Почему происходит отвал чипа на самом деле

в 8:52, , рубрики: BGA, Железо, пайка, Производство и разработка электроники

За не имением возможности ответить в виде комментария на статью «Устройство кристалла ИМС с шариковыми выводами и почему происходит отвал», приходится писать полноценную публикацию в песочницу.

Как таковой причины отвала в статье я и не увидел, и вот сейчас буду рассказывать как у меня получилось познакомиться с этим замечательным явлением и какие выводы для себя из этого сделал.

Почему происходит отвал чипа на самом деле - 1

С чего всё началось

Дело было так давно, что уже деталей толком и не упомнить, но главным героем стал ноутбук с дискретной видеокартой NVidia семейства 8х00.

После самостоятельной диагностики выяснилось, что имеем в наличии отвал чипа и многочисленные советы с форумов, ютуба и т.п., которые говорили, что надо делать реболлинг( по форумным свидетельствам подвальных мастеров случай отвала кристалла от подложки редок в районе 5% хотя автор комментируемой таким образом статьи высказывает диаметрально противоположную точку зрения). С лечением вроде бы всё ясно, а как быть с профилактикой?

Кто виноват?

Оказалось, что серию 8х00 пришлось сразу на две новых технологии сказавшихся на сроке службы: изменения состава клея кристалла к подложке, и изменение состава припоя для шариков — он лишился свинца.Если с клеем как-то всё очень мутно, то с припоем уже проще. Вот тут и начался увлекательный процесс поиска информации про пайку.

Начнём с основы припоя-олова.

Немного википедии
О́лово (лат. Stannum; обозначается символом Sn) — элемент 14-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы IV группы), пятого периода, с атомным номером 50[3]. Относится к группе лёгких металлов. При нормальных условиях простое вещество олово — пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета. Олово образует две аллотропические модификации: ниже 13,2 °C устойчивое α-олово (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза, выше 13,2 °C устойчиво β-олово (белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой. Температура плавления 231,9 °C.

Из-за своей особенности при 13,2 °C менять тип кристаллической решётки (а за одно и плотность) в современности не используется в чистом виде для пайки, но в прошлом такая особенность стоила людям жизни. По мимо этой особенности хватает и других, например вместо сплавов олово любит образовывать интерметаллиды.

И снова википедия
Интерметалли́д (интерметаллическое соединение) — химическое соединение двух или более металлов. Интерметаллиды, как и другие химические соединения, имеют фиксированное соотношение между компонентами. Интерметаллиды обладают, как правило, высокой твёрдостью и высокой химической стойкостью. Очень часто интерметаллиды имеют более высокую температуру плавления, чем исходные металлы. Почти все интерметаллиды хрупки, так как связь между атомами в решётке становится ковалентной или ионной, а не металлической.

В том числе и с медью. Чем это заканчивается? Прошу прощения за Paint.

Почему происходит отвал чипа на самом деле - 2

Тонкая прослойка между оловом и медью (а ещё практически любым другим металлом который используют на производстве в качестве проводника или покрытия, в том числе никелем) оказывается напичкана хрупкими соединениями.

Первоначально использовали сплав свинца и олова для пайки радиоэлектронной аппаратуры.Но что даёт нам свинец? Он снижает температуру плавления и «отвлекает внимание» олова на себя, при этом не создавая интерметаллидов — вот так всё «просто» (на самом деле не просто, да и интерметаллиды всё равно образуются хоть и в меньшем количестве и несильно сконцентрированы). Чего только не намешивают в бессвинцовые припои чтобы хоть как-то сделать их похожими на старый добрый(вот только не для монтажников) ПОС-61, но успеха по всем фронтам так и не добились, то температура плавления слишком большая, то припой хрупкий, то смачиваемость плохая, а то вообще ползёт под нагрузкой, при этом всегда стабильно дороже.

А ещё не маловажная особенность свинца в том, что припои с его содержанием пластичны, но не текучи — небольшие механические напряжения приложенные к паяному соединению не приводят к растрескиванию или «съезду», а ведь механические напряжения будут всегда (кстати как давно у вас кристалл процессора отваливался от подложки?) проблема в том что подложка нагревается относительно равномерно, а вот плата к которой она припаяна нет — из-за этого плату начинает «пучить» ещё раз простите за Paint:

Почему происходит отвал чипа на самом деле - 3

Именно по этой причине отвал чипа распаянного на плате гораздо чаще чем отвал кристалла от подложки.

И какие из этого следуют выводы?

В первую очередь отвал чипа происходит из-за механических напряжений по месту пайки причём наиболее заметное влияние оказывают переменные напряжения.

Откуда они берутся — вибрация (в том числе и системы охлаждения) или циклическим нагреванием / охлаждением (термоциклирование). Из старого курсовика по машиностроению мне известно, что при циклических нагрузках срок службы:

L=k/(n·σ^3.33)

где:
k — некоторая константа зависящая от кучи параметров
n — количество циклов
σ — механическое напряжение

Отсюда следует вывод, что наибольший профит даёт уменьшение σ- то есть уменьшение вибраций или нагрева, но и n пренебрегать не стоит (вы никогда не задумывались почему большая часть электроники дохнет именно на включении? — Да стартовые токи больше, но и про нагрев с комнатной температуры до рабочей забывать не стоит, хотя иногда рабочая температура бывает такой большой что приборчик дольше проживёт если его выключать на время простоя) как я боролся с n и σ тема отдельной истории.

P.S. Пайка это почти что искусство, несмотря на длительное изучение проблемы, моя статья-комментарий очень поверхностное описание проблемы «отвал чипа», каждый год появляются новые публикации исследований (а сколько исследований не публикуют!?) вот и процессе написания статьи мне стало известно о более значительном влиянии термоциклирования в связи с рекристаллизацией припоя.

Автор: Foolleren

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля