Luty niskotemperaturowe: pełen proces LTS czy proces hybrydowy?

Za zbadanie jakości połączeń lutowniczych na bazie past zawierających bizmut zabrał się zespół inżynierów firmy AMD, publikując wyniki badań w pracy Low Temperature Solder-SMT Manufacturability and Quality Considerations For BGA Components. Zespół przyjrzał się w szczególności hybrydowemu procesowi LTS, zdefiniowanemu jako łączenie w procesie reflow BGA z kulkami SAC305 z padami z pastą LTS. Ponadto analizie poddano też proces całkowicie oparty na LTS.

Udany proces SMT wymaga fizycznego kontaktu między pastą nadrukowaną na PCB a pakietem BGA. Zespoły elektroniczne rzadko są doskonale płaskie i mają wrodzoną skłonność do deformacji, u której podłoża tkwi niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (coefficient of thermal expansion, CTE) w przypadku różnych materiałów stosowanych w jednym procesie. Dokładne zrozumienie natury interakcji BGA i PCB jest zdaniem autorów krytycznym czynnikiem w zrozumieniu wydajności procesu SMT.

Zakresy topnienia stopów LTS na bazie Sn-Bi wynoszą od 138°C do 175°C w porównaniu do ~217°C dla tradycyjnego SAC305, co pozwala na niższy profil szczytowy etapu reflow. Generalnie, niższa temperatura procesu SMT przekłada się na zmniejszoną wielkość odkształceń obudów BGA. Pasty Sn-Bi są definiowane jako stopy ‘prawie eutektyczne’ (57-58% wg Bi) lub stopy nieeutektyczne (35-40% wg Bi), które reprezentują różny poziom kompromisu pomiędzy łatwością produkcji a niezawodnością. Aby zmaksymalizować wydajność SMT LTS, kluczowe jest zrozumienie zachowania odkształceń obudowy w powiązaniu z odkształceniami PCB w celu zidentyfikowania optymalnego wyboru materiału i odpowiednich parametrów procesu.

Podczas gdy proces LTS wydaje się ogólnie zmniejszać odkształcenia obudowy i płytki, istnieje zwiększona wrażliwość na odkształcenie dynamiczne, który zwiększa ryzyko, szczególnie w przypadku hybrydowego LTS SMT. Wynika to niehomogenicznych materiałów i swoistego ‘zapadnięcia się’ kulki lutowniczej SAC305 w pastę LTS, jak pokazano schematycznie na Rysunku 1. Ponadto osobnym problemem może być zmiana kierunku wypaczania się BGA, która ma miejsce przy temperaturze, w której obudowa zmienia kształt z ‘płaczącej buźki’ na ‘uśmiechniętą’ lub odwrotnie. Na przykład, opisywana zmiana kształtu następuje w temperaturze ~150°C.

W przypadku gdy obudowa odsuwa się od płytki, obserwuje się jeszcze inny defekt, zwany ‘gorącym rozdarciem’ (hot tear) (rysunek 3), występujący zwykle pod sztywniejszym obszarem matrycy. W przypadku jednorodnego procesu SMT, wymagania dotyczące odkształceń są jasno ustalone w ramach norm JEDEC, jednak nie istnieją takie wytyczne branżowe dla połączeń hybrydowych.

Autorzy omawianego artykułu przeprowadzili szereg eksperymentów na dwóch pakietach BGA, wypróbowując kilka zmiennych procesu. Po opis szczegółowego przebiegu eksperymentu i jego cząstkowe wyniki odsyłamy do źródła, dostępnego pod tym linkiem:

W podsumowaniu wyników swoich badań zespół naukowców z AMD pisze, iż o ile nie nastąpi znacząca redukcja odkształceń obudowy w zakresie od 190°C do 240°C, ryzyko przewyższa korzyści w przypadku hybrydowego procesu LTS. Na podstawie obszernej charakterystyki zespół był w stanie ustalić warunki brzegowe dla różnych obudów BGA, najlepiej dostosowane do różnych warunków SMT, których podsumowanie prezentuje Rysunek 3. Przejście na jednorodny proces LTS dopuszcza znacznie szerszy zakres odkształceń i większe okno procesu w porównaniu do hybrydowego LTS. Pełen proces LTS jest więc zdaniem autorów preferowaną ogólną ścieżką rozwojową procesu LTS SMT.

Żródło: Low Temperature Solder-SMT Manufacturability and Quality Considerations For BGA Components © AMD

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!