Gasblasen in gelöteten Anschlußballs von BGAs

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1 Gasblasen in gelöteten Anschlußballs von BGAs Dr. Gert Vogel, Siemens AG, A&D CD CP TW1, Amberg Fehlerbild - Inline Röntgen - Feinfokus-Röntgen - metallographische Schliffe Analyse der Fehlerursache - ungelötete Leiterplatten - theoretische Überlegungen - präparative Untersuchungen Folgeuntersuchungen - reparierte Baugruppen - andere Leiterplattenoberflächen Zusammenfassung Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 1

2 Fehlerbild Röntgen-Kontrolle in der Baugruppenfertigung Angezeigter Fehler Die gelöteten Balls eines Ball-Grid-Arrays sind laut Röntgenkontrolle zu groß. Die Balls weisen Blasen auf. Blasen in einzelnen anderen Lötstellen. Die gesamte Produktionscharge ist betroffen. Mögliche Fehlerursachen Q Bauteile Q Lotpaste Q Leiterplatte Q Lötprozeß Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 2

3 Fehlerbild Verifizierung des Fehlerbildes mittels Feinfokus-Röntgen! Feinfokus-Röntgen zeigt Blasen in den Balls und in weiteren Lötstellen! Leiterplatte: Multilayer mit Microvias in Lötpads! Nur Leiterplatten eines Herstellers zeigen den Fehler.! Baugruppen mit Leiterplatten eines zweiten Herstellers sind nicht betroffen Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 3

4 Fehlerbild metallographische Schliffe Leiterplatten-Hersteller 1 Leiterplatten-Hersteller 2 Kleine und große Gasblasen im Ball; im Microvia keine intermetallischen Phasen auf dem Kupfer Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 4

5 Analyse der Fehlerursache ungelötete Leiterplatten Rückstellmuster der betroffenen Leiterplattencharge wurden vom Hersteller angefordert und mittels metallographischem Schliff und Feinfokus-Röntgen untersucht. Metallographischer Schliff durch Lötpad mit Microvia q Hohlraum, mit Lot überzeltet Feinfokus-Röntgen von BGA-Lötpads: Viele Microvias sind nicht mit SnPb-Lot gefüllt. Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 5

6 Analyse der Fehlerursache Blasen in normalen Lötstellen Röntgenaufnahme von normalen Lötstellen einer gelöteten Baugruppe " Blasen auch in normalen Lötstellen Röntgen einer ungelöteten Leiterplatte zeigt: Auch in normalen Lötpads sitzen Microvias " Blasen gleiche Ursache wie bei Balls Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 6

7 Analyse der Fehlerursache theoretische Überlegungen Fragestellung: Wodurch wird die Blase im Ball verursacht? Thermische Ausdehnung einer im Microvia eingeschlossenen Gasblase? Ist im Hohlraum des Microvias eine ausgasende Substanz eingeschlossen? Wird durch chemische Umwandlung (Flußmittel der Lotpaste + Oxide) ein Gas freigesetzt? Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 7

8 Analyse der Fehlerursache theoretische Überlegungen Volumen der größten gefundenen Blase im Lotball / Volumen des Microvias " V Blase / V Microvia = 67 Ausdehnung von Luft bei Temperaturerhöhung V 2 T 2 V 2 : Volumen bei Temperatur T (T 2 2 = 525 K) = V 1 : Volumen bei Temperatur T (T 1 1 = 300 K) V 1 T 1 Bei 250 C also = 1,75 Die Volumenausdehnung von Luft bei Temperaturerhöhung von 25 C auf 250 C beträgt nur 75%! Ausdehnung einer Flüssigkeit beim Verdampfen (Beispiel: Wasser) Unter Normalbedingungen beträgt das molare Normvolumen des idealen Gases V m0 = 22,4 m³/kmol, d h. daß sich z. B. 18 Gramm Wasser zu 22,4 Liter Wasserdampf ausdehnen (+ der oben angeführten Temperaturausdehnung). Das entspricht einer Volumenvergrößerung um mehr als einen Faktor 1700! Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 8

9 Analyse der Fehlerursache präparative Untersuchungen: Nachweis von Flüssigkeit in den Hohlräumen Analyse der Flüssigkeit mittels Infrarotspektroskopie war nicht möglich, da aus der Höhlung kein brauchbares Signal zu erhalten war. Mechanisches Entnehmen einer Probe gelang ebenfalls nicht. Präparation: Ungelötete Leiterplatte, Schliff bis an den Rand eines Microvias mit Hohlraum laut Röntgenbild, Schnitt mit Skalpell durch den Hohlraum im Microvia: Im Mikroskop ist eine Flüssigkeit sichtbar! (Spiegelung der Ringbeleuchtung an der Flüssigkeitsoberfläche) Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 9

10 Analyse der Fehlerursache präparative Untersuchungen: Nachweis von Flüssigkeit in den Hohlräumen Versuch: Erhitzen einer Leiterplatte unter dem Mikroskop Einzelne Microvias platzen gleich nach dem Schmelzen des Lotes auf. Erst bei Steigern der Temperatur auf über C blubbert es in den nächsten. Bei Temperaturen über 260 C platzen alle überzelteten Hohlräume der Microvias auf. Das Lot auf den Pads läuft meist in die jetzt offenliegenden Microvias, zum Teil mit Faltenbildung (Oxidhaut) auf der Oberfläche. Nähert man die Temperatur 300 C, wird eine Flüssigkeit über den aufgeplatzten Microvias durch Dunkelfärbung sichtbar. Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 10

11 Analyse der Fehlerursache präparative Untersuchungen: Nachweis von Flüssigkeit in den Hohlräumen Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 11

12 Analyse der Fehlerursache präparative Untersuchungen: Analyse der Flüssigkeit in den Hohlräumen IR-Spektren von Flußmittel und Lotabdecköl (Polyglycolether) im Anlieferungszustand und nach Erhitzung auf ca. 300 C wurden erstellt und mit den Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche von Pads über Microvias nach dem Aufplatzen der Höhlungen verglichen. Die IR-Spektren aller Proben sind identisch: Polyglycolether = Poly(ethylene glycol) Das beim Heißverzinnen (HAL) der Leiterplatten verwendete Flußmittel besteht aus Polyglycolether + 30 % H 2 O + 1 % HBr Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 12

13 Fehlerursache Zusammenfassung Beim Verzinnen der Leiterplatten (HAL = Hot Air Leveling, Horizontalanlage) werden Flußmittelreste in den Microvias eingekapselt. Die Flußmittelreste bestehen aus Polyglycolether. Polyglycolether hat selbst bei 240 C, der Löttemperatur, noch einen moderaten Dampfdruck, weshalb sich nicht die gesamte eingeschlossene Flüssigkeit in Dampf verwandelt, deshalb findet man auch relativ kleine Blasen in den Balls. Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 13

14 Folgeuntersuchungen reparierte Baugruppen Ablauf der Reparatur: - BGAs mit Heißluft auslöten - Pads mit Entlötlitze vom Lot befreien - neue Paste aufbringen - neue BGAs mit Flußmittel bestreichen - neue BGAs mit Heißluft löten Ergebnis: - Noch einzelne Blasen in den Balls, z. T. nicht mehr an den Microvias haftend " Verwurf der Baugruppen Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 14

15 Folgeuntersuchungen andere Leiterplattenoberflächen HAL-Oberfläche " chemisch Zinn - Oberfläche - Die Lotpaste füllt die Microvias nicht aus. - Es entstehen kleine Blasen über den Microvias. - Blasen sind durch Röntgen (fast) nicht nachweisbar. " Blasen dieser Größe werden nicht als Qualitätsrisiko erachtet. Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 15

16 Gasblasen in gelöteten Anschlußballs von BGAs Zusammenfassung der Ergebnisse Das Auftreten großer Gasblasen in gelöteten Balls von BGAs konnte auf Fehler des Leiterplatten-Lieferanten beim Hot Air Leveling (HAL) von Leiterplatten mit Microvias zurückgeführt werden. Dabei wurde Flußmittel (Polyglycolether) in den Microvias eingeschlossen. " Siedepunkt Flußmittel höher als Löttemperatur " nur teilweises Verdampfen der Flüssigkeit " verschieden große Blasen (>> Faktor 1.7, aber << Faktor 1700) Beim Entlöten der BGAs verbleiben Reste des Flußmittels in den Microvias oder auf den Pads und bilden wieder Blasen in den Lötstellen " keine zuverlässige Reparatur möglich Leiterplatten mit Microvias und chemisch Zinn - Oberfläche neigen zur Bildung kleiner Blasen über den Microvias. Dr. Vogel, SIEMENS AG, A&D CD CP SQA E, Amberg, , Fehleranalyse Blasen in gelöteten Balls von BGAs, Folie 16