Ультразвук контролирует качество теплоотводов
Автор:
Бармашов И.С. - руководитель службы производства микроэлектроники, компании "Совтест АТЕ".
Статья опубликована в журнале "
Печатный монтаж" №5 за 2009 год.
Производители электроники, ориентируясь на требования сегодняшнего потребителя, стремятся к повышению эффективности своих устройств и уменьшению их габаритов и веса. Одна из главных задач, которые необходимо решить конструкторам для достижения поставленных целей, – это разработка эффективной системы отвода тепла для предотвращения перегрева изделий, что отрицательно сказывается на их характеристиках и надежности.
Как известно, существуют три способа отвода тепла — излучение, конвекция и теплопроводность. И на их основе было разработано множество устройств для отвода тепла от электронных компонентов и систем. Наиболее эффективным способом является, прежде всего, передача тепла через границы раздела двух материалов, которые находятся в тесном контакте. Радиаторы и теплорассеиватели применяют для отвода тепла путем теплопроводности.
Для эффективного отвода тепла необходим тесный контакт между материалами. Крайне важно, чтобы не было пустот в слое клея, который обычно представляет собой хорошо проводящий тепло материал или термопасту. Образование расслоений или иных воздушных образований ухудшает отвод тепла и приводит к перегреву изделия. Поэтому очень важно вовремя выявлять эти дефекты.
Как обнаружить данные дефекты, не разрушая изделие?
При рентгеновском контроле лучи проходят сквозь изделия, небольшие трещины и расслоения не могут помешать прохождению лучей (рис.1), и поэтому на полученных снимках дефект в виде воздушных образований трудно обнаруживается. При ультразвуковом контроле волны не проходят через изделие, а отражаются от границ соприкасающихся материалов разной плотности (см. рис.1), и чем больше отличается плотность этих материалов, тем больше будет амплитуда отраженного сигнала.
Рис.1. Сравнение методов контроля
Так как плотность воздуха очень мала по сравнению с любым из твердых или жидких материалов, то расслоения и прочие воздушные образования четко отображаются на изображениях, полученных при помощи ультразвукового сканирования.
Тепло передается от кристалла в слой клея, затем на радиатор, а оттуда в атмосферу (рис.2). Чтобы увеличить рассеиваемую мощность на единицу объема, необходимо выбирать высокоэффективные радиаторы и теплорассеиватели.
Рис.2. ИС в корпусе PQFP
Отвод тепла значительно уменьшается при наличии воздушных образований, они будут препятствовать передаче тепла, потому что воздух имеет очень низкую теплопроводность 0,025 Вт/м∙К. Пустоты большой площади могут значительно снизить теплопроводность тех областей, где расположен кристалл (или его часть), и в результате он сильно нагревается.
Пустоты и аналогичные дефекты могут быть обнаружены акустическими микроскопами, они чувствительны к изменениям свойств материалов на границе материалов. Примером такого оборудования могут служить системы Sonikon фирмы iHs (Малазия). Модель Velox, предназначена для единичного и мелкосерийного производства (рис.3). Эта система позволяет тестировать сложные микросборки и микросхемы большой степени интеграции в корпусах BGA, MBGA, Flip Chip, CSP и т.д.
Рис.3.Ультразвуковой микроскоп Velox фирмы iHs (Малазия)
Акустическое изображение дефекта приклейки кристалла для ИМС в корпусе PQFP представлено на рис.4. Серые области свидетельствуют о хорошем контакте кристалла с формовочным соединением при помощи клея, а белые — об отсутствии соединения, т.е. теплопроводный клей не растекся по всей площади кристалла, что привело к образованию воздушной пробки, которая будет оказывать негативное влияние на теплообмен и может привести к перегреву изделия.
Рис.4. Акустическое изображение дефекта в области приклейки кристалла
Программное обеспечение ультразвуковой системы Velox позволяет получать акустическое изображение сразу нескольких слоев (рис.5). Это значительно уменьшает время на тестирование изделия.
На рис.6, 7, 8, 9 показаны разноуровневые слои изделия специального назначения. Изделие представляет собой плату из поликора с СВЧ-элементами, которая припаяна к радиатору. Использование ультразвуковой системы Velox позволило определить качество припайки платы к радиатору.
Рис.5. Многослойное сканирование
Рис.6. Верхний слой изделия
Рис.7. Граница касания платы и припоя
Рис.8. Слой припоя
Рис.9. Граница касания радиатора и припоя
Результаты анализа акустического изображения в программе QSonik Analysis
Для четкого наглядного представления воздушные образования можно автоматически выделить цветом (рис.10). С помощью программы QSonik Analysis можно провести анализ изображения, сделать замеры и автоматически подсчитать площадь воздушных образований (см. таблицу). Надо отметить, что для изделия специального назначения такое количество воздушных образований недопустимо, поскольку отвод тепла будет затруднен.
Рис.10. Выделение цветом областей с воздушными образованиями
Программа VTM, поставляемая вместе с системой Velox, позволяет смоделировать трехмерное изображение (рис. 11,12).
Рис.11. Акустическое изображение дефекта приклейки кристалла
Рис.12. 3D представление дефекта приклейки кристалла
RSS
