Флип-чип — внутреннее устройство почти любого современного BGA-корпуса: процессор смартфона, память, видеочип. Когда вы паяете BGA на плате iPhone, внутри этого корпуса кристалл уже посажен флип-чипом на собственную подложку. По дорожной карте ITRS, которую цитирует работа, к 2020 году толщина кристалла в сверхтонких корпусах сокращается до 5 мкм, а число выводов доходит до 278–1150 на корпус. Чем тоньше кристалл и меньше шаг — тем острее вопрос, куда девать остаток флюса.

Зачем нужны медные столбики (copper pillar)

Припойный бугорок эволюционировал: высокосвинцовый шарик → эвтектика PbSn63 → сплав SnAg → медный столбик с припойным микробугорком на торце. Причина простая: при оплавлении шарик растекается и оседает, и на шаге меньше 100 мкм соседние шарики начинают замыкаться друг на друга.

Медный столбик решает это геометрией. Медь при температуре оплавления 235–250 °C остаётся твёрдой — плавится только микробугорок на торце. Столбик держит высоту зазора, не расплющивается, позволяет тонкий шаг без перемычек и лучше переносит электромиграцию при растущих плотностях тока. Плата за это — более требовательное нанесение флюса: паяемая зона у столбика только на торце, поэтому глубина погружения выше. Из работы: для шарика — 40–50 % его высоты, для медного столбика — 75–110 % высоты.

Почему флюс из-под кристалла нельзя отмыть

Зазор между кристаллом и подложкой при тонком шаге — меньше 60 мкм, тоньше человеческого волоса. Моющий раствор в такую щель не затекает; попытка продавить его давлением или взять химию агрессивнее повреждает кристалл, диэлектрики с низкой константой и металлизацию. Отмывка из технологической операции превращается в источник брака.

Индустрия ответила флюсами, у которых остатка так мало, что удалять нечего:

• остаток ULR-флюса: 0–10 % массы; у стандартного безотмывочного: 20–60 %;

• на пике оплавления 235–250 °C по данным термогравиметрии от ULR остаётся около 10 %, от флюса со стандартным остатком — порядка 50 %;

• остаток ULR почти не влияет на прочность: в сдвиговом тесте соединения держатся на уровне контрольной пайки без флюса, тогда как у стандартного и водосмываемого флюса (до отмывки) прочность заметно ниже;

• поверх остатка ULR можно заливать андерфилл: пустот и расслоений в тесте совместимости не выявлено.

Пять параметров, по которым Indium оценивает флюс

Работа сводит выбор флюса для флип-чипа к пяти измеримым характеристикам — и для каждой даёт методику:

1. Реология и липкость. Флюс должен забрать нужный объём из ванночки погружения и удержать кристалл на месте до оплавления. Метод: ротационный вискозиметр Brookfield, схема «конус-плита», шпиндель CP-51, 25 °C; вязкость обязана держаться стабильной минимум рабочую смену (в работе — 10 часов).

2. Паяемость. Шары припоя SAC305 оплавляют на металлизированном купоне с флюсом и считают коэффициент растекания S = [(D − H)/H] × 100, где D — исходный диаметр шара, H — высота после оплавления.

3. Удержание при оплавлении (MDR). Проверка, сместится ли кристалл, пока подложка проходит конвейерную печь: кипящие растворители флюса способны сдвинуть лёгкий компонент.

4. Уровень остатка. Термогравиметрия (ТГА): навеску флюса греют со скоростью 10 °C/мин и смотрят, сколько массы остаётся при температурах пайки.

5. Совместимость с андерфиллом. Компаунд заливают поверх остатка, ищут пустоты и расслоения, затем ломают сборку сдвигом и сравнивают прочность с контролем.

Этот же список работает как чек-лист для любого флюса — от корпусирования до ремонтного стола.

Как перенести это на обычную пайку: BGA, ремонт, монтаж

Большинство инженеров корпусированием не занимается, но геометрия из работы им знакома. Под корпусом BGA или CSP на плате смартфона — та же картина в чуть большем масштабе: зазор в десятые доли миллиметра, ряды шаров, куда салфетка и щётка не достают. Отмывка снаружи убирает видимый остаток, под корпусом же он остаётся; растворитель вдобавок способен занести растворённый флюс глубже.

Практические следствия:

• Выбирайте флюс по характеру остатка под корпусом. Если полная отмывка недостижима, остаток обязан быть минимальным и электрически безопасным — это и есть логика ULR.

• Остаток связан с прочностью. Сдвиговый тест из работы показывает: чем больше остатка между шаром и подложкой, тем ниже несущая способность соединения.

• Учитывайте, что будет поверх. На платах iPhone часть микросхем залита компаундом. Если вы используете компаунд в работе, то жирный слой флюса помешает нанести новый.

• Сверяйте флюс с термопрофилем. У ULR-флюсов малая доля твёрдых веществ и им подойдут — короткие термопрофили фена и ИК-станции. Длинный профиль с долгим прогревом испаряет активаторы и основу раньше, чем сформируется соединение.

Комментарий Sigma Flux

Работе десять лет, и её прогноз подтвердился: медные столбики стали стандартом в мобильных процессорах, а логика минимального безопасного остатка распространилась с корпусирования на монтаж плат и ремонт.

ULR в ремонте: опыт сервиса Мосдисплей

Флюсы с ультранизким остатком уже два года применяется на пайке микросхем iPhone в нашем сервисе Мосдисплей — это основной материал мастеров на коротких термопрофилях, результат за это время стабильный. Плата после пайки остается чистыми без отмывки, что снимает вопрос остатка под корпусом и под последующей заливкой компаундом.

Ограничение у ULR то же, что описано выше: малая доля твёрдых веществ. На длинном термопрофиле — более толстая плата, долгий преднагрев — активаторы испаряются до завершения пайки.

Для таких режимов мы используем флюс с остатком около 30 %. Запас твёрдых веществ даёт активатору и плёнкообразующим компонентам доработать до конца профиля. Выбор между ними определяется термопрофилем и тем, планируется ли заливка поверх соединения. Для больших плат и больших чипов: ноутбуки, компьютеры, телеком, лучше использовать гель-флюсы.