Mikä rooli materiaaleilla on pakkausluotettavuudessa?

Kaksimetallisen (Bi-doped) juotosseoksen käyttö on noussut tärkeäksi valinnaksi sen korkean kovuuden ja luotettavien juotosliitosten vuoksi. Tämä seos on osoittautunut tehokkaaksi erityisesti muistimoduulien pakkausten luotettavuuden parantamisessa. Matalalämpöisten juotospastejen (LTS) käyttö puolestaan tarjoaa etuja pakkausten muodonmuutoksen hallinnassa matalammissa lämpötiloissa (noin 130-150 °C), mikä on erityisen tärkeää pienissä ja tiukasti tilaa vievissä komponenteissa. Tämä mahdollistaa tarkemman lämpötilan hallinnan ja vähentää komponenttien vaurioitumisriskiä.

Teknisessä arvioinnissa tulee kiinnittää huomiota muistipakkausten EMC- ja UF-materiaalien soveltuvuuteen. Erityisesti tiukempien siruvälisten ja kapeampien liitosvälin pakkausten tapauksessa on tärkeää minimizoida pakkausten muodonmuutosta ja parantaa juotosliitosten luotettavuutta. Yhtä lailla on tärkeää kiinnittää huomiota materiaalien tarttuvuuden ja murtumislujuuden parantamiseen flip-chip-pakkauksissa.

Sama pätee kryogeenisten muistimodulien pakkaamiseen. Kriittisiä komponentteja, kuten EMC- ja juotosseoksia, on tutkittava erityisesti pitkän aikavälin luotettavuuden ja haurauden estämiseksi äärimmäisissä kylmissä olosuhteissa (−196 °C). Kylmäsäilytystestauksessa on erityisesti otettava huomioon juotosliitosten hauraus ja siirtymätemperatuurit. Paikallisten mittausten tekeminen, kuten in-situ-pakkausmuodon mittaukset ja juotosliitoksen taipuisa-hauras siirtymisen lämpötilat, on ratkaisevan tärkeää pakkausten kokonaistoiminnan varmistamiseksi kylmillä alueilla.

Materialien kehityksen jatkuessa, erityisesti kierrätetyn kullan ja kuparin käytön osalta, on tärkeää ymmärtää, että materiaalien laadun ja luotettavuuden parantaminen vaatii paitsi teknistä tarkkuutta myös jatkuvaa tutkimusta ja innovointia. Tämä on tärkeää, sillä elektroniikkateollisuus etenee yhä tiukempien suorituskykyvaatimusten ja ympäristösäädösten myötä, jolloin materiaalien kierrättäminen ja kestävyysnäkökulmat nousevat entistä tärkeämmäksi.

Miten korroosio, ympäristön saastuminen ja metallikuitujen muodostuminen voivat vaikuttaa tietokeskusten luotettavuuteen?

Korroosion, ympäristön saastumisen, hiukkasten ja metallikuitujen muodostumisen vaikutuksia ei voida edelleenkään ohittaa. Tämä osio tarkastelee tuoreita tutkimuksia todennäköisistä vikaantumismekanismeista tietokeskuksissa ja tutkii niihin liittyviä mahdollisia ratkaisuja.

Uimajäähdytyssäiliössä upotetuissa laitteissa jäähdytysnesteen ja elektronisten komponenttien välinen vuorovaikutus on kriittinen, sillä pitkäaikainen upotus voi aiheuttaa materiaalien irtoamisen ja korroosion. Nestejäähdytyksessä käytettävät happamat lisäaineet voivat johtaa merkittävään kuparin korroosioon, ja liuenneet kupari- tai kuparisuolat voivat huomattavasti heikentää jäähdytysnesteiden eristysominaisuuksia [135].

Teollisuusalueilla, joissa ilman saastuminen on korkea, ovat kaksi yleisintä vikaantumismekanismia kupari- tai hopeasulkosateen aiheuttama korroosio, jotka tavallisesti löytyvät pintamonteista ja piirilevyistä. Esimerkiksi rikkivety (H2S), rikkioksidi (SO2) ja typpidioksidi (NOx), jotka sisältävät rikkipitoisia saasteita, voivat reagoida piirilevyjen metalleihin, kuten kupariin ja hopeaan, aiheuttaen hapettumista ja vahingoittaen elektronisia komponentteja ja kokoonpanoja. Nämä hapettuneet metallit reagoivat hapon kanssa muodostaen metallisulfideja ja dendriittejä. H2S:n pitoisuus vaikuttaa merkittävästi kuparin korroosioprosessiin. Korkeampi H2S-pitoisuus reaktanttina parantaa kemiallista reaktiota, mikä lisää Cu2S:n tai Ag2S:n tuotantoa [136–138].

Erilaiset metallit ja niiden reagointikyvyt ovat myös tärkeitä vikaantumismekanismien erottamisessa. MFG (Mixed Flowing Gas) -testi sopii kuparin hiipivän korroosion jäljittelemiseen, kun taas FoS-testi on tarkoitettu hopean korroosiovian simulointiin [140]. Tietokeskusten piirilevyille ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) on suositeltu pintakäsittely, sillä sillä on erinomainen korroosionkestävyys ja luotettavuus. Muita vaihtoehtoja ovat ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), LF-HASL (Lead-Free Hot Air Solder Leveling), ja Immersion Silver (ImAg), joilla kaikilla on omat erityiset hyvät ja huonot puolensa.

Tropiikin meren rannalla sijaitsevien tietokeskusten mahdollisen vikaantumisriskin arvioimiseksi tutkittiin piirilevyjen korroosiokäyttäytymistä, joka syntyy, kun altistetaan yhdistettyjen tekijöiden vaikutuksille: korkea lämpötila, korkea kosteus, suuria Cl- pitoisuuksia ja runsaasti mikro-organismeja. Hainanin provinssissa Kiinassa suoritettiin ulkotestejä, jotka paljastivat mikroskooppisen rakenteen muutoksia eri metallipinnoilla, jotka altistuivat ulkoilman olosuhteille kolmen kuukauden ajan [143]. SEM-analyysi paljasti, että PCB-Cu-näytteen pintaan muodostui kulumismaisia kerroksia, jotka sisälsivät orgaanisia aineita, kuten hiiltä, happea, fosforia ja typpeä, mikä viittaa homeitiöiden muodostumiseen korroosioalueelle.

Zinkkikuitujen muodostuminen on toinen merkittävä haaste tietokeskuksissa. Sinkkikuitujen kasvu tapahtuu, kun sinkkiatomit altistuvat puristusstressille. Nämä hiukkaset muodostuvat sinkkipinnoitetuilla metalleilla, ja ne voivat irrota sinkkikäsitellyistä osista, kuten nostetun lattian laatoista ja tukirakenteista. Sinkkikuidut ovat sähköisesti johtavia ja voivat aiheuttaa oikosulkuja tai muita järjestelmävikojen riskejä, kun ne leviävät ilmanvirran mukana [145].

Sinkkikuitujen ulkonäköä ymmärtääksemme tarkasteltiin SEM-pinnan morfologioita ja poikkileikkauskuvia, jotka osoittavat sinkkikuitujen kasvua sinkkipinnoitteen alla nostetun lattian laatassa 20 vuoden ajan [146]. Tämä tutkimus paljastaa sinkkikuitujen muodostuvan sinkkipinnoitteen alla ja vaarantavan laitteiden toiminnan.

Tietokeskusten käyttöympäristön olosuhteet, kuten lämpötila, kosteus ja saasteet, sekä valitut materiaalit, kuten piirilevyjen pintakäsittelyt, voivat vaikuttaa merkittävästi luotettavuuteen ja toiminnan jatkuvuuteen.

Miten valita ja valmistaa luotettavia alustoja ja piirilevyjä muistilaitteiden pakkaamiseen?

Semiconductor-pakkausmateriaalien ja piirilevyjen (PCB) kehitys on ollut olennainen tekijä teknologian edistymisessä ja laitteiden suorituskyvyn parantamisessa. Erityisesti muistimoduulien ja SSD-laitteiden kehityksessä on tapahtunut merkittäviä muutoksia, jotka ovat mahdollistaneet entistä tiheämmän, tehokkaamman ja luotettavamman datankäsittelyn. Muistilaitteiden pakkaamisen alustoilla ja piirilevyillä on suuri rooli paketin laadussa ja luotettavuudessa, sillä ne vaikuttavat suoraan komponenttien integrointiin, signaalin eheysreaktioihin sekä lämpö- ja mekaanisten rasitusten kestäviin ominaisuuksiin.

Semiconductor-pakkausratkaisuissa käytetään kahta pääasiallista orgaanista alustatyyppiä: ydinrakenteiset ja ydinvapaat alustat. Ydinrakenteiset materiaalit, kuten BT-alustat, sisältävät useita kerroksia kuparia, jotka mahdollistavat paremman liitoksen ja signaalin eheysominaisuudet. Tämä rakenne on erityisen hyödyllinen, kun halutaan käsitellä korkean nopeuden ja suuren kaistanleveyden signaaleja, jotka ovat tyypillisiä muistimoduuleille ja SSD:ille.

Alustojen valmistusprosessit ovat monivaiheisia ja vaativat huolellista suunnittelua ja valmistusvalvontaa. Erityisesti tärkeää on alustan ja sen komponenttien valmistuksen tarkka ohjaaminen, kuten kuparijälkien kaivertaminen ja pinnan viimeistely, sillä väärin toteutetut prosessit voivat aiheuttaa mikromurtumia, jotka heikentävät komponentin luotettavuutta. Tällöin on tärkeää ottaa huomioon myös materiaalien yhteensopivuus lämpötilan vaihteluiden ja mekaanisten jännitysten kanssa. Esimerkiksi lämmönlaajeneminen ja lämpökierron muuttuminen voivat johtaa alustan murtumiseen ja sen kestävyyden heikkenemiseen, mikä puolestaan vaikuttaa muistimoduulin kokonaistoimintaan.

Alustojen ja piirilevyjen luotettavuutta pyritään parantamaan muun muassa säilyttämällä kosteudenkestävyys ja ehkäisemällä delaminaatiota. BT-epoksilaminaattien täysikykenevä käsittely voi tarjota hyvän kosteuden ja delaminaation kestävyyden. Kuitenkin materiaalien kosteuden diffuusio on edelleen merkittävä haaste, sillä se voi vaikuttaa alustan pitkäaikaiseen luotettavuuteen. Erityisesti lasikuitu-/hartsi-liittymien ja vapaiden tilojen olemassaolo voi lisätä kosteuden pääsyä alustan sisälle, mikä voi heikentää sen kestävyyttä.

Materiaalitekniikan ja valmistusprosessien kehitys on olennainen osa muistilaitteiden pakkausratkaisujen luotettavuuden parantamista. Yhteistyö eri tekniikoiden ja innovaatioiden välillä on avainasemassa siinä, että saadaan kehitettyä uusia materiaaleja, jotka kestävät entistä paremmin korkean suorituskyvyn ja vaativan käyttöympäristön tarpeet. Samalla, kun alustoja ja piirilevyjä kehitetään, on tärkeää myös huomioida niiden pitkäaikainen kestävyys ja luotettavuus, erityisesti kun laitteet altistuvat äärimmäisille olosuhteille, kuten nestejäähdytykselle ja kvanttitietokoneiden sovelluksille.

Miten valita ja suunnitella juotosliitoksia erilaisiin käyttöympäristöihin?

Elektronisten komponenttien luotettavuus on tullut entistä tärkeämmäksi tekijäksi monilla teollisuudenaloilla, erityisesti autoteollisuudessa, kulutuselektroniikassa ja tietotekniikassa. Juotosliitokset ovat yksi keskeinen tekijä, joka vaikuttaa suoraan elektroniikkalaitteiden toimintaan ja kestävyysvaatimuksiin. Erityisesti juotoksen väliin muodostuvat intermetalliset yhdisteet (IMC) ovat merkittävässä roolissa liitosten lujuuden ja kestävyyden kannalta.

Esimerkiksi ajoneuvojen elektroniikassa, jossa elektroniikkakomponentit muodostavat yhä suuremman osan auton kokonaiskustannuksista, juotosliitosten luotettavuus on keskeinen tekijä. Elektronisten järjestelmien turvallisuus ja kestävyys ovat entistä tärkeämpiä tekijöitä autoteollisuudessa, erityisesti uusien teknologioiden, kuten itsenäisen ajamisen, käyttöönoton myötä. Tässä ympäristössä liitosten kestävyys korkeissa lämpötiloissa, tärinässä ja mekaanisissa iskuissa on elintärkeää.

Juotteen suunnittelussa käytettävä materiaali ja sen ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi liitosten lujuuteen. Esimerkiksi SAC405N005i-Bi -seoksen ja Cu-OSP (kuparin orgaanisen suoja-aineen) yhdistelmä on suositeltu autoteollisuudessa, koska sen muodostamat intermetalliset yhdisteet (IMC), kuten (Cu, Ni)6Sn5 ja (Cu, Ni)3Sn, tarjoavat paremman liitoksen lujuuden mekaanisessa rasituksessa verrattuna muiden pinnoitteiden, kuten NiAu, kanssa muodostuviin IMC-yhdisteisiin. Kuitenkin Cu-OSP-pinnoitteella on omat haasteensa, sillä pitkäaikaisessa lämpökuormituksessa kupari voi kulua nopeasti ja aiheuttaa liitoksen epäluotettavuutta. Tämän vuoksi juotosliitosten suunnittelussa tulee ottaa huomioon paksummat kuparipinnat ja mahdolliset lisäaineet juotteen seoksessa, jotka voivat hidastaa kupari-tina-diffuusiota ja parantaa luotettavuutta.

Lämpö- ja mekaanisten rasitusten lisäksi juotosliitosten luotettavuus riippuu myös valmistusprosessista. Esimerkiksi matalan lämpötilan juotospasta (LTS) voi parantaa juotosliitosten kestävyyttä, erityisesti kun käytetään Bi-dopattuja juotoseoksia. Bi-elementti lisää juotteen kovuutta, mutta voi myös tehdä liitoksista hauraampia, mikä on huolenaihe pudotus- ja iskukestävyydessä. Tällöin juotosprosessin optimointi, kuten reflow-lämpötilan säätely ja ajan tarkka hallinta nestemäisessä tilassa, voivat merkittävästi parantaa liitoksen kestävyyttä ja vähentää mahdollisten viallisten liitosten syntymistä.

LTS-juotosten haasteena on kuitenkin Bi:n hauraus, joka voi johtaa mekaanisten iskujen ja pudotusten aikana liitosten murtumiseen. Sn-58Bi -seoksen käyttäytymistä tutkittaessa on havaittu, että esimerkiksi Cu-OSP-pinnalla juotosliitokset voivat kestää paremmin tärinää ja mekaanisia iskuja kuin ENIG-pinnan kanssa. On kuitenkin tärkeää huomioida, että Bi:n määrän pienentäminen LTS-seoksessa saattaa heikentää juotosliitosten kestävyyttä, vaikka se voi parantaa niiden iskunkestävyyttä. Tämän vuoksi juotosten optimointi vaatii huolellista tasapainottamista materiaalin ja prosessien välillä.

Muilla kuin autoteollisuuden sovelluksilla, kuten muistikorteilla ja SSD-levyillä, juotosliitosten luotettavuus on yhtä tärkeää. Juotosliitosten kestävyyttä voidaan parantaa käyttämällä vahvempia ja murtumiskestävämpiä substraattimateriaaleja sekä optimoimalla pakkausmateriaalien ja kokoamisprosessien parametrit. Erityisesti komponenttitasolla tapahtuva pakkausvääntö voi vaikuttaa merkittävästi juotosliitosten luotettavuuteen. Tällöin juotteen ja pinnoitteiden valinta yhdessä substraatin suunnittelun kanssa on keskeistä luotettavien liitosten aikaansaamiseksi.

Tämä kokonaisvaltainen lähestymistapa juotosliitosten suunnittelussa ja optimoinnissa, joka kattaa materiaalit, prosessit ja valmistusparametrit, tulee olemaan keskeinen osa tulevaisuuden elektronisten laitteiden valmistusta ja luotettavuutta. Samalla on tärkeää jatkuvasti seurata juotosliitosten käyttäytymistä erilaisissa käyttöympäristöissä ja päivittää suunnittelukäytännöt vastaamaan muuttuvia tarpeita ja vaatimuksia.