Lotkugeln im Test
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Probanden
Der Hersteller entwickelte ein spezielles Daisy-Chain-Gehäuse und montierte es per SMD-Verfahren auf die Platine, wo es Temperaturzyklen über sich ergehen lassen musste. Die Daisy-Chain (Reihenschaltung) ermöglichte es, jedes Gehäuse einzeln und fortlaufend zu überwachen. Auf dem Substrat findet sich ein mechanischer Die als Flip-Chip. Jene Bauform mit 360 Lotkugeln in HITCE-Keramik ist verschiedenen »Power Architecture«-Mikroprozessoren (PC755, PC7410, PC7447A und PC7448) gemein. Bei dem Material handelt es sich um ein von LTCC-Material (Low Temperature Co-fired Ceramic, Niedertemperatur-Einbrennkeramik) von Kyocera. HITCE besitzt eine geringe Widerstandsmetallisierung und eine niedrige Dielektrizitätskonstante, wodurch es sich für Hochgeschwindigkeitsanwendungen eignet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient liegt nahe an jenem von Leiterplatten.
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Die Grundausführung des Standards IPC-9701 schreibt die Verwendung einer Daisy-Chain mit einem Bump-kontaktierten mechanischen Die vor, um sicherzustellen, dass die Verbindung während der Temperaturzyklen vollständig charakterisiert wird. Tatsächlich tragen alle Bestandteile der Verbindung zur Zuverlässigkeit des Boards bei. Deshalb wurde ein mechanischer Die in der Daisy-Chain platziert, die so eine exakte Nachbildung des voll funktionsfähigen Produktes ist. HITCE ist auf der Seite der Anschlussfläche mit Aluminium beschichtet, was die Delaminierung der Kupfer-Anschlussflächen verhindert und die Begrenzung des BGA-Pads bildet (Bild 2).
Der Untersuchung stellten sich drei unterschiedliche Konfigurationen, also drei verschiedene Arten der Lotkugeln:
- stark bleihaltige Lotkugeln
- SAC-305-Lotkugeln
- Lotkugeln mit Polymer-Kern
Typischerweise bestehen stark bleihaltige Lotkugeln aus einer Blei-Zinn-Legierung mit 90% Blei und 10% Zinn. Diese Lotkugeln mit hohem Schmelzpunkt verhindern ein »Einknicken« bei der Oberflächenmontage und tragen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Baugruppe bei.
Die erste von e2v qualifizierte bleifreie Lotkugellösung (SAC-305) basiert auf einer Legierung aus Zinn, Silber und Kupfer. Besonders interessant ist die zweite bleifreie Lösung, da hier trotz des bleifreien Materials die Höhe der BGA-Kugeln gewährleistet ist, also der Abstand zwischen Leiterplatte und Chip [6]. Hier kommt eine neuartige Verbindungsmethode zum Einsatz, die auf einer Lotkugel mit Polymerkern beruht. Diese Kugeln heißen »Micropearl SOL«, entwickelt und optimiert von Sekisui. Der Polymerkern ist mit einer dünnen, leitenden Kupferschicht überzogen und einer Zinn-Silber-Legierung ummantelt (Finishing).
Der Youngsche Elastizitätsfaktor des Plastikkerns ist kleiner als jener von Metall. Dies »federt« thermische Belastung während Temperaturwechseln ab, die Lotkugeln mit Polymerkern wirken also als Puffer. Solche Lotkugeln sind in vielen Durchmessern verfügbar und lassen sich ohne große Prozessumstellungen implementieren. Somit war es also möglich, Lotkugeln mit Polymerkern zu schaffen, welche die gleichen Eigenschaften wie stark bleihaltige Lotkugeln aufweisen, und BGAs mit einem ebenso großen Abstandshalter zu fertigen.
Es wurden elektrische und thermische Vergleiche der drei Lotkugel-Lösungen durchgeführt. Die elektrischen Leistungsdaten der Lotkugeln mit Polymerkern sind konventionellen Lotkugel-Lösungen weitgehend gleichwertig. Die thermische Analyse, durchgeführt mit der Finite-Elemente-Software »ANSYS 9.0«, hat gezeigt, dass der thermische Widerstand vom Die-Anschluss bis zum unteren Ende der Kugel bei den Polymerkern-Lotkugeln etwas größer ist als bei herkömmlichen Lotkugeln und den Abstandshaltern. Die dünne Kupferschicht, die den Polymerkern umgibt, lässt den Wärmefluss um die schlechter Wärme leitende Polymerkugel fließen. Es wurden Vergleichsmessungen durchgeführt von Sn63Pb37-, SAC-305- und Polymer-Lotkugeln sowie »Solder Column Interposern« (Lot-Distanzsäulen, SCI – Pb90Sn10) unter der Annahme, dass keine Konvektion und keine Strahlung vorliegt (Bild 3)
