Col passare degli anni il settore militare e aerospaziale esige sistemi sempre più veloci, più precisi e poco costosi. Limiti sempre più rigorosi in termini di dimensioni, peso e potenza, oltre che gli elevati requisiti di alimentazione di grandi FPGA, hanno segnato un passo decisivo verso architetture di alimentazione POL (Point Of Load).
La tecnologia µModule (Fig. 1) Technology, ampiamente accettata dal mercato e in grado di soddisfare queste esigenze, offre una soluzione SIP (System-In-a-Package) completa che semplifica la progettazione e riduce al minimo il numero dei componenti esterni.
La tecnologia del package originale scelta per i regolatori di commutazione µModule era la LGA (land grid array), molto diffusa in tutto il settore. Invece per le applicazioni che operano in ambienti molto difficili si preferisce l’interconnessione BGA (Ball Grid Array) e Linear Technology ha sviluppato un package che soddisfa queste esigenze (Fig. 2)
In questo articolo sarà fatto un confronto tra le prestazioni dei package LGA e BGA e un’analisi dei pregi delle finiture realizzate con oro o lega di stagno-piombo (SnPb) e senza piombo (Pb-free).
Finiture dei terminali dei componenti
La domanda di finiture per componenti che caratterizza il mercato militare e aerospaziale europeo è piuttosto frammentata; alcune società utilizzano finiture senza piombo, altre invece le evitano del tutto, ma più generalmente si opta per una combinazione che dipende delle esigenze specifiche dei singoli progetti.
Determinante è la continua esclusione delle apparecchiature militari e aerospaziali dalla direttiva RoHS II (Restriction of Hazardous Substances) che consente l’uso di finiture SnPb per un periodo indefinito. Il problema principale è l’impatto sull’affidabilità a causa della formazione di microscopici filamenti sul rivestimento in puro stagno che possono causare guasti a seguito di cortocircuiti dei conduttori a passo fine adiacenti. L’aggiunta di piombo (Pb) alla stagnatura rimane la soluzione standard per attenuare la formazioni di tali filamenti.
Sull’uso delle finiture SnPb gravano gli aspetti pratici della disponibilità dei componenti, la mancanza di scorte destinate alla distribuzione e lunghi tempi di consegna. Autorizzando l’uso della finitura SnPb le società a volte rinunciano ad accedere a una più ampia gamma di nuovi componenti solo privi di piombo. Anche se questo problema può essere risolto da società terze che offrono processi di stripping e replating o reballing, gli ulteriori cicli termici e la difficoltà di eseguire nuovi test, oltre che i costi derivanti, rendono questo approccio poco consigliabile.
Quando si usano componenti senza piombo, viene spesso utilizzato un altro modo per ridurre i filamenti di stagno: si utilizzano cioè ‘conformal coating’ polimerici (es. Parylene o Arathane) che hanno dimostrato di poter resistere alla penetrazione dei filamenti per molti anni.
Considerazioni sulle interconnessioni
Alla luce delle diverse esigenze trattate in precedenza, i prodotti µModule con package LGA di Linear Technology offrono una soluzione universale perchè i pad placcati oro sono utilizzati da molto tempo nei sistemi militari e aerospaziali e hanno il vantaggio di essere conformi alla direttiva RoHS.
Uno dei problemi derivanti dall’uso di questi componenti è l’infragilimento da oro, problema che riguarda in particolare i grandi BTC (Bottom Termination Component) che sono soggetti a condizioni ambientali difficili. Durante il riflusso l’oro viene dissolto nella saldatura creando interfacce deboli nella struttura cristallina, le differenze del coefficiente di dilatazione termica (CTE) tra le piastrine con IMC (composto intermetallico) oro-stagno e il volume circostante della saldatura possono comportare una fratturazione della saldatura e un eventuale circuito aperto quando gli elementi sono ripetutamente soggetti a cicli di temperatura. Una vecchia regola raccomanda di non superare una soglia del ~3% in peso di oro nella giunzione e i prodotti µModule LGA di Linear Technology soddisfano questo requisito sia nella pasta SnPb che nella pasta SAC305. Alcune società eseguono i test sui BTC con PCB e condizioni ambientali caratteristici, usando speciali campioni di interconnessione ‘daisy-chain’.
Un aumento del volume della saldatura nella giunzione e dello stand-off dal PCB migliora l’affidabilità dell’interconnessione rendendo la giunzione più compatibile. Dai test effettuati nel settore militare e aerospaziale è emerso che in genere i package BGA sono preferiti agli LGA ovunque vi siano condizioni ambientali difficili, soprattutto nei sistemi di bordo. Un altro vantaggio è la facilità di pulizia che risolve molti problemi associati agli inquinanti.
Per tutti questi motivi i regolatori µModule sono disponibili, oltre che in package LGA, anche in package BGA. Il BGA ha lo svantaggio di avere un’efficienza termica leggermente inferiore, pari a circa 0,5ºC/Watt, e un aumento generale dell’altezza dei componenti di 0,6mm. I regolatori µModule BGA di Linear Technology sono normalmente disponibili nelle configurazioni senza piombo SAC305 e su prodotti specifici in base alla domanda di sfere Sn63Pb37 stagno-piombo.
Test e caratteristiche di affidabilità
È importante vedere i problemi in prospettiva, per questo Linear Technology ha condotto test approfonditi sull’affidabilità di interconnessione dei prodotti µModule con configurazioni sia LGA sia BGA.
Considerato quanto sopra descritto, dobbiamo distinguere tra test sui componenti usati nella qualificazione iniziale e i successivi test di interconnessione e monitoraggio dell’affidabilità che sono veramente una caratterizzazione delle prestazioni con configurazioni PCB, processi di assemblaggio e parametri dei cicli di temperatura selezionati.
Dagli approfonditi test sui prodotti µModule a livello di componenti emerge un livello di affidabilità straordinariamente elevato, con 0,72 FITS (1 FIT = 1 guasto per miliardo di ore dispositivo); questo articolo si concentrerà tuttavia sui test a livello di interconnessione. Sono stati eseguiti tre tipi di test di interconnessione:
1) Test daisy-chain: ogni pad del regolatore µModule viene collegato a quello successivo, in modo da formare un circuito completo, e monitorato in tempo reale durante i cicli di temperatura in conformità a IPC-9701 e JESD22-A104. Questo metodo consente di testare ogni pad e in genere viene preferito al test funzionale perché consente di connettere molti pad in parallelo nell’applicazione.
2) Test funzionale: il regolatore µModule viene sottoposto a cicli di temperatura e se ne verifica il corretto funzionamento su una scheda di valutazione. La maggior parte dei test è stata eseguita su regolatori µModule LGA confrontando la pasta SnAgCu senza piombo con la pasta SnPb. I test erano comunque limitati a un massimo di 2000 cicli che non hanno prodotto difetti su nessuna saldatura.
3) Test di vibrazione casuale: condotto in conformità a MIL-STD-202G, metodo 214A su gamma di frequenza compresa tra 50Hz e 2000Hz, è un test molto rigoroso. La prova dell’LTM4610A in LGA-133 ha superato la lettera C a 9,26g RMS, ma ha fallito sull’asse Z con lettera F a 20,71g RMS. Sono state effettuate le prove su LTM4601A in package BGA i cui risultati sono indicati nella tabella 2. Le saldature SnPb e SAC305 (senza Pb) hanno dato buoni risultati, con esito positivo a 20,71g RMS.
È probabile che in futuro il settore militare e aerospaziale continuerà a chiedere una combinazione di finiture per componenti e che i produttori impegnati ad appoggiare questo mercato debbano continuare a sostenere le finiture SnPb.
I BTC come i prodotti µModule di Linear Technology con package LGA placcato oro hanno dimostrato di essere affidabili e sono ampiamente diffusi nel mercato. I package BGA si presentano come alternativa agli LGA e sono adatti soprattutto per le applicazioni che operano in ambienti molto difficili.
I package BGA con sfere SAC305 (senza Pb) conformi alla diretta RoHS, che utilizzano le paste di saldatura SAC305 e SnPb, si sono dimostrati molto affidabili e in grado di sostenere più di 6000 cicli di temperatura. Per le applicazioni in cui è autorizzato l’uso di SnPb, è disponibile un BGA SnPb ‘factory built’.
Data la scarsità dello spazio a disposizione, è stato possibile presentare solo una piccola selezione di dati relativi all’affidabilità: per maggiori informazioni si rimanda al sito di Linear Technology.