כשל חומרי באריזות אלקטרוניות: גורמים ואמצעי מניעה

אריזה אלקטרונית משמשת ממשק קריטי בין מכשירים למחצה לבין הסביבה הסובבת, מתן תמיכה מכנית, חיבור חשמלי והגנה מפני לחות, contaminants, ונזק פיזי. כמו מערכות אלקטרוניות להיות קטנות יותר, מהיר יותר, ויותר כוח-דense, הדרישות על חומרי אריזה להגביר את עקרונות התעשייה מוכחים.חומר בתוך חבילות אלה נשאר גורם מוביל של תקלה, החזרי שטח, ואמינות.

גורם משותף של כשל חומרי ב- Electronic Packaging

כשל חומרי בחבילות אלקטרוניות בדרך כלל נובע משילוב של מתח תרמי, מכני, כימי וסביבתי.גורמים אלה אינטראקציה בדרכים מורכבות, לעתים קרובות מאיץ השפלה מעבר למה שכל מתח יחיד גורם לבד.מנגנוני הכישלון הנפוצים ביותר כוללים מתח תרמי המושרה על ידי coefficient של התרחבות תרמית (CTE) פגמים, נזק מכני מטיפול או רטט, לחות שמובילה לקורוז ודיכאון, והתאמה אישית, בכל אחד של ממשק חומרים אלה הוא חקר.

מתח תרמי ו- CTE Mismatch

דור חום הוא טבועה בפעילות אלקטרונית.כל מחזור כוח נושא את החבילה לשינויים בטמפרטורה, גרימת הרחבה וההפצה של חומרים מכוננים.כאשר חומרים עם CTE שונים - כגון סיליקון למות (CTE ⁇ 2.6 pm / ° C), תת-סטריט אורגני (CTE ⁇ 12-16 ppm / C), ו-Nirkframes (CTE ⁇ del 17m / C) - הם יחד עם מתח תרמיים, מתח נפשי, מכווץ, מכווץ, מלחץ לאחור, ממתחים, לחץ מכני, או מחזורי לחץ מכני, או מחזורי תיבות של מתח נפשי, או מתח נפשי, או מתח נפשי, או מתח נפשי, ממתחים, ממושכים מחדש, ממתחים, או מתח נפשי, ממושכים מחדש, או מחזוריכים מחדש, או מתחמיים חוזרים על פני מחזוריכים מחדש, לחץ מכני.

עייפות משותפת מכרה היא דוגמה קלאסית של כישלון מושרה תרמי.כדור הנמכר או נתקל עיוות פלסטיק מחזורי במהלך רכיבה תרמי על אופניים, המוביל לפצח את הניקוד לאורך גבולות דגנים. מכרים גבוהים, SAC (tin-silver-copper) ⁇ s, וזמני נמוך מוכרים את כל התנהגויות עייפות מובהקות שיש לקחת בחשבון עבור עיצוב.

(FLT:0Key Prevention: VisFLT:1) בחירת חומרים עם CTEs תואמים הדוק, ושימוש תחת חסות או encapsulation כדי להפיץ זנים תרמיים על פני שטח גדול יותר, הם אמצעי נגד יעילים.בחבילות מתקדמות כמו t-chip BGA, epoxy תחת פיפיל מפחית באופן דרמטי את הלחץ על התנגשויות נמכר.

מתח מכני: הלם, רטט, ו Handling

במהלך הייצור, המשלוח, ו- end-user טיפול, חבילות אלקטרוניות נחשפים לעומס מכני שיכול לעלות על כוח חומרי. Drop השפעות, במיוחד נפוץ במכשירים ניידים, יכול לגרום לפצח משותף של מכר, שבר תת-קרקעי, ו-Wip מעל פניית מעל למעריצים או סביבות רכב יכול להוביל לטרף ללבוש בממשקים מחוברים ועייפות מחזורית בנקודות interconnection.

אג"ח Wire רגישים במיוחד ללחץ מכני.אלומיניום או תפור זהב חווים מתח גבוה במהלך חיבור קולי; אי-צדק או כוח מופרז יכול לגרום לסדקים Heel או כדור האגרה.בנוסף, לוח מעגלים מודפס (PCB) גמיש במהלך הרכבה או בשירות bending יכול לגרום overstress-to-board קישוריות.התעשייה משתמשת בבדיקת JES-22-B111 ו- MILST-8 כדי להעפילות מכנית.

(FLT:0Key Prevention:BuildFLT:1) Robust מכני עיצוב כולל תכונות לחץ-relief כגון מילוי במפרקים מכר, אופטימיזציה גיאמטריה מובילה, והשימוש של תת-קרקעי עבה או יותר דוקטרטרי. עבור אג"ח חוט, מברשות ואופטימיזציה פרופיל capillary להפחית את ריכוזים.

תוקפנות וקורוזיה

(החדירה) היא אחת מצורות הכישלון המסומליות ביותר במיקרואלקטרוניקה מפוספסת מפלסטיק (Vapor) של pusss (Vol) במהירויות, בהתאם לטמפרטורה וללחות.פעם בפנים, לחות יכול לגרום כמה מנגנוני כשל: FLT:0פופקורינג'ר 1 (התפשטות של לחות נספגת, טמפרטורה ו- 3 ליטרים)

ספיגת Moisture גם מחיתה את המאפיינים המכניים של המתחם עצמו, צמצום Modulus וכוח דבקות, אשר מקל על דלמנטום.התעשייה משתמשת בבדיקות לחץ מואצות מאוד (HAST) עבור JESD22-A110 כדי להעריך עמידות לחות.פופקורינג מונע על ידי שליטה בחשיפה לחות (baking, יבשה) ועל ידי אופטימיזציה של תרכובות עובש עם לחות נמוכה ומלאה גבוהה.

(FLT:0Key Prevention:miaFLT:1 , ציפויי גדר כגון parylene, פוליimide או סיליקון מוחלים על אזורים רגישים.התתרמית (חבילות מטבוליות או קרמיקה) מציעה את ההגנה הגבוהה ביותר, אם כי בעלות מוגברת. עבור חבילות פלסטיק, לחות- Absorbing descants inמשלוחים ורמת רגישות לחות (L) ל- IPC/J20D2D מסייע לחשיפה לחשיפה לחשיפה לחשיפה לחשיפה לחשיפה ל-J20D.

תגובות על Incompatibility and Interfacial Reactions

גם כאשר חומרים בודדים הם סופר-דמוקרטיים, אינטראקציות בממשקים יכולים להציג כשל.בעיות בין-גזעיות נפוצות כוללות:0intermetallic תרכובת (IMC) היווצרות גזל:1 בממשקים ממכר-מטאלי (למשל, C3Sn ו- Cu6Sn5), אשר גדל עם הזדקנות תרמי ויכול להפוך לערים; LT2ird;

תגובות כימיות בין חומרי אריזה והסביבה (למשל, קורוזיה sulfur על כריות חוב כסף) הופכות נפוצות יותר בהגדרות תעשייתיות ורכביות.טן מרוקדת צמיחה משפע טהור של tin מציב סיכון קצר-circuit, מה שגורם אימוץ של ניקל מתחת לשכבות או tinalloy להשלים.

(FLT:0Key Prevention: VisFLT:1) Compatibility צריך להיות מאומת באמצעות בדיקות זוג חומריות: למות Shear, חוט מושך, הזדקנות תרמית. מחסומים Diffusion (למשל, ניקל או TiW) יכול למנוע את התפתחות אי-רצוי של IMC.

מדדים מונעים לכשל חומרי

מניעה יעילה דורשת גישה מערכתית המכסה את בחירת החומר, גיאומטריה עיצוב, ציפויים מגן, ובקרת תהליך הייצור.כל היבט חייב להיות מותאם לסביבה הספציפית של היישום (consumer, רכב, חלל, רפואי) להלן הקטגוריות העיקריות של אסטרטגיות מונעת.

בחירה ואופי

בחירת החומרים הנכונים היא קו ההגנה הראשון.המאפיינים המרכזיים כדי להעריך: CTE תואם סיליקון ו substrate, טמפרטורת מעבר זכוכית (Tg), flexural Modulus, ספיגת לחות, כוח דבקות, ו מוליכות תרמית. עבור יישומים עתירי לחות גבוהים, חבילות קרמיקה (alumina, אלומיניום), nitride) מציעים hermeticity מעולה וביצועים תרמיים יותר יקר.

חומרים מתקדמים כגון:0 (LCP) ,LCP) ,Squave:2polyimdesofFLT 3 משמשים עבור תת-סטריט גמישה, כאשר עיצוב ערימה החומרית, CTE של כל שכבה צריך להיות בתוך 3-5 ppm/C של שכבות ליד למזער את המלחמה.

בדיקת תכונות חומריות לפי IPC-4101 עבור מעבורת ומפרטים JEDEC עבור encapsulants מבטיחה עקביות נתונים. שיתוף פעולה ספק הוא קריטי - חברות בעלות גבוהה זכאיות מספר מקורות חומריים כדי להימנע תלות חד פעמית.

אופטימיזציה ל Stress Reduction

תכונות גיאומטריות יכולות להפיץ מחדש את הלחץ ולסלק נקודות של מתח גבוה.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) גיאומטריה פלאנט 1 על מפרקי מכר (רדיוס) כדי להפחית ריכוזי מתח בשוליים המשותפים.
(ב) ,0) נספח עובי שליטה על ההרחבה 1 - טיקר, נספח שכבות (למשל, epoxy מלא כסף או preforms) להכיל CTEmatch טוב יותר מאשר שכבות דקות, מתפתלות.
(ב) ,0) , הוראת מוות ממות (ב) 1:1 עם חוטים מדבקים כדי להימנע מחוט סחף וקוצר רוח במהלך הבזבוז.
(FLT:0) אופטימיזציה של הפריזדור פרימיטיבית 1:1 בחבילות BGA כדי למקסם את גובה הסטנדוף המשותף של מכר, אשר משפר את חיי העייפות תחת רכיבה תרמית.

(FLT:0) ניתוח אלמנט יסוד (FEA) קיד 1 הוא עכשיו סטנדרטי בעיצוב החבילה לחזות פרופילי מתח לזהות אזורים בסיכון גבוה לפני כוונון.מודלים סימבוליים המשלבים אי-לינאריות חומרית, זחילה ונוסטלטיים מניבים תחזיות חיים מדויקות.

קידודים מוגנים ו- Sealing Technologies

מחסומים סביבתיים חיוניים ללחות, למזהמים ולחשיפה כימית.ציפוי נפוצים כוללים:

(FLT:0) ציפויים מתקדמים (FLT:1) (קריליק, סיליקון, parylene): החל על ה- PCB ההתאספו כשכבה דיאלקטרית דקה. Parylenelenelene C יעיל במיוחד עבור מחסום לחות וכוח דיאלקטרי.
(ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0 (האדריכלות הרמטית: 1:1): מתכת (Kovar, Alloy 42) או קרמיקה (אלמומנה, LTCC) חבילות חתומות עם משחת מים או מכר; בשימוש בצבא, אווירוקל, ומכשירים מותאמים לשתלתול.
(FLT:0) מחסנים מתקדמים (FLT:1) עבור מחברים וממשקים חשופים - ג'לים סלייזון או חומרים מחוסנים המספקים הן איכות הסביבה והן להקלת זנים.

בחירה תלויה בטווח הטמפרטורה התפעולי (Slicone מבצע היטב עד 250 מעלות צלזיוס, parylene ל-130 מעלות צלזיוס) ועל שקיפות הנדרשת עבור מערכות אופטיות.שיטות מבחן עבור MIL-I-460 ו- IPC-CC-830 לאמת את השלמות וההתנגדות ל בידוד.

בקרת תהליכים וביטוח איכות

תהליכי ייצור מציגים לחצים שניתן למזער באמצעות בקרה זהירה:

(ב) [ה]: [ה], [ה],] [ה], [ה],]], [הכוח], כוח החיבור, וזמן צריך להתאים את הזמן להשגת גודל הכדור עקבי וכוח האג"ח מבלי לגרום לשחת סיליקון.
(FLT:0) העלאת טמפרטורה ופרופילי לחץ 1 (FAVEFIRLT:1): להבטיח מילוי מלא, להפחית את הריקים, ולהימנע מעמוד מלחמה מושרה מתח. Post-mold פעמים וטמפרטורות משפיעות על צפיפות בין-קשר ודבקות סופית.
(FLT:0) חידוש פרופילים שנמכרו בפרופילים של ההרחבה:1hil: טמפרטורה גבוהה וקצב הרמפה צריכים להישאר בתוך מאפה נמכר ומגבלות רכיב כדי למנוע זעזועים וזעזוע תרמי.
(FLT:0) ,CleantureFLT:1: שאריות של פלוקס, שפע, או טיפול יכול להאיץ את קורוזיה. Aqueous ניקוי עם מפרי מים מחוסנים הוא סטנדרטי; בדיקות זיהום אוויריות ionic עבור IPC-TM-650 מומלץ.

ניטור באינטרנט באמצעות מיקרוסקופיה אקוסטית (CSAM) עבור דלמנציה וריקות, כמו גם בדיקת רנטגן עבור איכות משותפת מכר, מספק גילוי מוקדם של בעיות לפני הבדיקה הסופית.

פרוטוקולי בדיקה ואימות

בדיקות אמינות מאמתות את העובדה שהבחירות החומריות והעיצוביות נפגשות בחיים הנדרשים בתנאים צפויים.בדיקות סטנדרטיות בתעשייה לאריזות אלקטרוניות כוללות:

(FLT:0) הרכיבה של טמפרל (TCT)FIRLT:1: −55 ° C ל +125 ° C, 500-1000 מחזורים, לאחר JEDEC JESD22-A104. המשמש כדי להעריך עייפות תרמית במפרקים וממשקים שנמכרים.
(FLT:0) ההלם ההלם (TST)FIRLT:1: העברה מהירה בין אמבטיות נוזליות (למשל, +150 ° C ל-65 מעלות צלזיוס) כדי לדמות תנודות טמפרטורה קיצוניות.
(FLT:0) Highly מואצת בדיקת מתח (HAST)IRLT:1: 130 מעלות C / 85% RH תחת הטיה, עבור JESD22-A110.
(FLT:0) זעזועים מכניים ורטטט 1 בינואר: ירידה במבחן JESD22-B111, רטט עבור שיטת MIL-STD-883 2007.
(ב) [ה]ה[[1924]]]] ו[[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]] ו[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]
(FLT:0) בדיקות מזהמים (Electromigration Testing) 1 על קווי מתכת ו- Solder נתקל בדחיסות גבוהה (למשל, 1×105 A/cm2).

קריטריונים Pass /fail מוגדרים על ידי המשכיות חשמלית, בדיקה חזותית, וניתוח cross-סעיף. וניתוח Weibull הוא לעתים קרובות מיושם על מנת למנוע נתונים כדי לחלץ מאפיינים חיים וגורמי האצה.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

ככל שהאריזה האלקטרונית מתפתחת לקראת שילוב גבוה יותר (3D ערימה, שבבים, אריזה ברמה של מעריצים), מצבי כישלונ חדשים ואסטרטגיות מיגנציה מופיעים.לדוגמה, FLT:0באמצעות-Silicon באמצעות (TSVs)uaFLT:1 מציג ריכוזים סביב הקצוות; ניסוח מלא נחושת דורש ניהול תרמי.

מוליכים למחצה רחבים (SiC, GaN) פועלים בטמפרטורות צומת גבוהות יותר (>200 מעלות צלזיוס), חומרי אריזה עם יציבות תרמית גדולה יותר - מנטרף כסף מת, תת-קרקעי קרמיקה, ו encapsulants עם דרישות יעילות גבוהות יותר של כלי רכב אוטונומיים ומכשירי IoT לדחוף לתחזיות על בסיס נתונים ופיסיקה - מודלים של חומרים לארצ'יל ולא גורמים פשוטים.

(FLT:0) Machine LearningveFLT:1) מתחיל לסייע בבחירת חומרים וחיזוי כישלונות, ניתוח נתונים גדולים ממבחנים כישורים כדי לזהות התאמות בין תכונות חומריות וכשלונות שדה. תאומים דיגיטליים של חבילות מאפשרים הסמכה וירטואלית, צמצום זמן אל השוק.

מסקנה

כשל חומרי באריזה אלקטרונית נשאר אתגר רב פנים הדורש הבנה עמוקה של אינטראקציות תרמיות, מכניות, סביבתיות וכימיקליות. על ידי התייחסות שיטתית ל- CTE לאות, מתח מכני, לחות, והתאמה חומרית באמצעות בחירה זהירה, אופטימיזציה עיצובית, ציפויי הגנה, ובקרת תהליכים קפדניים, מהנדסים יכולים לשפר באופן משמעותי את אמינות החבילה.

לקריאה נוספת, המשאבים החיצוניים הבאים מספקים הדרכה מפורטת: JEDEC Solid State Technology Evolution (FLT:0.jedec.orgearFLT:1), IPC Association Connecting Electronics Industries (OVAFLT:2 ,www.ipc.orgreaFLT 3:3), ו- NASA Electronic Parts ו- Packaging Program (Fevolved=NFLT:2 LT5).