Kvalitetskontroll / felanalys av elektronik

Kvalitetskontroll / felanalys av elektronik 12/6/07 Göran Wetter Swerea IVF goran.wetter@swerea.se

Kvalitetskontroll / felanalys av elektronik Typiska analyser inkluderar: Analys av lödresultat m a p lodvätning, blåsor (voids) och lodsprut Analys av kretskort m a p delaminering, sprickbildning eller korrosionsrelaterade defekter i komponenter, lödfogar (anslutningar) eller mönsterkort Analys av renhet på mönsterkort eller kretskort Analys av lödfogskvalitet m a p mekaniska egenskaper drag/skjuvhållfasthet, utmattning mm Allmän avsyning av komponentkvalitet eller mönsterkortskvalitet 2015-10-16 2

Avsynings-/analysmetoder 2015-10-16 3

Optical inspection with stereo microscope Solder bridging between chip capacitors Open solder joint on SOT23 component Manual visual inspection with respect to defects or process indicators according to e.g. the standard/guideline: IPC-A-610 Acceptability of Electronic Assemblies 2015-10-16 4

Optical inspection Endoscopic inspection (fiber optics) of area array component using ERSASCOPE 2015-10-16 5

Optical Microscopy Application From low magnification optical inspection of large electronic items, such as PCB assemblies, to high magnification examination of cross- section samples. Employs various illumination modes. Digital image aquisition. Typical data (metallurgical microscope) Max magnification Up to 2000X Max. resolution 0.2 1 µm light source dependent Max. depth of focus 250 µm (10X) 0.1 µm (1000X) 2015-10-16 6

Microfocus X-ray inspection Application Real-time transmission X-ray inspection of the internal structure of electronics products, ranging from very small components up to large PCB assemblies, with respect to e g solder joint or PCB laminate quality Typical data Max resolution: 2 µm Depth of foucus Acc.voltage 10 200 kv Max. sample thickn. 80 mm Al (δ=2.7 g/cm 3 ) 20 mm Fe (δ=7.8 g/cm 3 ) 2015-10-16 7

SAM (Scanning Acoustic Microscopy) Application Ultrasonic inspection of the internal structure and interfaces of electronic products, with respect to defects such as delamination, voids and cracks. Sample is submersed in destilled H 2 0 Principle: Typical data Resolution: lateral 10 µm (at 230 MHz) vertical <0,1 µm Transducer range: typical 5 MHz 230 MHz 2015-10-16 8

SEM (Scanning Electron Microscopy) Application High resolution imaging of the structure of surface products or cross-section samples. Used in combination with EDS for elemental characterisation. Principle: Typical data Max magn. Max. resolution Depth of focus > 100 000 X 1 10 nm mm for low magn. µm for high magn. Chamber vacuum10-6 mbar (high vacuum mode) 30 mbar (low vacuum mode) 2015-10-16 9

EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) EDS spot analysis showing signals from Cu, Ag and S. 2015-10-16 10 Mapping of solder joint on PCB showing distribution of Pb, Sn, O, Na and Cu Elemental characterisation of contaminants and materials in electronics using scanning electron microscopy (SEM) combined with energy dispersive spectroscopy (EDS) equipment

Ion chromatography Application: Analysis of surface products on bare PCBs, assembled PCBs or components Method: Object is soaked in ultra clean H 2 0 + ultrasonic agitation A few ml of the dilutent (H 2 0 +ion contaminants) is introduced into the ion chromatograph for analysis Left: Spectrum from standard sample analysis showing typical ionic species found in various flux residues or contamination substances (fluoride, chloride, etc) 2015-10-16 11

Felområden och relativ förekomst baserat på statistik från felanalysuppdrag hos CALCE Laboratory Services, USA Kondensatorer 30% Mönsterkort 26% Plastkapslade komponenter 21% Anslutningar/lödpunkter 13% Andra områden 7% Kontaktdon 3% Data från CALCE; Failure Analysis Case Studies 2012 2015-10-16 12

Lödfogar 2015-10-16 13

IPC-A-610E-2010 Acceptanskrav för visuell avsyning av kretskort. www.ipc.org 2015-10-16 14

Statement in IPC J-STD-012, Implementation of Flip Chip and Chip Scale Technology Meeting criteria in J-STD-001 and IPC-A-610 does not assure reliable solder connections, only quality solder connections. 2015-10-16 15

Krav på lödfogar i IPC J-STD-001 J-STD-001 har endast visuella krav på lödfogar. Det finns inga krav på tillförlitlighetstest för att verifiera tillförlitligheten. Förhoppningen är att en synbart korrekt lödfog ska garantera att lödfogen är tillförlitlig. För hålmonterade komponenter och benförsedda ytmonterade komponenter ger avsyning ofta en bra bedömning av tillförlitligheten (beroende på en mycket stor säkerhetsmarginal). För benlösa komponenter kan livslängden vara otillräcklig även om lödfogarna är perfekta, dvs det visuella utseendet av lödfogarna är inget bra mått på livslängden. Att uppfylla kraven i IPC-standarderna är uppenbarligen inte tillräckligt för att säkerställa tillförlitligheten. 2015-10-16 16

X-ray microscopy inspection of PTH (plated through hole) solder joints Capacitor PTH solder joints showing poor vertical fill Connector PTH solder joints showing poor vertical fill 2015-10-16 17

X-ray microscopy solder joint inspection Examples of defective BGA and CSP solder joints Solder bridging in BGA component due to component warpage during reflow soldering Solder joint open / fracture in CSP due to incomplete wetting during reflow soldering Applicable standard/guideline for X-ray microscopy inspection of BGA solder joints: IPC-7095B Design and Assembly Process Implementation for BGAs 2015-10-16 18

BGA head-on-pillow Röntgen resp. tvärsnitt (SEM) av BGA-lödfogar under PBGA. Visar frånvaro av vätning/sammansmältning mellan BGA-kula och lodpasta, så kallad head-on-pillow eller head-in-pillow. Felet kan vara orsakat av warpage eller felaktig lödprofil. 2015-10-16 19

BGA-lödfogar sprödbrottskänslighet

BGA pad cratering Med pad cratering menas sprickbildning i laminatet under lödpadden. Kan leda till avbrott. Känslighetsfaktorer : Spänningar från lödprocess eller hantering. Styvare lod Sprödare laminat Mindre lödpaddar 2015-10-16 21

Komponenter 2015-10-16 22

IPC-7095B Riktlinjer för byggsätt med BGA-komponenter m a p bl a konstruktion, lödprocess, avsyning och tillförlitlighet. www.ipc.org 2015-10-16 23

IPC-7093 Riktlinjer för byggsätt med BTC-komponenter (t ex QFN, DFN och LGA) m a p konstruktion, lödprocess, avsyning och tillförlitlighet. www.ipc.org 2015-10-16 24

IPC/JEDEC J-STD- 033C Riktlinjer för hantering och lagring av plastkapslade komponenter m a p fuktkänslighet vid lödning. www.jedec.org (kostnadsfri nedladdning!) 2015-10-16 25

Kritiska felmekanismer plastkapslade komponenter Fuktpåverkan under lagring, hantering till och med sista lödsteg (inkl reparationslödning!) Delaminering/sprickbildning => Bondtrådsavbrott => Förändrad lödfogsgeometri => Försämrad isolationsresistans Termiskt orsakad dimensionsförändring vid lödning (warpage) Förändrad lödfogsgeometri Kortslutning Avbrott Egenspänningar; Pad cratering 2015-10-16 26

SAM-analys (ultraljudsmikroskopi) av delaminerad BGA Delaminering Pulse-reflective mode Through-scan mode Exempel på delaminering (rött område) i en BGA-komponent vid Pb- fri lödning p g a för hög fukthalt Delaminering i komponenter kan ge upphov till: - bondtrådsavbrott - överledning mellan aktiva områden 2015-10-16 27

SEM-analys av tvärsnitt av delaminerad BGA Ball-bond Chip Kapslingsplast Stitch-bond Die-attach Delaminering/spricka BT-substrat Viahål SEM-analys av delaminerad BGA som visar typisk utbredning hos spricka mellan kapslingsplast och BT-substrat samt i die-attach. Stor risk för avbrott i stitchbond-anslutningar! 2015-10-16 28

Flexspricka i keramisk chipkondensator Flexspricka Tvärsnitt av MLCC 1812 som visar en typisk så kallad flexspricka vid ena termineringen orsakad av böjspänningar vid depanelisering. 2015-10-16 29

Flexspricka i keramisk chipkondensator Exempel på flex-crack detekterad med röntgen Tvärsnitt som visar spricka i MLCC. Potentiell kortslutningsrisk mellan elektrodplan p g a elektromigration! 2015-10-16 30

Mönsterkort 2015-10-16 31

IPC-600H-2010 Acceptanskrav för avsyning av mönsterkort. www.ipc.org 2015-10-16 32

IPC-6012C-2010 Kvalificerings- och prestandakrav för mönsterkort. www.ipc.org 2015-10-16 33

IPC-1601 Riktlinjer för hantering och lagring av mönsterkort m a p kontaminering och fuktkänslighet vid lödning. www.ipc.org 2015-10-16 34

Delaminering i mönsterkort Spricka Delaminering Tvärsnitt av mönsterkort som visar del av viahål med spricka (övre bild) samt delaminering utefter innerplan (undre bild). Delaminering i mönsterkort kan ge upphov till: - sprickor i viahål - överledning mellan viahål (CAF) 2015-10-16 35

Dålig viahålsplätering - sprickbildning Tvärsnitt Röntgen 2015-10-16 36

Mikrovior Tvärsnitt Spricka Tunn plätering! 2015-10-16 37