mit reduziertem Lotvolumen. Verantwortlich ist nicht ein Fehler beim Lotpastendruck (verringertes Lotvolumen), sondern eine Besonderheit beim Design. Das Lot kann von der Padfläche über eine Durchkontaktierung auf die Rückseite der Leiterplatte abfließen. Im Extremfall fließt das gesamte Lot aus der Verbindungszone ab (Bild 15) und es kommt keine zuverlässige Verbindung zustande.

5 Bild 13: Abfließen des Lotes in eine Durchkontaktierung (Ersascope) Bild 14: Abfließen des Lotes in eine Durchkontaktierung (Querschliff) Bild 15: Abfließen des Lotes in eine Durchkontaktierung (2D-Röntgen) Einen ähnlichen Effekt kann man auch bei kleineren, vergrabenen Vias in Padflächen beobachten. Hier kann zwar kein Lot abfließen, weil das Via nur einseitig offen ist, aber die im Via durch den Lotpastendruck eingeschlossene Luft führt im Lötprozess zu großen Poren im Lotvolumen (Bilder 16-18). Beträgt der Porenanteil in der Lötstelle 25% oder mehr, ist die Lötverbindung nicht mehr als zuverlässig zu bewerten und erfüllt somit nicht die Anforderungen gängiger Normative (z.b. IPC A610E). Bild 16: Große Poren durch Vias in Pad Bild 17: Große Poren im Lotgefüge Bild 18: Große Poren durch Vias im Pad (Querschliff) Neben der Bewertung der Herstellqualität von BGA-Lötungen ist auch die Langlebigkeit der Verbindungen gefordert (dauerhaft zuverlässiger Einsatz). Eine typische Belastung während des Einsatzes von BGA-Bauteilen sind Temperaturwechsel. Durch diese Temperaturwechselbelastung werden i.d.r. die Lötstellen geschädigt. Dies äußert sich zunächst in Versetzungen auf dem Lotmeniskus und Vergröberungen im Lotgefüge in der Belastungszone. Bei bleihaltigen Loten sind diese Gefügevergröberungen recht gut zu erkennen (Bild 19). In der Folge können sich Risse bilden. Die bleifreien Lote haben deutlich höhere Kriechfestigkeiten und können somit größere Spannungen auf die Umgebung übertragen. In Bild 20 ist eine deutliche Verformung der BGA-Balls erkennbar und zudem ein Abheben der Padflächen vom Leiterplattenmaterial. Bild 19: Gefügevergröberung und Riss im Lotvolumen Bild 20: Ausreißen von Padflächen Bild 21: Sprödbruch der Leiterplattenseite

6 Ein Sonderfall für eine Lötstellenschädigung liegt in Bild 21 vor. Hier handelt es sich um einen Sprödbruch der nach dem Löten bei mechanischen Belastungen (Stoß, Verbiegung, Vibration) auftreten kann. Kritisch beim Fehlerbild Sprödbruch ist es, dass dieser Fehler nicht durch eine einfache optische Inspektion vor dem Bestücken der Leiterplatte erkannt werden kann und während des Lötens keinerlei Auffälligkeiten auftreten. Erst beim Test oder im Feld beim Kunden wird der Fehler entdeckt. Oft sind nur wenige Pads betroffen. Der Sprödbruch tritt zumeist auf der Leiterplattenseite auf, kann aber auch bauteilseitig auftreten (Bild 22). Der Sprödbruch wird mit einem erhöhten Phosphorgehalt in der Nickelschicht (Nickelabscheidung) oder Nickelkorrosion in Verbindung gebracht. Das intermetallische Phasenwachstum wird durch die Nickelkorrosion zusätzlich beeinflusst und es entstehen übereinander verschiedene intermetallische Phasen aus Sn, Ni, Cu, evtl. auch Mischungen mit Gold und Phosphor. Die Haftung zwischen den verschiedenen intermetallischen Phasen kann u.u. deutlich reduziert sein. Auf der ungelöteten Leiterplatte kann man vereinzelt Nickelkorrosion erkennen. Diese Korrosion äußert sich z.b. in Form von tiefen Gräben zwischen den Nickelkörnern (Bild 23). Auch im Querschliff der gelöteten Verbindung kann man bei sprödbruchanfälligen Lötstellen eine Phosphoranreicherung in der Grenzfläche erkennen. Diese wird als dünne Linie zwischen Nickelschicht und intermetallischer Phase im Querschliff sichtbar. Bild 24 zeigt diese Phosphoranreicherung im Rasterelektronenmikroskop. Pb Sn IP P Ni Cu Bild 22: Trennung zwischen intermetallischer Phase und Nickelschicht Bild 23 : Tiefe Gräben zwischen den Nickelkörnern (Nickelkorrosion) Bild 24: Grenzfläche mit Phosphoranreicherung auf der Nickelschicht Zusammenfassung In modernen elektronischen Baugruppen finden BGA-Bauteile immer häufiger Verwendung. Im vorliegenden Beitrag werden Fehlermöglichkeiten bei der Verarbeitung der BGA-Bauteile vorgestellt. Es werden verschiedene Inspektions- und Analysemöglichkeiten zur Beurteilung der Herstellqualität und Zuverlässigkeit von BGA-Verbindungen erläutert. Zusätzlich werden BGA- spezifische Eigenschaften aufgezeigt, damit Anwender dieser Bauteile für mögliche Problemstellungen sensibilisiert werden.