Advancement in Soldering Technology Main Issues and Its Perspectives – Part III

Scientific and systematic study has lead to an increased knowledge of variety of materials and their different properties. For the development of semiconductor materials, nano technology has played a significant role. This has made it possible to offer tremendous innovation in semiconductor industry. The present paper discuss about a latest and novel soldering techniques using reballing process known as BGA & CGA technique. Also, requirement and selection criteria of different components used for this process and its applications are discussed

Trends in assembling of advanced IC packages, Journal of Telecommunications and Information Technology, 2005, nr 1

In the paper, an overview of the current trends in the development of advanced IC packages will be presented. It will be shown how switching from peripheral packages (DIP, QFP) to array packages (BGA, CSP) and multichip packages (SiP, MCM) affects the assembly processes of IC and performance of electronic systems. The progress in bonding technologies for semiconductor packages will be presented too. The idea of wire bonding, flip chip and TAB assembly will be shown together with the boundaries imposed by materials and technology. The construction of SiP packages will be explained in more detail. The paper addresses also the latest solutions in MCM packages

Effects of Solder Paste Volume on PCBA Assembly Yield and Reliability

Solder paste printing is the most common method for attaching surface mount devices to printed circuit boards and it has been reported that a majority of all assembly defects occur during the stencil printing process. It is also recognized that the solder paste printing process is wholly responsible for the solder joint formation of leadless package technologies such as Land Grid Array (LGA) and Quad-Flat No-Lead (QFN) components and therefore is a determining factor in the long-term reliability of said devices. The goal of this experiment is to determine the acceptable lower limit for solder paste volume deposit tolerances during stencil printing process to ensure both good assembly yield and reliability expectations. Stencils with modified aperture dimensions at particular locations for LGA and QFN package footprints were designed in order to vary the solder paste volume deposited during the stencil printing process. Solder paste volumes were measured using Solder Paste Inspection (SPI) system. Low volume solder paste deposits were generated using the modified stencil designs to evaluate assemble yield. Accelerated Thermal Cycling (ATC) was used to determine the reliability of the solder joints. For the LGAs, solder joints formed with higher paste volume survived longer in ATC compared to lower volume joints. Low solder paste volume deposits did not affect BGA devices in ATC. Transfer efficiency numbers for both good assembly yield and good reliability are reported for LGA, QFN and BGA devices. This research provides valuable data because, very little data is available on solder paste volume tolerance limits in terms of assembly yield and reliability. Manufacturers often use ±50% of stencil aperture volume with no evidence of its effectiveness in determining yield and reliability of the solder joints

Advancement in Soldering Technology Main Issues and Its Perspectives - Part 1

The advancement of electronics and related instrumentation would be possible in mass production of electrical and electronics components/equipments with accomplishment and advances in soldering technology. With the advent of different components like resistors, capacitors, diodes, transistors and especially integrated circuits have changed the electronics world completely. As there is an intensive demand for package miniaturization and the density of surface mount components and other interconnects continues to advance, the technology for solder attachment methods must also improve and continue to evolve. This paper discusses the evolvement of soldering techniques, its applications and the criteria to select proper soldering techniques for specific applications

Développement de procédés avancés d'encapsulation de composants microélectroniques basés sur les techniques de thermocompression

L'un des grands défis de la recherche et développement est d'optimiser l'ensemble du cycle de fabrication d'un produit microélectronique, depuis sa conception jusqu’à sa tenue mécanique en service. Un objectif essentiel des entreprises était de réduire le temps de cycles d’assemblage afin de minimiser les coûts de production. La phase d’assemblage des composants microélectroniques est l'une des étapes clé qui doit être bien optimisée afin d’atteindre l’objectif de minimisation du temps de cycle. La méthode d'assemblage traditionnelle des puces par refusion (en anglais mass reflow MR) convenait généralement à une fabrication à grand volume, en particulier pour des puces à pas standard d'environ 150 μm. Cependant, la forte demande du marché pour des interconnexions à pas plus fin, pour permettre un nombre d'entrée/sortie (Input/Output : I/O) plus élevé dans un facteur de forme plus petit, a entraîné une transition du processus de la liaison MR conventionnel à l'assemblage par thermocompression (en anglais ThermoCompression Bonding TCB). Bien que le procédé TCB offre un assemblage de plus grande précision et permet l'utilisation des pas d'interconnexion plus fins, il présente également de nouveaux défis. L'un des problèmes majeurs de l'assemblage TCB est qu'il s'agit d'un processus assez long, dans lequel chaque puce doit être passée indépendamment à travers un cycle TCB complet, incluant le chauffage, le maintien de la température et le refroidissement. Cela entraîne une diminution significative de la productivité par rapport au MR. Le débit de production peut être amélioré en réduisant le temps nécessaire pour atteindre les températures de processus requises. Cependant, des variations thermiques peuvent se produire aux interfaces de liaison, entraînant une mauvaise uniformité de température sur la surface de la puce et conduisant à des régions où le point de fusion de la brasure n'est pas atteint. Ainsi, il est extrêmement important de prévoir et contrôler la température réelle à l'interface de liaison afin d’obtenir une bonne uniformité thermique et des joints de brasure sans défaut. C'est dans cette perspective que s'inscrit les travaux menés dans la première partie de la thèse. Le premier objectif de cette étude était donc de déterminer la durée minimum de temps de chauffe nécessaire assurant une uniformité de température optimal et par conséquent des joints de brasure de bonne qualité. Pour atteindre cet objectif, il fallait alors proposer et valider une nouvelle méthodologie pour estimer la température d'interface lors d'un processus TCB. Une évaluation de l'influence de différentes vitesses de chauffe sur la distribution de température à travers la surface de la puce, ainsi que sur la qualité de liaison résultante, a été réalisée à l’aide d’un capteur de type RTD (). Les résultats ont montré que les défauts de brasure observés aux interfaces de liaison peuvent éventuellement être liés à une mauvaise uniformité de température, liée à des vitesses de chauffe élevées. Des variations thermiques acceptables ont été trouvées à une faible vitesse de chauffage de 80°C/s. Par conséquent, pour surmonter les températures de processus élevées et leurs effets néfastes sur la productivité, le développement d'une nouvelle méthode d’assemblage TCB à basse température devient primordiale. Le développement d’une nouvelle méthode de liaison par thermocompression à l'état solide détecteur de température résistif, Resistance Temperature Detector en anglais était donc notre second objectif dans cette étude. Cette méthode est basée sur la création d'une liaison mécanique temporaire initiale au début du processus de packaging (en utilisant une pression à une température inférieure au point de fusion de la brasure). Les joints de iv brasure seront entièrement refondus à la fin du processus de packaging, lorsque les billes de brasure BGA (ball-grid-array) seront brasées au substrat. Cette nouvelle méthode peut surmonter les limitations associées au processus TCB conventionnel, notamment la température élevée, le processus d'assemblage lent et les contraintes mécaniques élevées. Une investigation a été menée pour déterminer les conditions d'assemblage appropriées à appliquer pendant ce processus. Des investigations supplémentaires ont été également menées pour explorer le mécanisme d'assemblage responsable de l’assemblage mécanique temporaire. Les résultats préliminaires de cette méthode sont prometteurs, montrant des joints de brasure de bonne qualité formés en un temps d'assemblage très court (6 secondes) et à des températures bien inférieures au TCB conventionnel (200°C)

MICROELECTRONICS PACKAGING TECHNOLOGY ROADMAPS, ASSEMBLY RELIABILITY, AND PROGNOSTICS

This paper reviews the industry roadmaps on commercial-off-the shelf (COTS) microelectronics packaging technologies covering the current trends toward further reducing size and increasing functionality. Due tothe breadth of work being performed in this field, this paper presents only a number of key packaging technologies. The topics for each category were down-selected by reviewing reports of industry roadmaps including the International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) and by surveying publications of the International Electronics Manufacturing Initiative (iNEMI) and the roadmap of association connecting electronics industry (IPC). The paper also summarizes the findings of numerous articles and websites that allotted to the emerging and trends in microelectronics packaging technologies. A brief discussion was presented on packaging hierarchy from die to package and to system levels. Key elements of reliability for packaging assemblies were presented followed by reliabilty definition from a probablistic failure perspective. An example was present for showing conventional reliability approach using Monte Carlo simulation results for a number of plastic ball grid array (PBGA). The simulation results were compared to experimental thermal cycle test data. Prognostic health monitoring (PHM) methods, a growing field for microelectronics packaging technologies, were briefly discussed. The artificial neural network (ANN), a data-driven PHM, was discussed in details. Finally, it presented inter- and extra-polations using ANN simulation for thermal cycle test data of PBGA and ceramic BGA (CBGA) assemblies

Component-Level Electronic-Assembly Repair (CLEAR) Operational Concept

This Component-Level Electronic-Assembly Repair (CLEAR) Operational Concept document was developed as a first step in developing the Component-Level Electronic-Assembly Repair (CLEAR) System Architecture (NASA/TM-2011-216956). The CLEAR operational concept defines how the system will be used by the Constellation Program and what needs it meets. The document creates scenarios for major elements of the CLEAR architecture. These scenarios are generic enough to apply to near-Earth, Moon, and Mars missions. The CLEAR operational concept involves basic assumptions about the overall program architecture and interactions with the CLEAR system architecture. The assumptions include spacecraft and operational constraints for near-Earth orbit, Moon, and Mars missions. This document addresses an incremental development strategy where capabilities evolve over time, but it is structured to prevent obsolescence. The approach minimizes flight hardware by exploiting Internet-like telecommunications that enables CLEAR capabilities to remain on Earth and to be uplinked as needed. To minimize crew time and operational cost, CLEAR exploits offline development and validation to support online teleoperations. Operational concept scenarios are developed for diagnostics, repair, and functional test operations. Many of the supporting functions defined in these operational scenarios are further defined as technologies in NASA/TM-2011-216956

Calcul du coefficient de constriction du flux thermique dans une matrice d'interconnexions en micro-électronique

La modélisation du flux thermique à travers une matrice d’interconnexions par éléments finis inclut de manière générale la modélisation complète d’au moins un élément d’interconnexion dans son intégralité. Ce procédé de discrétisation numérique étant très couteux en temps, des modèles mathématiques prenant en compte la géométrie de l’interconnexion et les propriétés des matériaux permettent de remplacer l’interconnexion et l’éventuel matériaux de remplissage par une couche équivalente homogène afin de diminuer le temps de calcul. Ces formules introduisent un paramètre appelé paramètre de constriction qui aide à représenter la résistance thermique due à la constriction du flux par l’élément d’interconnexion. Cependant, en comparant les modèles simplifiés aux modèles avec une modélisation complète de l’interconnexion, il est apparu que les résultats numériques obtenus présentent des écarts. Il en a donc été déduit que les formules pour calculer le paramètre de constriction n’étaient pas les mieux adaptées pour les géométries complexes des éléments d’interconnexions qu’il fallait représenter pour ce projet. Ce projet de maîtrise présente l’influence sur les simulations des différents paramètres géométriques (épaisseur de l’interconnexion, volume de l’élément d’interconnexion, densité du maillage défini par le nombre d’éléments d’interconnexions, présence d’un défaut d’alignement entre les deux parties à connecter) et des matériaux (différence de conductivité entre l’élément d’interconnexion et le matériau de remplissage)

Characterization of Vapour Phase Soldering Process Zone with Pressure Measurements

Purpose: With the spreading of Vapour Phase Soldering (VPS) technology it is important to understand and optimize the process itself. The paper presents a novel approach on the process zone characterization for direct feedback on the state of vapour, for better monitoring, control and understanding of the process. Design/methodology/approach: The simple model of condensation heating shows the importance of vapour concentration during condensation soldering. Different pressure sensors were applied in an experimental VPS station, where the hardware setup is focused for the current experiments. Static and dynamic pressure values are analyzed and correlated with additional thermal measurements. Findings: The results reveal the dynamics of the vapour blanket generation. The correlated measurements show different stages of the process initialization, highlighting better accuracy than sole temperature measurements of saturated vapour identification. It is possible to trace the height of the available saturated vapour blanket with static pressure measurements. Originality/value: The methods provide a completely novel approach from the aspect of process zone state variables and parameter characterization, focusing on pressure measurements. Practical implications: The VPS process may benefit from the more precise saturation detection, giving better control on the heat transfer, enabling more efficient production with the reduction of idle time, and resulting in better soldering quality. Social implications: Reducing the idle time of the VPS stations may result in better efficiency and smaller power consumption, reducing the environmental impact of the method