Elektronische module (PBA) ontwikkeling en assemblage Wat kunnen we leren van de IC industrie? Techwatch 2009 18 november 2009 Geert Willems IMEC - Sirris
Inhoud 1. Printed Board Assembly: wat en hoe? 2. Productie: traditionele versus wetenschappelijke aanpak De procesaanpak in de IC industrie: thermische oxidatie De procesaanpak in de PBA industrie: reflow solderen Reflow solderen anders bekeken 3. Wetenschappelijke aanpak van PBA ontwerp en specificatie 4. Electronic Design & Manufacturing Programma 5. Vragen Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 2
1. Printed Board Assembly PBA: Second level interconnection technology Doelstelling: Realisatie van een elektronische functie door het elektrisch en mechanisch verbinden van een verzameling componenten op een substraat dat het interconnectiepatroon bevat. Basistechnologie Substraat: polymeer gebaseerd Printed Circuit Board met Cu-verbindingsnetwerk verbonden met Cu-geplate vias. Componenten: Surface Mount, Through Hole mount Verbindingstechnologie: soldering (loodvrij) Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 3
1. Printed Board Assembly Printed Board Assembly: Basisbouwblok van electronische producten Stepstone to technological innovation Waarom? Basisniveau voor generieke technologie-integratie: active/passive/digital/analog electronics, sensor, power, optics, mechanics, connectors,. Laagste complexiteitsniveau dat een volledige functionaliteit kan hebben en een generieke interconnectiviteit met andere elektrische of niet-elektrische bouwblokken. Generieke toepasbaarheid: Elk elektronisch product bevat minstens 1 PBA. Lage instapdrempel: Kost, beschikbaarheid, engineering, zeer flexibel en divers Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 4
1. PBA: product life cycle & supply chain PBA realisation Veel spelers Internationaal Zeer complex Versplinterde verantwoordelijkheid Weinig academische ondersteuning Geen ingenieursopleidingen op PBA niveau Gevolg Zwakke PCB/PBA productspecificatie Zwakke controle van de toeleveringsketen Ontwikkeling van ontwerprichtlijnen is stilgevallen. PBA industrie is 10x groter dan de halfgeleiderindustrie! 300 BUS$ EMS/ODM vs. 250 BUS$ semiconductor (yearly turnover) EMS/ODM: 10-15% van totale elektronische productie Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 5
1. PBA: 25 jaar (en 1 revolutie) later 1980 2002 Evolutie sinds de geboorte van de PC Van Through-Hole ( 80) naar Surface Mount Device technology ( 90) Van enkele 100-den vele 1000-den componenten/pba Van 100-1000 verbindingen vele 10.000-den verbindingen >35 miljoen verschillende componenttypes: high mix per PBA. Dubbelzijdige kaarten 8 24 layer PCB Component miniaturisatie: CSP, QFN, 0402020101005, 1 juli 2006 - Lood-vrije assemblage: Een revolutie Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 6
1. Elektronische industrie and elektronica integratoren: Opportuniteiten en Uitdagingen Opportuniteiten: Groeimarkt Elektronica dringt overal door Beschikbaarheid van off-the-shelf IC components (=goedkoop!). IC ontwikkeling is NIET/niet langer de innovatiemotor voor de elektronische industrie. IC = off-the-shelf functie tegen een bepaalde prijs. Uitdagingen: Innovatieve producten maken betekent meestal: ontwikkel snel een kwaliteits-pba met de juiste vormfactor, de vereiste betrouwbaarheid, met een lage ontwikkelings- en productiekost, een hoge flexibiliteit in productievolume en -locatie, enz. Beheers de complexiteit! En pas u voortdurend aan, aan de wijzigende omgeving: klant, leveranciers, wetgeving, technologische en economische opportuniteiten, enz. Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 7
2. Traditionele vs. Wetenschappelijke methode PCB/PBA ontwerp- en productiepraktijk: Voornamelijk gebaseerd op ervaring Recepten van goede praktijk Geval-per-geval empirische evaluatie geen inzicht. Niet aangepast aan de huidige complexiteit en revolutionaire veranderingen zoals het loodvrij solderen. We hebben een wetenschappelijk onderbouwde methodologie nodig om PBA ontwikkeling en productie te beheersen en productinnovatie te ondersteunen. Wetenschappelijke methodologie Vertrekpunt: hypothese/model/theorie consistent met de natuurwetten (fysica/chemie/materiaalkunde). Experimenten zijn gericht op de verificatie en kwantificatie van de basistheorie en model. Gekenmerkt door een brede toepasbaarheid binnen en buiten het ervaringsdomein. Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 8
2. Een wetenschappelijke onderbouw voor PBA Elektrisch ontwerp (schematics) en IC realisatie is wetenschappelijk onderbouwd, de 2 nd level interconnect hardware realisatie is dat niet! Dit moet en kan anders! IC realisatie als inspiratiebron: elk IC realisatie-element heeft een PBA broertje. IC realisatie Materiaaltechnologie halfgeleiders, metalen, isolatoren, interfaces Processtappen oxidatie, implantatie, depositie, lithografie, Productieflow IC procesflow Test en analyse Ontwerp layout - TAD Reliability PCB/PBA realisatie Materiaaltechnologie polymeren, metalen, soldeer, interfaces Processtappen laminatie, boren, plating, lithografie, assemblage, solderen, Productieflow PCB build-up, PBA assemblage Test en analyse Ontwerp layout - DfManufacturing Reliability Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 9
2. IC: aanpak van basis processtap Thermische oxidatie: gate oxides - LOCOS 1965: Model - Procesinstelling - Procesflow - Ontwerpregels Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 10
2. PBA: aanpak van een basis processtap Reflow solderen: basis soldeerproces Gelijktijdig reflow solderen van soldeerverbindingen in een doorloopoven PCB/solder pasta/component assemblage doorheen een goed gecontroleerd temperatuursprofiel. Vereisten SnAgCu soldering Opwarmsnelheid <2 o C/sec Soldeer temp.: 245 o C, min. temp: 232 o C Maximum tijd boven smelt (217 o C): 90 sec Voorverwarming: 2-4min. Totale duur: 4-7min. Afkoelsnelheid: 1-2 o C/sec Temperatuurverschil over de PBA geminimaliseerd: <20 o C. Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 11
2. PBA: aanpak van een basis processtap Reflow solderen: basis soldeerproces 2009: PBA industrie trial-and-error methode Een PBA uitrusten met thermokoppels voor instelling van soldeerprofiel via trial-and-error Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 12
2. PBA: aanpak van een basis processtap Reflow solderen: basis soldeerproces Procesingenieur: Meet stuurt bij meet stuurt bij meet -..1..2.. uur programmeert soldeerrecept Productieoutput = 0 Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 13
T( C ) temperatuur (C) 2. PBA: aanpak van een basis processtap Reflow solderen: een wetenschappelijke aanpak Reflow solderen is een convectief verwarmingsproces T air Q = H.(T air -T) C T 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 tijd( sec ) Reflow model (one-dimensional) Procesinstelling op basis van ontwerpinfo Procescontrole en onderhoud (Bijna) geen productieverlies T Al1 T lucht1 T fit 250 200 150 100 50 0 reflow ramp- soak- spike 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (min) Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 14
3. PBA: Ook ontwerp vergt wetenschappelijke aanpak PCB materiaalspecificatie Het ontwerp van een PBA houdt veel meer in dan een elektrisch schema ontwerpen Een volwaardig ontwerp specificeert de materialen PCB: doe maar FR4?! IPC: 12 loodvrij soldeercompatiebele FR4 categorieën! Een niet geschikt FR4-type leidt tot: Delaminatie Via cracking Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 15
3. PBA: Ook ontwerp vergt wetenschappelijke aanpak PCB materiaalspecificatie Hoe FR4 materiaal kiezen/specificeren: de industrieaanpak Ervaringsgebaseerd Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 16
3. PBA: Ook ontwerp vergt wetenschappelijke aanpak PCB materiaalspecificatie Een wetenschappelijke aanpak van delaminatie (EDM programma 2009) 1. Root cause analyse van delaminatie Decompositie van FR4 epoxy matrix bij hoge temperatuur Interne drukopbouw leidt tot cohesieve faling 2. Modelleer falingsproces (zo eenvoudig mogelijk) Ontbindingsproces Drukopbouw Falingscriterium 3. Leg relatie tussen modelparameters en gestandaardiseerde parameters en/of materiaalspecificatieparameters Td: decompositie temperatuur (5%) T260, T288: Time-to-Delamination bij 260 o C resp. 288 o C 4. Bepaal de kritische parameter(s) (assemblage, werking) als functie van gekende parameters Aantal soldeercycli N = f(td, T260, T288) Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 17
temperature [K] 3. PBA: Ook ontwerp vergt wetenschappelijke aanpak PCB materiaalspecificatie 1. TGA modellering (Td): activatieenergie E a, k 0 1 1 ( T) 1 ln k0 T exp 0 E RT Ea R Ei1 a, Ea RT 0.95 1 100 data4 1 f T 16 60 0.9 2. Drukopbouw en falingscriterium P ( 0 i( T) exp( k( T) t) r T 0.85.84 400 450 500 550 600 650 700 400 data4 0 T 700 experimental data fit 3. Relatie met T260, T288 4. Drukopbouw per reflow cycle: Kritische parameter: # soldeercycli Possible reflow profile according to JEDEC par's 573 523 473 423 373 323 273 0 100 200 300 400 500 time [s] Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 18
TGA weight loss x 100% TGA density loss x 100% TGA weight loss x 100% T260/T288 1.025 10 8 131100 10 8 131200 43820).85 3. PBA: Ook ontwerp vergt wetenschappelijke aanpak PCB materiaalspecificatie Het aantal soldeercycli N tot delaminatie kan berekend worden. PBA DfM Guideline - section 1 6de EDM Workshop 27/11/09 Ervaring kan misleiden! IPC-4101C criteria Modelleren verklaart. 1 0.95 0.9 TGA IPC4101 (Td/T260/T288) 0.9 12 11 10 A T 2.36310 8 131100 d A 0.95 AT 1.24510 9 T ( T exp 0.01 142600 ( ) 45000 d ) A T 1.30910 9 146500 0.85 100 160 220 280 340 400 100 T273 400 9 8 7 6 5 4 1.025 d A( T exp 1 ( 17) 121000) dt.85 Contour Plot of Ncycles vs T260/T288; T260 3 TGA Table 2 (Td/T260/T288) 2 210 5 10 15 20 25 30 35 40 45 410 5 610 5 810 5 50 55 60 d T260 110 4 0 100 200 300 400 0.85 100 160 220 280 340 400 100 T273 T273 400 65 70 75 A( T exp ( 17) 121000) dt d A T exp 0.01 T ( ( ) 45000 d ) 210 5 80 85 410 5 610 5 810 5 90 95 100 Ncycles < 3 3 6 6 9 9 12 12 15 15 18 18 21 21 24 24 30 30 > 40 40 110 4 0 100 200 300 T273 temperature [ C] 310/30/5; T260/T288=6; decomp@260 C=0.4% 325/30/5; T260/T288=6; decomp@260 C=0.2% 340/30/15; T260/T288=2; decomp@260 C=1.1% temperature [ C] 310/30/5; T260/T288=6; decomp@260 C=0.4% 325/60/10; T260/T288=6; decomp@260 C=0.1% 340/90/15; T260/T288=6; decomp@260 C=0.1% Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 19
allowed cycles for 100 ppm defects 3. PBA: Ook ontwerp vergt wetenschappelijke aanpak PCB materiaalspecificatie Via integriteit N0.01% for 100 ppm after reflow soldering DT=210 C 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 V(ia) S(tress) F(actor) [1000 / mm] Soldeer faling Vermoeiing CTEz = 0.045 CTEz = 0.04 CTEz = 0.035 CTEz = 0.030 CTEz = 0.025 Soldeer invloed op via faling Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 20
4. Electronic Design & Manufacturing programma MISSIE Het ondersteunen van de industrie bij de specificatie, ontwikkeling en fabricage van hoogwaardige, betrouwbare en kosteffectieve elektronische modules door kenniscreatie en kennisverspreiding, het gebruik van wetenschappelijk onderbouwde methodologieën en samenwerking doorheen de elektronische toeleveringsketen. Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 21
4. Electronic Design & Manufacturing programma STRATEGISCHE OBJECTIEVEN 1. Bewustmaking betreffende de meerwaarde van wetenschappelijk onderbouwde methoden bij het ontwikkelen en produceren van elektronica. 2. Het ontwikkelen, ter beschikking stellen en promoten van wetenschappelijk onderbouwde methoden bij het ontwerpen, kwalificeren, industrialiseren en produceren van PBA. 3. Het verlagen van de drempel voor het introduceren van elektronica in nieuwe (niet-elektronische) toepassingen. 4. Het stimuleren van onderzoek, kenniscreatie en opleiding in PCB/PBA technologie, Design-for-X methoden en elektronische productie in de lokale industrie en academia. 5. Gericht op de dienstverlening aan de lokale industrie in een wereldwijde internationale context. 6. Het aanbieden aan de lokale industrie van een technisch forum voor netwerking doorheen de hele elektronische toeleveringsketen, kennisverspreiding en samenwerking. Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 22
4. Electronic Design & Manufacturing programma OBJECTIEVEN Het kosteffectief realiseren van betrouwbare PBA op basis van een wetenschappelijk onderbouwde methodologie Ontwikkeling en onderhoud van: Ontwerprichtlijnen: Design-for-X Kwalificatierichtlijnen Ontwerp, kwalificatie, productie and test kwantificatie tools. Op kwaliteit geselecteerde kennis Onmiddellijk en practisch toepasbaar bij: Ontwerp: betere kwaliteit PBA tegen een lagere kost Kwalificatie: efficiënter en effectiever Assemblage: beter voorbereid Test: effectiever en beter gekwantificeerd PBA werking: beter gekwantificeerde betrouwbaarheid Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 23
4. Electronic Design & Manufacturing programma Wat staat er op stapel? Wetenschappelijke modellen: Soldeervermoeiing Thermische soldeerbelasting componenten Eerste deel PBA DfM Guideline in review bij EDM partners Foutfrekwentie assemblage (DPMO) Test coverage assemblagetesten Kwaliteit- en betrouwbaarheid kwantificatie Tools Rekentools: delaminatie, via, Yield en test coverage PBA falingsdistributiesimulatie Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 24
4. Electronic Design & Manufacturing Programma Meer info Bent u geinteresseerd, neem contact met ons op. Kris.Vandevoorde@imec.be 016/281535 Geert.Willems@imec.be 0498/919464 edm@imec.be 016/281282 6de EDM Workshop 27 november 2009 - IMEC Zie ook: www.edmp.be www.rohsservice.be Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 25
VRAGEN? Geert Willems Geert.Willems@imec.be www.rohsservice.be www.edmp.be 0498 91 94 64 Een gezamenlijke programma van Sirris 2009 IMEC 2009 www.edmp.be 26