Компаунд (underfill) под BGA: зачем он в iPhone?⁠⁠

Тот самый чёрный клей по кромке процессора, который мешает снять чип, — это компаунд (underfill). Он заполняет зазор под корпусом и берёт на себя удар, который иначе достаётся шарикам припоя. Джим Хайзерт из Indium Corporation проверил это прямым испытанием: корпуса BGA без компаунда теряли контакт после 4–8 падений, а те же корпуса с компаундом выдержали 3000 ударных циклов и остались живы. Работу 2007 года мы перевели целиком для серии «Научная библиотека Sigma Flux»; ниже — её инженерная суть и то, как она объясняет устройство современных плат.

Что делает компаунд с паяным соединением

Шарик припоя под BGA — самое слабое звено сборки при ударе. Плата при падении изгибается, изгиб доходит до края корпуса, и вся энергия концентрируется на крайних шариках: там же проходит хрупкая граница с интерметаллидом. Компаунд заполняет зазор между корпусом и платой и связывает их в одно целое. Нагрузка перестаёт собираться на нескольких шариках и расходится по всей площади под корпусом.

Indium Corporation отмечает: бессвинцовые припои Sn/Ag/Cu переносят высокие механические напряжения хуже, чем припои Sn/Pb, — и как раз это лечится компаундом. Даже сборки на Sn/Pb, как отмечает та же работа, без компаунда закреплены не всегда достаточно надёжно. Причина понятная: крупный корпус BGA и плата ведут себя по-разному под нагрузкой, и шарик оказывается между ними в роли буфера.

Две технологии: капиллярный компаунд и no-flow

Промышленность применяет два основных процесса. Разница между ними — в нанесении.

No-flow (NFUF): компаунд, который сам работает как флюс

No-flow-состав наносят до установки корпуса. Он содержит флюс, поэтому отдельно флюсовать площадку не нужно: пайка и отверждение компаунда проходят за один нагрев в печи. В работе Хайзерта компаунд дозировали на площадку по схеме «крест и точка» — так он растекается к углам корпуса, — затем ставили корпус с усилием 12 psi, и материал расходился по всей площади под BGA. Расход — примерно 100 мг на корпус.

Капиллярный компаунд (CUF): заливают после пайки

Капиллярный компаунд применяют к уже припаянному корпусу. Плату нагревают (в работе — до 80 °C), дозируют материал вдоль кромки, и он сам затекает под корпус за счёт капиллярных сил. Дальше — отдельное отверждение: 150 °C, 15 минут. Процесс занимает заметно больше времени, чем no-flow, зато позволяет усилить узел, который уже собран.

Почему под капиллярный компаунд нужен флюс с низким остатком

Тонкость, которую в работе называют прямо: при подготовке к капиллярной заливке брали флюс с очень низким остатком. Компаунд должен прилипнуть к ламинатной подложке корпуса, а плёнка флюсовых остатков стоит между ними и мешает адгезии. Флюс наносили окунанием: ванну выравнивали до 0,1 миллиметра и корпус опускали в неё шариками, набирая ровно нужное количество. Я кстати для сигмы разработал какраз такой флюс: Sigma NC-510 и мы его уже 2 года используем для установки мелких микросхем

Смачивание на разных покрытиях: почему испытывали именно на OSP

Финишное покрытие площадок выбрали намеренно. По измерениям Хайзерта, растекание припоя SAC387 с no-flow компаундом сильно зависит от финиша: у химического никеля с иммерсионным золотом и у гальванического олова оно самое высокое, а OSP оказывается среди самых трудных покрытий. Испытания вели на OSP, чтобы проверить процесс в тяжёлых условиях паяемости.

Испытание на падение: 4–8 падений против 3000

Сборки крепили к утяжелённой оснастке и роняли на бетонный пол с высоты 6 футов (1,8 метра). К образцам добавляли 32 грамма, чтобы масса совпадала с массой небольшого портативного устройства.

Базовая линия — корпуса без компаунда: они теряли электрическую целостность цепи уже после 4–8 падений. Все образцы с компаундом — и на Sn/Pb, и на SAC, с капиллярным или с no-flow — выдержали 3000 ударных циклов. Хайзерт делает трезвую оговорку: испытание не доказало, какая из двух технологий надёжнее. Оно показало, что при правильной обработке обе значительно повышают стойкость к удару, и разумно выбирать ту, что лучше ложится на ваш процесс сборки.

Вывод работы: компаунд поднимает надёжность бессвинцовых соединений выше уровня традиционных соединений Sn/Pb без компаунда, а выигрыш измеряется более чем двумя порядками при незначительной прибавке к себестоимости.

Термины

• Компаунд — underfill — полимерный состав, заполняющий зазор под корпусом и упрочняющий паяные соединения при ударе и изгибе.

• CUF — capillary underfill — капиллярный компаунд: затекает под уже припаянный корпус за счёт капиллярных сил, отверждается отдельным нагревом.

• NFUF — no-flow underfill — no-flow компаунд: наносится до установки корпуса и одновременно работает как флюс; отверждается прямо при оплавлении.

• OSP — organic solderability preservative — органическое покрытие, сохраняющее паяемость медной площадки.

• Шлейфовая цепь — daisy chain — последовательное соединение выводов корпуса, при котором одно измерение проверяет целостность всех соединений сразу.

Комментарий Sigma Flux

Где компаунд стоит сегодня

Работа 2007 года описывает то, что сейчас стало нормой для любой техники, которую носят в кармане. На платах смартфонов вокруг процессора и модема лежит твёрдый чёрный или прозрачный компаунд — он держит шарики при падении. В ремонте iPhone это ежедневная реальность: чтобы снять процессор или baseband, тепловой профиль ведут с оглядкой на компаунд, а мастерские отдельно оговаривают «underfill-safe» режимы.

В ноутбуках картина та же. У Lenovo компаунд под BGA известен ремонтникам как «чёрный клей»: он идёт по кромке корпуса, а у SoC встречается и в центре. Снять такой чип, не оторвав площадки, трудно — обсуждения тянутся на профильных форумах годами. Инженерно это ровно то усиление соединений второго уровня, ради которого компаунд и придумали.

Что это значит для ремонта

Компаунд повышает надёжность сборки и одновременно усложняет ремонт. Простого прогрева уже недостаточно: полимер держит чип довольно сильно. Вместо выпаивания микросхемы ее все чаще просто спиливают вместе с компаундом и потом ставят уже чип на эту площадку. Ну а отсутствие компаунда на новом чипе снижает надежность ремонта к сожалению. Обидно, ведь 99,9% мастеров не используют компаунд

Дешевле, чем полная заливка

Также производители заливают компаунд не только под чип: клей кладут по кромке или в углы корпуса. Стойкость к удару и изгибу растёт при меньшем расходе материала, а корпус остаётся ремонтопригодным и доступным для осмотра. По отраслевым публикациям, краевая проклейка набирает популярность именно как более дешёвая замена сплошному компаунду.

Роль флюса

Требование Хайзерта к флюсу под капиллярный компаунд сегодня звучит ещё жёстче. Чем меньше остаток, тем лучше адгезия полимера к ламинату и тем предсказуемее конструкция. Тот же принцип работает и в ремонте: остатки под корпусом мешают и компаунду, и последующей диагностике.