Einfluss der Hitzeschildpositionen auf die Nacharbeit

Jun 12, 2024

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15118 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurde die Wirksamkeit der Platzierung von Hitzeschilden während des Nachbearbeitungsprozesses untersucht, um thermische und mechanische Schäden an benachbarten Ball-Grid-Array-Komponenten und deren Lötverbindungen auf doppelseitigen Leiterplattenbestückungen zu vermeiden. Es wurden drei Arten von Hitzeschild-Platzierungsstellen verwendet: Probe X, individuelle Hitzeschild-Platzierung auf angrenzenden Komponenten der Nacharbeitsstelle; Probe Y, ein U-förmiger, und Probe Z, ein quadratischer Hitzeschild, der jeweils am Ort der Wärmequelle platziert ist. Die Ergebnisse des Färbe- und Zugtests, der Infrarot-Thermografie und der Temperaturmessungen wurden analysiert, um den Zusammenhang zwischen der Position des Hitzeschilds und Schäden an der Lötstelle während der Nacharbeit zu verstehen. Durch die Platzierung eines Hitzeschilds an der Stelle der Wärmequelle auf der nachbearbeiteten Komponente können die Spitzentemperaturen an den angrenzenden Stellen der nachbearbeiteten Komponente um bis zu 8,18 % gesenkt werden. Die Spitzentemperaturen in der Mitte und Ecke der BGA-Komponente können unter 195 °C bzw. 210 °C gehalten werden, um die Lötverbindungsqualität der angrenzenden Nacharbeitskomponentenpositionen zu verbessern, indem Schäden an der Lötstelle um mehr als 50 % der Lötrisse reduziert werden. Dies ist nützlich für das Wärmemanagement bei Nacharbeiten, die die Platzierung von Ball-Grid-Array-Komponenten mit hoher Dichte auf doppelseitigen Leiterplattenbestückungen erfordern.

Nacharbeiten bei der Leiterplattenbestückung (PCBA) werden in der Fertigungsindustrie häufig eingesetzt, um Abfall zu reduzieren und dadurch den Gesamtumsatz des Unternehmens zu steigern. PCBA-Nacharbeiten werden in Zeiten schwieriger Komponentenbeschaffung, erhöhtem Bedarf an Flexibilität und kurzen Produktentwicklungszyklen, damit das Produkt marktreif wird, immer wichtiger1,2. Der Hauptvorteil der Überarbeitung einer PCBA besteht darin, dass sie je nach Ausmaß des Schadens schneller durchgeführt werden kann als der Austausch3.

Der Prozess der Nachbearbeitung von BGA-Komponenten (Ball Grid Array) wird als Area-Array-Nachbearbeitung bezeichnet. Die Lötstellen sind unter dem Komponentenkörper verborgen, was die Nachbearbeitung von Area-Array-Geräten schwieriger macht4. Die Kombination aus den höheren Betriebstemperaturanforderungen des bleifreien Lötens und der empfindlichen Natur von Flächenarray-Komponenten erschwert die Festlegung eines Nacharbeitsverfahrens für bleifreie BGA-Komponenten5. Beim High-Density-Produktdesign werden mehrere BGA-Komponenten nahe beieinander platziert; Daher besteht für die benachbarten Nacharbeitskomponentenpositionen ein hohes Risiko, dass sie während der Nacharbeit thermischen Rückflüssen ausgesetzt sind6. Mehrere Hindernisse können nur durch die Einführung neuer oder überarbeiteter Methoden überwunden werden, wie z. B. engere thermische Profile und extreme Präzision bei PCBA-Nachbearbeitungsverfahren7.

Ein Hitzeschild wird verwendet, um thermische oder mechanische Schäden an der Komponente, der Leiterplatte (PCB), angrenzenden Nacharbeitskomponentenpositionen und Lötstellen zu vermeiden. Der Hitzeschild kann das Temperaturdelta zwischen der Unter- und Oberseite der PCBA während des Rework-Heißluft-Reflow-Prozesses zur BGA-Entnahme und -Montage minimieren und so die Wärmeübertragung auf benachbarte Komponenten reduzieren8. Bauteilschäden und Lötstellenrisse können durch unbeabsichtigtes Aufschmelzen benachbarter Bauteillötstellen verursacht werden9. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Zinnlot und Kupferpads kommt es während des Montageprozesses und im Betrieb der Lötverbindungen zu intermetallischen Verbindungen (IMC)10. Schlechte mechanische Eigenschaften des Lots können durch eine sehr dicke IMC-Schicht verursacht werden. Darüber hinaus hat die Form des IMC einen großen Einfluss darauf, wie zuverlässig Lötverbindungen sind11. Aufgrund ihrer intrinsischen Sprödigkeit bricht dickes IMC leicht, und durch eine Längstransformation verursachte Spannungen, die durch Minusvolumenreaktionen verursacht werden und sich an der Löt-/IMC-Grenzfläche und innerhalb der IMC-Schicht ansammeln, können zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen12. Der Hitzeschild während des Nacharbeitsprozesses verhindert außerdem, dass die IMC-Schichten auf den Lötstellen der angrenzenden Komponenten zu dick werden, was sich auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Lötstelle auswirken könnte13. Begrenzte Studien haben sich mit dem Wärmemanagement mithilfe eines Hitzeschilds während der Nacharbeit befasst, bei der Komponenten mit hoher Dichte auf doppelseitigen PCBA platziert werden14,15.

Das Hauptziel dieser Studie besteht darin, die Wirksamkeit der Hitzeschild-Platzierungsstellen während des Nacharbeitsprozesses zu untersuchen, um thermische und mechanische Schäden an den angrenzenden Komponenten der Nacharbeitsstelle und ihren Lötverbindungen sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der PCBA-Seite zu vermeiden. Zu diesem Zweck wurde (a) eine Infrarot-Thermografiekamera verwendet, um die Wärmeverteilung auf der Oberfläche der BGA-Komponenten während des Nachbearbeitungsprozesses zu ermitteln; (b) die Wärmeverteilung auf der Lötstellenanordnung wurde mithilfe von Temperaturmessungen über Thermoelementdrähte (TC) validiert; (c) Färbe- und Zugtests wurden verwendet, um die Risse in den Lötverbindungen nach der Nacharbeit zu bestimmen; und (d) die Ergebnisse des Färbe- und Zugtests sowie die Temperaturmessungen wurden qualitativ und quantitativ analysiert, um den Zusammenhang zwischen den Platzierungsstellen des Hitzeschilds und der Beschädigung der Lötstellen der angrenzenden Komponenten während der Nacharbeit besser zu verstehen.

Die Spitzentemperaturergebnisse für alle Proben sind in Abb. 1a für die umgebenden Komponenten auf der oberen PCBA-Seite dargestellt. Abb. 1b zeigt die Spitzentemperaturergebnisse für die Positionen der Spiegelkomponenten auf der Unterseite der PCBA. Die Variabilitätsdiagramme zeigen, dass während des Nacharbeitsprozesses eine Wechselwirkung zwischen der Art der Platzierungsorte des Hitzeschilds und der Spitzentemperatur sowohl in der Mitte als auch in der Ecke des BGA für die obere und untere PCBA-Seite bestand. Die höchste Spitzentemperatur wurde bei Probe W festgestellt, die ohne Hitzeschild nachbearbeitet wurde. Bei den Proben

Variabilitätsdiagramm für die Spitzentemperatur in der Mitte und Ecke des BGA für alle Proben: (a) – obere PCBA-Seite; (b) – untere PCBA-Seite.

Der Bereich der Spitzentemperaturen in den Ecken sowohl der oberen als auch der unteren PCBA-Seite war bei allen Proben kleiner als der Bereich der Spitzentemperaturen in der Mitte. Diese Beobachtung stimmt mit Sommerer et al.16 überein, wo die Position der TC-Drähte vom Standort der Wärmequelle mit der Menge der Wärmeabsorption korreliert. Weng und Martin17 berichteten außerdem, dass die TC-Temperaturmesswerte je nach Standort des Hitzeschilds vor der Wärmequelle schwankten. Bei den Proben Probe Y hatte eine niedrigere minimale Spitzentemperatur als die Proben Der Mittelwert der durch die Dreiecksformen angezeigten Spitzentemperaturen zeigte einen Abwärtstrend, was auf eine Temperaturreduzierung durch die Verwendung des Hitzeschilds während des Nacharbeitsprozesses hindeutet.

Die Validierung durch Infrarot-Thermografie bestätigte die Wärmeableitung der Komponenten in den PCBA-Proben während der Nacharbeit18. Wärmere Temperaturen, bei denen mehr Wärme und Infrarotstrahlung abgegeben werden, werden durch hellere Farben (Rot, Orange und Gelb) angezeigt, während kühlere Temperaturen durch Lila und Dunkelblau oder Schwarz angezeigt werden, bei denen weniger Wärme und Infrarotstrahlung abgegeben wird19. Hier unten sehen Sie Bilder der Temperaturverteilung ohne Hitzeschildanwendung und Abb. 2 und die Hitzeschildanwendung in Abb. 3. Fotos der BGA-Komponenten auf der oberen PCBA-Seite während des Nacharbeitsprozesses wurden mit einer normalen Kamera als Referenz aufgenommen die Infrarot-Thermografiebilder.

Foto (a) und Infrarot-Thermografiebild (b) während des Nachbearbeitungsprozesses für Probe W (kein Hitzeschild).

Foto (a) und Infrarot-Thermografiebild (b) während des Nachbearbeitungsprozesses für Probe Z (mit einem quadratischen Hitzeschild).

Die hellgelbe Farbe entsprach der Wärmequelle, die von der Heißluftdüse kam, die auf der Seite der angrenzenden Komponenten des Nacharbeitsorts für Probe W in Abb. 2b zu sehen ist, was auf eine Oberflächentemperatur von 293,1 °C hinweist. Dies war auf den schnellen Temperaturanstieg an der Seite der Oberfläche der angrenzenden BGA-Komponenten während des Nacharbeitsprozesses zurückzuführen. Die leuchtend gelbe Farbe der Wärmequelle zeigte an, dass die Oberflächentemperatur von 333,9 °C gemäß der Wärmeskala ordnungsgemäß in Probe Z enthalten war, wie in Abb. 3b dargestellt. Die angrenzenden Komponenten des Nacharbeitsortes waren dunkelorange, was darauf hindeutet, dass die Temperatur niedriger war als die der Wärmequelle. Durch die Anwendung des Hitzeschilds während des Nacharbeitsprozesses sank die Temperatur der angrenzenden BGA-Komponenten der Nacharbeitsstelle, ebenso wie der aktive Wärmeverteilungsbereich.

Abbildung 4 zeigt die Anzahl der BGA-Lötstellen, die von der Farbstoffpenetration betroffen sind, sowohl für die obere als auch für die untere PBCA-Seite in allen Proben. Die Anzahl der betroffenen Lötstellen war bei den Proben Y und Z gegenüber der Probe W geringer, was zeigte, dass die Hitzeschilde eine Reduzierung thermischer Schäden an den Lötstellen ermöglichten. Probe Das Ergebnis weicht vom erwarteten Ergebnis der Platzierung des Hitzeschilds ab.

Balkendiagramm zur Anzahl der von der Farbstoffpenetration betroffenen Lötstellen über alle Proben hinweg.

Die innere Hitzeschildwand erzeugt Strahlungswärme aus der Heißluftkonvektionswärme, die mit der äußeren Hitzeschildwand interagiert. Die Wechselwirkung erzeugte eine vorübergehende Wärmeübertragung von der Außenseite zur Innenseite der Hitzeschildwand, wodurch leitende Wärme in Richtung der PCBA-Oberfläche und der BGA-Lötstellen übertragen wurde, wie in Abb. 5 dargestellt. Dies steht im Einklang mit den Erkenntnissen von Stein et al.20 zum Thema Temperaturverteilungsbedingungen innerhalb des Hitzeschildes. Kong et al.21 berichteten, dass thermische Ermüdungsausfälle von Lötverbindungen in einem niedrigeren Temperaturschwankungsbereich auftreten können.

Schematische Darstellung der Kombination von Konvektions-, Strahlungs- und Wärmeleitungswechselwirkungen an den Lötstellen der BGA-Komponenten in Probe X während der Nacharbeit.

Der Schweregrad des Farbstoffdurchdringungsprozentsatzes und seine Korrelation mit den Mittel- und Ecktemperaturen jeder benachbarten Komponente der Nacharbeitsstelle sind in den Abbildungen dargestellt. 6a bzw. b. Probe W hatte mit 76–100 % die stärkste Farbstoffpenetration und trat hauptsächlich an der Unterseite auf. Dies lag daran, dass bei der Nacharbeit kein Hitzeschild angebracht wurde. Die Proben Darüber hinaus wurde eine Farbstoffdurchdringung von 51–75 % auf der Unterseite von Probe Eine Farbstoffpenetration von 51 % und mehr trat auf, wenn die Kerntemperatur der angrenzenden Komponenten der Nacharbeitsstelle 195 °C überstieg. Ähnliche Ergebnisse wurden beobachtet, wenn die Ecktemperatur der angrenzenden BGA-Komponente 210 °C überstieg.

Farbstoffdurchdringung % mit dem Einfluss von Temperaturunterschieden im Bereich der BGA-Komponenten: (a) – Mitte der BGA-Komponenten; (b) – Ecke der BGA-Komponenten.

In dieser Studie kann die Temperatur der angrenzenden Komponenten des Nacharbeitsorts während des Nacharbeitsprozesses durch gezielte Anpassung an die Platzierungsorte des Hitzeschilds gesenkt werden. Infrarot-Thermografiebilder wurden mithilfe der Temperaturmessung der TC-Drähte validiert, um das Wärmeverteilungsbild der Oberflächentemperatur der BGA-Komponenten und die tatsächliche Spitzentemperatur der Lötstellenanordnung zu integrieren. Der Beispiel-Z-Hitzeschild-Platzierungsstandort wies die effektivste Wärmereduzierung an den angrenzenden Komponenten des Nacharbeitsorts auf, wo die mittleren Spitzentemperaturen auf der oberen PCBA-Seite für die BGA-Komponentenmitte und -ecke um 6,70 % bzw. 6,85 % reduziert wurden.

Auf der unteren PCBA-Seite betrug die Wärmereduzierung für die mittlere Spitzentemperatur der BGA-Komponente 7,58 % in der Mitte und 8,18 % an der Ecke. Eine Farbstoffdurchdringung von mehr als 50 % aufgrund des Risses in der Lötstelle kann verhindert werden, solange die Temperatur der benachbarten Komponenten des Nacharbeitsorts unter 195 °C bzw. 210 °C für die Mitte und Ecke des BGA-Bauteils gehalten werden kann. während des Nacharbeitsprozesses. Diese Feststellung steht im Einklang mit Chen et al.22, dass eine Verringerung der Temperaturbelastung der Lötstellen die Auswirkungen von Zuverlässigkeitsproblemen verringert, wie z. B. die Verdickung der IMC-Schicht, die sich auf die Scherfestigkeit der Lötstellen auswirkt.

Diese Studie bietet eine Methode zur Lösung des Problems der Platzierungspositionen von Hitzeschilden bei der Überarbeitung der Platzierung hochdichter BGA-Komponenten auf doppelseitigen PCBA. Das Wärmemanagement während des Nacharbeitsprozesses wurde mithilfe von Hitzeschilden effektiv durchgeführt. Durch die Platzierung des Hitzeschildes am Ort der Wärmequelle kann die Temperatur benachbarter Komponenten des Nacharbeitsortes während des Nacharbeitsprozesses gesenkt werden. Diese Methode kann erfolgreich zur Nachbearbeitung von hochdichten BGA-Komponenten eingesetzt werden, die auf doppelseitigen PCBAs bestückt sind. Durch die Kombination eines quadratischen Hitzeschilds mit der Platzierung an der Stelle der Wärmequelle, an der sich die nachbearbeitete Komponente befindet, können die Spitzentemperaturen an den angrenzenden Komponenten der Nachbearbeitungsstelle um bis zu 8,18 % gesenkt werden. Es kann auch eine Spitzentemperatur unter 195 °C bzw. 210 °C für die Mitte und die Ecke der BGA-Komponente aufrechterhalten, um die Qualität der Lötverbindung durch Reduzierung von Schäden an der Lötstelle zu verbessern.

Als Testfahrzeuge wurden vier Variablen verwendet, wie in Tabelle 1 dargestellt: Probe W: Nacharbeit ohne Hitzeschild als Kontrollprobe; Probe X: Nacharbeit durch Anbringen von Hitzeschilden an benachbarten Komponenten des Nacharbeitsortes; Probe Y: Nacharbeit durch Anbringen eines U-förmigen Hitzeschilds an der Wärmequelle und Probe Z: Nacharbeit durch Anbringen eines quadratischen Hitzeschilds an der Wärmequelle. Für jede Probe befanden sich zwölf BGA-Komponenten oben und unten auf der PCBA. Auf jeder Seite der PCBA befanden sich sechs BGA-Komponenten, die einander spiegeln. Für diese Untersuchung wurden zehn benachbarte BGA-Komponenten aus dem Nacharbeitsbereich auf der oberen (U1, U2, U4, U5, U6) und unteren (U7, U8, U9, U11, U12) PCBA untersucht. Der Messabstand zwischen den BGAs ist in Abb. 7 dargestellt. Ein BGA-Bauteil (U3) auf der Oberseite der PCBA wurde mit einer Rework-Maschine nachbearbeitet. Das Alphabet „U“ wurde ausgewählt, da es sich um einen Standard-Referenzbezeichner für eine integrierte Schaltkreiskomponente gemäß ASME Y14.44-200823 handelt.

Schematische Darstellung der Position der BGA-Komponenten und der überarbeiteten Komponentenposition (U3).

Jede BGA-Komponente besteht aus 132 Lotkugeln mit einer unbestückten Mittelsäule. Der Durchmesser der Lötkugeln der BGA-Komponente betrug 0,49 ± 0,5 mm. Die Einzelheiten zur Materialzusammensetzung der bleifreien Lotkugel und der Lotpaste sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Lotpaste wurde vor dem Nacharbeitsprozess für die BGA-Komponentenmontage verwendet. Die Leiterplatte besteht aus 14 Schichten und die Oberfläche besteht aus einem organischen Lötschutzmittel (OSP) mit durch die Lötmaske definierten Kontaktflächen.

Das Reflow-Profil basierte auf einem bleifreien Rework-Prozesstemperaturprofil, das eine Vorwärmung zwischen 100 und 190 °C erforderte. Die Einweich- oder Vorwärmaktivierungstemperatur betrug 90 Sekunden lang 140–220 °C. Die Komponentenanstiegsrate betrug 2–4 °C pro Sekunde. Die Reflow-Verweiltemperatur betrug 80 Sekunden lang 220–230 °C. Die Spitzentemperatur der Lötstelle wurde 15 Sekunden lang bei 230 °C gehalten.

Hitzeschilde wurden aufgrund ihres Reflexionsvermögens, Emissionsvermögens, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer spezifischen Wärmekapazität aus Edelstahlblech hergestellt24. Es ist außerdem kostengünstig, langlebig und anpassbar25. Es wurden drei Arten von Hitzeschild-Platzierungsstellen verwendet: Probe X mit individueller Hitzeschild-Platzierung auf angrenzenden Komponenten der Nacharbeitsstelle, wie in Abb. 8a dargestellt; Probe Y unter Verwendung einer U-förmigen Hitzeschildanordnung am Ort der Wärmequelle, wie in Abb. 8b dargestellt; und Probe Z unter Verwendung eines quadratischen Hitzeschildes am Ort der Wärmequelle, wie in Abb. 8c dargestellt. Die Dicke des Edelstahlblechs betrug 0,8 mm. Die Abmessungen des Hitzeschildes betrugen 5 mm Höhe, 12,69 mm Breite und 18 mm Länge.

Schematische Darstellung der Platzierungsorte der Hitzeschilde: (a) – ein einzelner Hitzeschild an angrenzenden Komponenten der Nacharbeitsstelle; (b) – ein U-förmiger Hitzeschild auf der Nacharbeitskomponente; (c) – ein quadratischer Hitzeschild auf der Nacharbeitskomponente.

Die TC-Drähte wurden zur Nachbearbeitung des Temperaturprofils verwendet. Die PCBA-Probe wurde gebohrt, um die TC-Perle und die Drähte richtig auf der Lötstelle der BGA-Komponente zu platzieren, was gemäß dem Schema in Abb. 9 überwacht werden muss. Die Löcher aus dem Bohrvorgang wurden mit Epoxidharz bedeckt. Die TC-Drähte wurden auf der Nacharbeit, der Spiegel-Nacharbeit und fünf angrenzenden Komponenten sowohl auf der oberen als auch auf der unteren PCBA-Seite platziert, wie in Abb. 10 dargestellt. Die Platzierung der TC-Drähte basierte auf den IPC-7095D-WAM1-Empfehlungen, um den niedrigsten Wert darzustellen Bereiche mit der höchsten thermischen Masse26. Die TC-Drähte wurden an der Nachbearbeitungsmaschine angebracht, um die Temperatur der nachbearbeiteten und angrenzenden Komponenten zu überwachen und gleichzeitig die gewünschte Position der nachzubearbeitenden BGA-Komponente mit heißer Luft aus der Heißluftdüse und der unteren Konvektionsheizung freizulegen. Für dieses Experiment wurden nur Temperaturen benachbarter BGA-Komponenten der Nacharbeitsstelle auf der oberen und unteren PCBA aufgezeichnet und analysiert.

Schematische Darstellung der Platzierung des TC-Drahts auf der Lötstelle der BGA-Komponente.

Schematische Darstellung der Platzierungspositionen der TC-Drähte auf überarbeiteten und angrenzenden BGA-Komponenten der überarbeiteten Stelle.

Die PCBA-Proben wurden 9 Stunden lang bei 125 °C in einem Ofen gebacken, um Feuchtigkeit zu entfernen und einen Thermoschock auf der PCBA27 zu verhindern. Die Probe wurde mit einer Nacharbeitspalette gesichert und auf die Nacharbeitsmaschine gelegt. Der Nacharbeitsprozess umfasste das Entfernen des defekten Bauteils, das Reinigen der Bauteilpads von Lötrückständen, den Austausch des Bauteils und das Aufschmelzen der Bauteillötstellen. Das überarbeitete Zielbauteil U3 wurde mithilfe einer Heißluftdüse und Vakuumabsaugung von der PCBA entfernt. Lötrückstände auf der PCBA wurden durch Auftragen von Flussmittelpaste auf den Bereich und Verwendung eines Lötkolbens und eines Entlötgeflechts entfernt. Anschließend wurden die Flussmittelrückstände mit einer Reinigungslösung gereinigt.

Die nachbearbeiteten BGA-Komponenten wurden durch Auftragen einer Flussmittelpaste auf die Lötstellen der BGA-Komponenten und anschließendes Heißluft-Reflow-Löten über die Nacharbeitsmaschine zusammengebaut28. Die Heißluftquelle für den Ausbau und Zusammenbau kam von der oberen Düse und der unteren Konvektionsheizung der Nacharbeitsmaschine, wie in den Abbildungen dargestellt. 11a–c. Während der Komponentenmontage müssen alle Lötverbindungen den Schmelzpunkt bleifreier Legierungen im Bereich von 217–220 °C erreichen, um eine gute metallurgische Bindung (IMC-Bildung) zwischen den Lötlegierungen und den Grundmetallen der Leiterplattenpads zu erreichen29. Bei den Proben

Schematische Darstellung einer BGA-Komponente, die überarbeitet wird: (a) – ohne Verwendung des Hitzeschilds (Probe W); (b) – mit dem Hitzeschild an angrenzenden Komponenten der Nacharbeitsstelle (Probe X); (c) – mit dem Hitzeschild auf der Wärmequelle (Probe Y und Z).

Eine Infrarot-Thermografiekamera Fluke Ti400 wurde verwendet, um die Wärmeverteilung auf der Oberfläche der Standorte der BGA-Komponenten während des Nachbearbeitungsprozesses zu erfassen. Die Wärmebildtechnik misst nicht nur die BGA-Oberflächentemperatur, sondern liefert auch Informationen über Wärmeeinbrüche und Heterogenität im Inneren oder Untergrund des Objekts30. Diese Infrarot-Thermografiekamera kann die von den BGA-Komponenten während des Nacharbeitsprozesses abgegebene Infrarotstrahlung messen und erfassen. Der Temperaturbereich dieser Kamera reicht von −20 bis +1200 °C, was dem Rework-Löttemperaturbereich der BGA-Komponenten für die Analyse entspricht.

An allen Proben und BGA-Komponenten wurden Färbe- und Zugtests durchgeführt, um mögliche Indikatoren für Lötstellenrisse bei Nacharbeiten und angrenzenden BGA-Komponenten zu ermitteln31. An den PCBA-Proben wurden erste optische und Röntgeninspektionen durchgeführt, um Anzeichen von physischen Schäden oder Belastungen an den überarbeiteten und angrenzenden Komponenten festzustellen. Um die BGA-Komponenten von den PCB-Pads zu trennen, wurde ein Zugtester verwendet. Die BGA-Komponenten wurden mit einem optischen Nikon Eclipse LV150NL-Mikroskop32 auf Anzeichen von Farbstoffen untersucht.

Die Lötstelle der BGA-Komponenten wurde nach dem Entfernen der BGA-Komponenten auf Farbstoffdurchdringung untersucht. Die Orte und Prozentsätze der Farbstoffanzeigen wurden aufgezeichnet und analysiert. Der Prozentsatz der Farbdurchdringungsabdeckung wurde basierend auf der Farbabdeckung, die den Kreisquadranten ausfüllt, berechnet, wie in Abb. 1233 dargestellt. Die prozentualen Werte der Farbdurchdringungsabdeckung sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Prozentsatz der Farbdurchdringungsabdeckung.

Für quantitative Analysen und Berechnungen wurden die Software Minitab und JMP komplementär verwendet. Die nacharbeitsbedingten Ergebnisse des Wärmemanagements wurden analysiert; Es wurden die Schwankung der Spitzentemperatur, ein Balkendiagramm zur Anzahl der betroffenen Lötstellen und ein Variabilitätsdiagramm für die Ergebnisse des Färbe- und Zugtests erstellt34.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind von Western Digital® erhältlich, es gelten jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit dieser Daten, die unter Lizenz für die aktuelle Studie verwendet wurden und daher nicht öffentlich verfügbar sind. Daten sind jedoch auf begründete Anfrage und mit Genehmigung von Western Digital® bei den Autoren erhältlich. Alle Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Wu, X., Zhang, C. & Du, W. Eine Analyse zur Krise der „Chipknappheit“ in der Automobilindustrie – Basierend auf dem doppelten Einfluss von COVID-19 und Handelskonflikten. J. Phys. Konf. Ser. 1971, 012100 (2021).

Artikel Google Scholar

Marinova, G. & Bitri, A. Herausforderungen und Chancen für die Halbleiter- und Elektronikdesign-Automatisierungsindustrie in den Jahren nach Covid-19. IOP-Konf. Ser. Mater. Wissenschaft. Ing. 1208, 012036 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Fontana, G., Ruggeri, S., Legnani, G. & Fassi, I. Präzise Handhabung elektronischer Komponenten für die PCB-Nachbearbeitung. Int. Präzise. Montage. Semin. 52–60 (2014).

Migalska, A. & Pawlus, W. Optimierung der Lieferkette zur Minderung des Mangels an elektronischen Komponenten bei der Herstellung von Telekommunikationsnetzwerkgeräten. IEEE Int. Symp. Ind. Elektron. 474–479 (2020).

Weitao, Z., Haibing, Z., Xiaole, K. & Dehong, M. Studie zum Nacharbeitsprozess von BGA-Komponenten. Int. Konf. Elektron. Paket. Technol. 681–684 (2015).

Patel, S. et al. Löt-Eintauchverfahren für die Baugruppe eines keramischen Column-Grid-Array-Gehäuses für Raumfahrtanwendungen. IEEE Trans. Compon. Paket. Hersteller Technol. 10, 717–722 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Caplan, A. Die Zukunft der Miniatur- und Mikrominiatur-Elektronikreparatur auf Komponentenebene. 2015 IEEE AUTOTESTCON. 240–243 (2015).

Yuile, A. & Wiese, S. Simulation von Temperaturprofilen in Reflow-Öfen für Lötflächen-Array-Komponenten. 2019 22. Eur. Mikroelektron. Paket. Konf. & Ex. (EMPC). 1–5 (2019).

Zain, S., Ani, F., Ramli, M., Jalar, A. & Bakar, M. Einfluss des Feuchtigkeitsgehalts auf die Rissbildung beim Reflow-Löten von Ball Grid Array (BGA)-Komponenten. Int. Konf. Ing. Technol. Innov. ICE/ITMC. 309–314 (2021).

Bi, Mater. Wissenschaft. Ing. A 788, 139589 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, H., Hu, X. & Jiang, X. Auswirkungen von Ni-modifizierten MWCNTs auf die mikrostrukturelle Entwicklung und Scherfestigkeit von Sn-3,0Ag-0,5Cu-Verbundlötverbindungen. Mater. Charakter. 163, 110287 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Qiao, Y., Ma, H., Yu, F. & Zhao, N. Quasi-in-situ-Beobachtung der Diffusionsanisotropie dominierte das asymmetrische Wachstum von Cu-Sn-IMCs unter Temperaturgradienten. Acta Mater. 217, 117168 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Bakar, M., Jalar, A., Atiqah, A. & Ismail, N. Bedeutung der intermetallischen Verbindungsschicht (IMC) für die Zuverlässigkeit einer Lötverbindung, Methoden zur Messung der IMC-Schichtdicke. Jüngste. Prog. Bleifreie Löttechnologie. 239–263 (2022).

Du, J. & Raz, Z. Ein Zuverlässigkeitsqualifizierungsprozess für BGA-Nacharbeitsgrenzen. Int. Konf. Informieren. Kontrolle. Autom. Roboter. 776–781 (2019).

Du, J. Zuverlässigkeitsanalyse für PCA mit hoher Dichte nach mehreren BGA-Überarbeitungen. Int. Konf. Syst. Zuverlässig. Wissenschaft. ICSRS. 192–198 (2018).

Sommerer, Y., Drouin, V., Nicolas, Turbomach. Technische Konf. Ausstellungen. Band 5A: Wärmeübertragung. (2016).

Weng, H. & Martin, A. Numerische Untersuchung geometrischer Effekte des Hitzeschilds der Sternenstaub-Rückkehrkapsel. AIAA SciTech. Forum - 55. AIAA Aerosp. Wissenschaft. Treffen. (2015).

Silveira, J., Li, Z., Fushinobu, K., Yasui, R. & Shinoda, T. Schätzung der Wärmeerzeugung in Halbleitern, die zentral auf Leiterplatten montiert sind. IEEE Trans. Compon. Paket. Hersteller Technol. 12, 280–287 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Budiarti, P., Kusumawardhani, A. & Setijono, H. Analyse der thermischen Signatur des menschlichen Gesichts beim Joggen mithilfe der Infrarot-Thermografietechnik. ISPHOA Proc. 101500 (2016).

Stein, P., Marinescu, G., Born, D. & Lerch, M. Auf thermischer Modellierung und mechanischer Integrität basierender Entwurf eines Hitzeschildes am Innengehäuse einer Hochdruckmodul-Solardampfturbine mit Schwerpunkt auf der Lebensdauer. Turbomach. Technisch. Konf. Ausstellungen. Bd. 5c: Wärmeübertragung. (2014).

Kong, X., Lu, F. & Li, W. Die Anwendung der transienten thermischen Analyse bei der Analyse der thermischen Ermüdungslebensdauer von Lötverbindungen. Proz. Annu. Konf. Progn. Gesundheitsmanagement Soc. 71–74 (2014).

Chen, C., Sun, M., Cheng, Z. & Liang, Y. Mikrostrukturentwicklung und Scherfestigkeit der Cu/Au80Sn20/Cu-Lötverbindungen mit mehreren Reflow-Temperaturen. Materialien. 15, 780 (2022).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hanifan, R. Elektrische Referenzbezeichnungen. In Springer Briefs in Applied Sciences and Technology 59–67 (Springer, 2014).

Google Scholar

Nie, Z. et al. Mathematische Modell- und Energieeffizienzanalyse eines Siemens-Reaktors mit Quarzkeramikauskleidung. Appl. Therm. Ing. 199, 117522 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Rane, T., Chakravarty, A. & Klebaner, A. Parametrische Studie zur Verwendung von Edelstahl als Material für den Wärmeschutz in der PIP2IT-Transferlinie bei Fermilab. IOP. Konf. Ser. Mater. Wissenschaft. Ing. 278, 012200 (2017).

Artikel Google Scholar

Ciszewski, P. et al. Eine vergleichende Analyse von Trocknungsmethoden für gedruckte Schaltungen für die Zuverlässigkeit des Montageprozesses. Mikroelektron. Zuverlässig. 129, 114478 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Thomas, O., Hunt, C. & Wickham, M. Finite-Differenzen-Modellierung der Feuchtigkeitsdiffusion in Leiterplatten mit Masseebenen. Mikroelektron. Zuverlässig. 52, 253–261 (2012).

Artikel Google Scholar

Chou, S. et al. Testmethode zur Bewertung eines robusten Ball-Grid-Array-Flussmittels (BGA). Proz. 2016 IEEE 18. Elektron. Paket. Technol. Konf. EPTC. 623–628 (2016).

Abu Bakar, M., Jalar, A., Ismail, R. & Daud, A. Richtungswachstumsverhalten der intermetallischen Verbindung von Sn3,0Ag0,5Cu/ImSn, die thermischen Zyklen ausgesetzt ist. Mater. Wissenschaft. Forum. 857, 36–39 (2016).

Artikel Google Scholar

Bae, J. et al. Design, Herstellung und Leistungsbewertung eines tragbaren und großflächigen Schwarzkörpersystems. Sensoren. 20, 5836 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Reddy, V., Ume, I., Williamson, J. & Sitaraman, S. Bewertung der Qualität von BGA-Lötkugeln in FCBGA-Gehäusen, die einem Temperaturwechsel-Zuverlässigkeitstest unter Verwendung der Laser-Ultraschall-Inspektionstechnik unterzogen wurden. IEEE Trans. Compon. Paket. Hersteller Technol. 11, 589–597 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Jalar, A., Bakar, M. & Ismail, R. Temperaturabhängigkeit der elastisch-plastischen Eigenschaften der Fine-Pitch-Lötverbindung SAC 0307 unter Verwendung des Nanoindentation-Ansatzes. Metall. Mater. Trans. A: Physik. Metall. Mater. Wissenschaft. 51, 1221–1228 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Chen, C., Lee, J., Lee, D. & Lin, A. Die Fehlermodusstudie des mit Polymerkugeln verbundenen IC-Pakets unter thermisch-mechanischer Belastung auf Platinenebene. Int. Mikrosystem. Paket. Zusammenbau. Schaltungen Technol. Konf. AUSWIRKUNGEN. 424–427 (2016).

El-Sharkawy, A. & Uddin, A. Entwicklung eines transienten thermischen Analysemodells für Motorlager. SAE Int. J. Mater. Hersteller 9, 268–275 (2016).

Artikel Google Scholar

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Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung bedanken, die Western Digital® über SanDisk Storage Malaysia Sdn. Bhd. durch ein Forschungsstipendium (RR-2020-004) und Zusammenarbeit mit der Universiti Kebangsaan Malaysia.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Abang Annuar Ehsan, Azman Jalar, John Burke, Zol Effendi Zolkefli und Erwan Basiron.

Western Digital®, Sandisk Storage Malaysia Sdn. Bhd., Grundstück 301A, Persiaran Cassia Selatan 1, 14100, Seberang Perai Selatan, Penang, Malaysia

Adlil Aizat Ismail, John Burke, Zol Effendi Zolkefli und Erwan Basiron

Institut für Mikrotechnik und Nanoelektronik, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600, Bangi, Malaysia

Adlil Aizat Ismail, Maria Abu Bakar, Abang Annuar Ehsan und Azman Jalar

Abteilung für Angewandte Physik, Fakultät für Naturwissenschaften und Technologie, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600, Bangi, Malaysia

Azman Jalar

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AI und ZZ führten Nachbearbeitungsprobenvorbereitungen, Temperaturmessungen, Färbe- und Zugtests, Infrarot-Thermografie und Analysen durch. Datenvalidierung und allgemeine Empfehlungen wurden von JB, AI und EB bereitgestellt. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von AI verfasst und alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Die Aufsicht, das Schreiben, die Überprüfung und Bearbeitung sowie die Beschaffung von Fördermitteln wurden von MA, AE und AJ durchgeführt. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt. Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen.

Korrespondenz mit Maria Abu Bakar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ismail, AA, Bakar, MA, Ehsan, AA et al. Einfluss der Hitzeschildpositionen auf das nacharbeitsbedingte Wärmemanagement in der Ball-Grid-Array-Lötverbindung. Sci Rep 12, 15118 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19436-6

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Eingegangen: 29. April 2022

Angenommen: 29. August 2022

Veröffentlicht: 06. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19436-6

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