För varje år ställer den militära och flyg- och rymdsektorn krav på allt snabbare system med bättre noggrannhet och till lägre kostnad. Allt strängare storleks-, vikt- och effektbegränsningar tillsammans med de krävande kraftmatningsbehoven hos stora FPGA-kretsar har lett till en kraftig trend mot POL-(point of load)-baserad kraftmatning. Steve Munns, marknadschef, Mil-Aero hos Linear Technology Corporation, beskriver här företagets µModule-teknik, jämför prestanda för LGA- och BGA-kapslar och diskuterar fördelarna med guld eller tenn-bly (SnPb) samt blyfria (Pb-fria) komponenter.

Fig 1. µModule-produkternas utförande

Den ursprungliga kapslingsteknik som valdes för switchade µModule-regulatorer var LGA (land grid array) och denna har fungerat bra för en bred marknad. För vissa tillämpningar som är utsatta för mycket tuffa miljöer är dock BGA-(ball grid array)-kapslar att föredra och Linear Technology har utvecklat kapslar för att tillgodose dessa behov.

Fig 2. LGA- och BGA-kapslar

Komponentterminaler
Efterfrågan på olika komponenttyper är ganska fragmenterad inom den europeiska marknaden för militära och flyg- och rymdsystem. Vissa företag utnyttjar enbart blyfria komponenter, medan andra har som policy att fullständigt undvika sådana. Vanligtvis utnyttjas dock en blandning som ges av de specifika behoven hos individuella projekt.

En viktig faktor är att militär och flyg- och rymdutrustning fortfarande inte omfattas av RoHS II-(Restriction of Hazardous Substances)-direktivet, vilket möjliggör obehindrad användning av SnPb-komponenter. Det främsta problemet är de s k whiskers som kan bildas på en ren tennplätering. Sådana whiskers kan påverka noggrannheten, vilket leder till potentiella utrustningsfel till följd av kortslutning av intilliggande tunna ledare. Tillägg av bly (Pb) i tennpläteringen är fortfarande industrins standardmetod för att motverka bildandet av whiskers.

Fördelarna med att använda SnPb kan vägas mot praktiska saker som komponenttillgänglighet, brist på distributionslager och längre leveranstider. Genom att föreskriva användning av SnPb-komponenter går företag ibland miste om ett bredare sortiment av nya blyfria komponenter. Detta kan visserligen lösas av tredjepartsföretag som erbjuder strippnings- och ompläterings- eller “re-balling”-processer, men eftersom detta medför extra värmecykler och krånglig omtestning utöver extra kostnader är det inte ett önskvärt tillvägagångssätt.

För blyfria komponenter används vanligtvis en annan metod för att undvika bildandet av whiskers. Denna utnyttjar konforma polymerbeläggningar såsom Parylene eller Arathane, som har visat sig kunna motstå penetrering av whiskers under många år.

Överväganden för anslutning
Givet de blandade behov som diskuterats ovan erbjuder Linear Technologys µModule-produkter i LGA-kapslar en universallösning, eftersom guldpläterade belägg sedan länge har använts i militära och flyg- och rymdsystem De har dessutom den fördelen att de är RoHS-kompatibla.
Ett problem med att använda guldpläterade komponenter är att guld är så skört och detta gäller framför allt för de stora nedre termineringskomponenterna (BTCer, bottom termination components) som utsätts för tuffa miljöförhållanden.

Vid omsmältningslödning löses guld in i lödskarven och skapar svaga gränssnitt i den kristallina strukturen, skillnaden i CTE (coefficient of thermal expansion) mellan områden med guld-tenn-blandningar och omgivande lödtenn kan resultera i frakturer i lödskarven och en eventuell öppen krets när systemet utsätts för upprepade temperaturcykler.

Industrin har sedan länge följt en tumregel som rekommenderar att ett tröskelvärde på ungefär 3 viktsprocent guld i skarven inte överskrids och Linear Technologys LGA µModule-produkter tillgodoser detta krav för såväl SnPb- som SAC305-lödpasta. Vissa företag utför egna försök på BTCer med representativa PCBer och miljöförhållanden och utnyttjar speciella “daisy-chain”-baserade anslutningsprov för detta ändamål.

Ökad mängd lödtenn i en skarv och avståndet till PCBn förbättrar anslutningens tillförlitlighet genom att göra skarven säkrare. Test inom den militära och flyg- och rymdindustrin har visat att BGA-kapslar generellt är att föredra framför LGA när tuffa miljöförhållanden är troliga, framför allt i luftburna system. En annan fördel är att rengöringen är enklare vilket minskar problemen med föroreningar.

Av dessa anledningar finns nu µModule-regulatorer utöver LGA även i BGA-kapslar. Nackdelen med BGA-kapslar är en något mindre termisk verkningsgrad på runt 0,5ºC/W och ökad komponenthöjd på 0,6 mm. Linear Technologys BGA µModule-regulatorer erbjuds som standard i SAC305 blyfria konfigurationer och i specifika produkter enligt behov med tenn-bly Sn63Pb37-kulor.

Tillförlitlighetstest och egenskaper
Det är viktigt att ha perspektiv på problemen och Linear Technology har genomfört omfattande tillförlitlighetsstudier av µModule-produkter med såväl LGA- som BGA-konfigurationer.

Som bakgrund bör skillnad göras mellan de komponenttester som utnyttjas vid den initiala kvalificeringen och efterföljande tillförlitlighetsövervakning och de anslutningstester som är en bestämning av prestanda med de PCB-konfigurationer, den monteringsprocess och de temperaturcykelparametrar som valts.

Omfattande test av µModule-produkter på komponentnivå visar på en hög nivå av tillförlitlighet med 0,72 FITS (1 FIT = 1 fel under en miljard komponenttimmar) men denna artikel fokuserar på testning på anslutningsnivå.

Tre typer av anslutningstest har utförts;
1) “Daisy chain”-test: där µModule-regulatorns samtliga belägg är kopplade till nästa för att bilda en fullständig krets, övervakade i realtid under temperaturcykler enligt IPC-9701 och JESD22-A104. Denna metod tillser att samtliga belägg testas och eftersom många belägg är parallellkopplade i tillämpningen är detta generellt att föredra framför funktionstest.

Tabell 1. LTM4601A “Daisy Chain”-testresultat för LGA och BGA
Anm (1) : När de 5 felen i tabell 1 analyseras med Weibullfördelning, förutspås ett fel på 1% för 1 780 cykler.
Anm (2): Vidare testning av LGA-produkter med SAC305 (blyfri) pasta till 6 000 cykler visar noll fel för sammanlagt 240 prov av flera andra µModule-produkter.
Anm (3): Samtliga BGA-kapslar utnyttjade SAC305 lödkulor

2) Funktionstest: där µModule-regulatorn temperaturcyklas och testas för korrekt funktion på ett utvärderingskort. Många tester utfördes på LGA µModule-regulatorer där blyfri SnAgCu-pasta jämfördes med SnPb-pasta. Testerna begränsades dock till maximalt 2 000 cykler, vilket inte gav några fel oavsett lödpasta.

3) Slumpvisa vibrationstest: genomfördes enligt MIL-STD-202G, metod 214A över frekvensområdet 50 Hz till 2 000 Hz och är ett mycket tufft test. Test av LTM4601A i LGA-133 godkändes med testresultatet C vid 9,26g RMS men underkändes på Z-axeln med testresultatet F vid 20,71g RMS. Försök på LTM4601A i BGA utfördes och resultaten visas nedan i tabell 2. Både SnPb och SAC305 (blyfri) lödpasta gav gott resultat och godkändes vid 20,71g RMS.

 Tabell 2. Slumpvisa vibrationstest på BGA-133-kapsel

Slutsatser
Det är troligt att den militära och flyg- och rymdsektorn kommer att fortsätta att kräva en blandning av komponenter under överskådlig framtid och att tillverkare som stöder denna marknad måste fortsätta att föra SnPb-baserade komponenter.
BTCer såsom Linear Technologys µModule-produkter med guldpläterade LGA-kapslar är påvisat tillförlitliga och accepteras brett inom industrin. Nu ger BGA-versioner ett alternativ till LGA för framför allt tillämpningar i tuffa miljöer.

BGAer med RoHS-kompatibla SAC305-(blyfria)-kulor som utnyttjar såväl SAC305- som SnPb-lödpasta har visat sig vara mycket tillförlitliga och klarar över 6 000 temperaturcykler utan fel. För tillämpningar där SnPb föreskrivs finns nu ett fabriksbyggt alternativ i SnPb BGA.

Steve Munns, marknadschef, Mil-Aero, Linear Technology Corporation
 

Filed under: Militar