SMT naudoja įprastinę litavimo pastos oro reflektorinio suvirinimo ertmių analizę ir sprendimą (2023 m. „Essence“ leidimas), jūs to nusipelnėte!
1 Įvadas
Surenkant spausdintinę plokštę, ant litavimo vietos pirmiausia užtepama litavimo pasta, o tada pritvirtinami įvairūs elektroniniai komponentai. Galiausiai, po lydymo krosnies, litavimo pastoje esantys alavo karoliukai išlydomi, o įvairūs elektroniniai komponentai suvirinami kartu su spausdintinės plokštės litavimo vieta, kad būtų galima surinkti elektrinius submodulius. Paviršinio montavimo technologija (sMT) vis dažniau naudojama didelio tankio pakavimo gaminiuose, tokiuose kaip sisteminio lygio korpusai (siP), rutulinių gridų matricų (BGA) įtaisai ir „Power Bare Chip“, kvadratiniai plokščio kontakto neturintys korpusai (keturių aatNo-lead, vadinami QFN).
Dėl litavimo pastos suvirinimo proceso ir medžiagų ypatybių, po šių didelių litavimo paviršių įtaisų suvirinimo pakartotinai, litavimo suvirinimo srityje atsiras skylių, kurios turės įtakos gaminio elektrinėms, šiluminėms ir mechaninėms savybėms bei netgi gali sukelti gaminio gedimą. Todėl litavimo pastos pakartotinio suvirinimo ertmės tobulinimas tapo procesu ir technine problema, kurią reikia išspręsti. Kai kurie tyrėjai analizavo ir tyrė BGA litavimo rutulio suvirinimo ertmės priežastis ir pateikė tobulinimo sprendimus. Trūksta įprasto litavimo pastos pakartotinio suvirinimo proceso, kai QFN suvirinimo plotas yra didesnis nei 10 mm2, arba suvirinimo plotas, didesnis nei 6 mm2, be plikų lustų sprendimo.
Suvirinimo angai pagerinti naudokite iš anksto paruoštą litavimą ir vakuuminį grįžtamąjį krosnį. Surenkamam litavimui reikalinga speciali įranga fliuso taškavimui. Pavyzdžiui, lustas yra smarkiai pastumtas ir pakreiptas, kai lustas uždedamas tiesiai ant surenkamo lydmetalio. Jei fliuso tvirtinimo lustas yra perlydomas, o tada taškuojamas, procesas pailgėja dvigubai, o surenkamo lydmetalio ir fliuso medžiagos kaina yra daug didesnė nei litavimo pastos.
Vakuuminio refliukso įranga yra brangesnė, nepriklausomos vakuuminės kameros vakuuminis našumas yra labai mažas, ekonomiškas našumas nėra didelis, o alavo taškymosi problema yra rimta, o tai yra svarbus veiksnys taikant didelio tankio ir mažo žingsnio gaminius. Šiame straipsnyje, remiantis įprastu litavimo pastos refliukso suvirinimo procesu, sukurtas ir pristatytas naujas antrinis refliukso suvirinimo procesas, skirtas pagerinti suvirinimo ertmę ir išspręsti suvirinimo ertmės sukeliamus sukibimo ir plastikinių sandariklių įtrūkimų problemas.
2 Litavimo pastos spausdinimo reflow suvirinimo ertmė ir gamybos mechanizmas
2.1 Suvirinimo ertmė
Po pakartotinio suvirinimo gaminys buvo išbandytas rentgeno spinduliais. Nustatyta, kad šviesesnės spalvos suvirinimo zonoje esančios skylės atsirado dėl nepakankamo lydmetalio kiekio suvirinimo sluoksnyje, kaip parodyta 1 paveiksle.
Burbulo skylės aptikimas rentgeno spinduliais
2.2 Suvirinimo ertmės formavimo mechanizmas
Pavyzdžiui, sAC305 litavimo pasta, kurios pagrindinė sudėtis ir funkcija pateiktos 1 lentelėje. Fliusas ir alavo granulės sujungiamos pastos pavidalu. Alavo lydmetalio ir fliuso svorio santykis yra apie 9:1, o tūrio santykis – apie 1:1.
Atspausdinus ir pritvirtinus litavimo pastą prie įvairių elektroninių komponentų, ji, praeidama per grįžtamąją krosnį, pereina keturis etapus: išankstinio pašildymo, aktyvavimo, grįžtamojo virimo ir aušinimo. Lydavimo pastos būsena taip pat skiriasi priklausomai nuo temperatūros skirtinguose etapuose, kaip parodyta 2 paveiksle.
Profilio nuoroda kiekvienai reflow litavimo sričiai
Įkaitinimo ir aktyvavimo etape litavimo pastoje esantys lakieji fliuso komponentai kaitinant virsta dujomis. Tuo pačiu metu, pašalinus oksidą nuo suvirinimo sluoksnio paviršiaus, susidarys dujos. Dalis šių dujų išgaruos ir paliks litavimo pastą, o dėl fliuso išgaravimo litavimo granulės bus sandariai sutankintos. Grįžtamojo srauto etape likęs fliusas litavimo pastoje greitai išgaruos, alavo granulės išsilydys, nedidelis kiekis lakiųjų fliuso dujų ir didžioji dalis oro tarp alavo granulių nebus laiku išsklaidyti, o likęs kiekis išlydytame alavoje ir išlydyto alavo įtempimo veikiamas sudaro „hamburgerio sumuštinio“ struktūrą ir yra sulaikomas plokštės litavimo padėklo ir elektroninių komponentų, o skystame alavoje apvyniotas dujas sunku ištraukti tik dėl kylančio plūdrumo. Viršutinis lydymosi laikas yra labai trumpas. Kai išlydytas alavas atvėsta ir tampa kietu alavu, suvirinimo sluoksnyje atsiranda porų ir susidaro litavimo skylės, kaip parodyta 3 paveiksle.
Litavimo pastos perlydymo suvirinimo metu susidariusios tuštumos schema
Suvirinimo ertmės susidarymo priežastis yra ta, kad po lydymosi lydmetalio pastos viduje esantis oras arba lakiosios dujos nėra visiškai išleidžiamos. Įtakos veiksniai yra lydmetalio pastos medžiaga, lydmetalio pastos spausdinimo forma, lydmetalio pastos spausdinimo kiekis, refliukso temperatūra, refliukso laikas, suvirinimo dydis, struktūra ir kt.
3. Litavimo pastos spausdinimo reflow suvirinimo skylių įtakos veiksnių patikrinimas
QFN ir „plikos mikroschemos“ bandymai buvo panaudoti siekiant patvirtinti pagrindines reflektinio suvirinimo tuštumų priežastis ir rasti būdų, kaip pagerinti litavimo pastos atspausdintas reflektinio suvirinimo tuštymes. QFN ir „plikos mikroschemos“ litavimo pastos reflektyvinio suvirinimo produkto profilis parodytas 4 paveiksle. QFN suvirinimo paviršiaus dydis yra 4,4 mm x 4,1 mm, suvirinimo paviršius yra alavuotas sluoksnis (100 % grynas alavas); „plikos mikroschemos“ suvirinimo dydis yra 3,0 mm x 2,3 mm, suvirinimo sluoksnis yra purškiamas nikelio-vanadžio bimetalinis sluoksnis, o paviršinis sluoksnis yra vanadis. Pagrindo suvirinimo padas buvo beelektrodinis nikelio-paladžio aukso panardinimas, o storis buvo 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Naudojama SAC305 litavimo pasta, litavimo pastos spausdinimo įranga yra DEK Horizon APix, grįžtamosios krosnies įranga yra „BTUPyramax150N“, o rentgeno įranga yra DAGExD7500VR.
QFN ir plikų drožlių suvirinimo brėžiniai
Siekiant palengvinti bandymų rezultatų palyginimą, pakartotinis suvirinimas buvo atliktas 2 lentelėje nurodytomis sąlygomis.
Reflow suvirinimo sąlygų lentelė
Užbaigus paviršiaus montavimą ir pakartotinį suvirinimą, suvirinimo sluoksnis buvo aptiktas rentgeno spinduliais ir nustatyta, kad QFN apačioje ir plikos drožlės paviršiuje yra didelių skylių, kaip parodyta 5 paveiksle.
QFN ir mikroschemos holograma (rentgeno spinduliai)
Kadangi alavo granulių dydis, plieno tinklelio storis, atidarymo plotas, plieno tinklelio forma, grįžtamojo srauto laikas ir maksimali krosnies temperatūra turi įtakos pakartotinio suvirinimo tuštumoms, yra daug įtakos veiksnių, kuriuos tiesiogiai patikrins DOE bandymas, o eksperimentinių grupių skaičius bus per didelis. Būtina greitai atrinkti ir nustatyti pagrindinius įtakos veiksnius atliekant koreliacijos palyginimo testą, o tada toliau optimizuoti pagrindinius įtakos veiksnius taikant DOE.
3.1 Litavimo skylių ir litavimo pastos skardinių karoliukų matmenys
Atliekant 3 tipo (karoliukų dydis 25–45 μm) SAC305 litavimo pastos bandymą, kitos sąlygos nesikeičia. Po perlydymo išmatuojamos litavimo sluoksnio skylės ir palyginamos su 4 tipo litavimo pasta. Nustatyta, kad litavimo sluoksnio skylės tarp dviejų rūšių litavimo pastų reikšmingai nesiskiria, o tai rodo, kad litavimo pasta su skirtingo dydžio karoliukais neturi akivaizdžios įtakos litavimo sluoksnio skylėms, ir tai nėra įtakos veiksnys, kaip parodyta 6 paveiksle.
Metalinių alavo miltelių skylių su skirtingais dalelių dydžiais palyginimas
3.2 Suvirinimo ertmės ir spausdinto plieninio tinklelio storis
Po pakartotinio suvirinimo suvirinto sluoksnio ertmės plotas buvo išmatuotas naudojant 50 μm, 100 μm ir 125 μm storio spausdintą plieninį tinklelį, o kitos sąlygos nepakito. Nustatyta, kad skirtingo plieninio tinklelio (litavimo pastos) storio poveikis QFN buvo lyginamas su 75 μm storio spausdinto plieninio tinklelio poveikiu. Didėjant plieninio tinklelio storiui, ertmės plotas palaipsniui lėtai mažėja. Pasiekus tam tikrą storį (100 μm), ertmės plotas pradeda didėti didėjant plieninio tinklelio storiui, kaip parodyta 7 paveiksle.
Tai rodo, kad padidinus litavimo pastos kiekį, skystas alavas su grįžtamuoju šaldytuvu yra uždengiamas lustu, o likusio oro išleidimo anga susiaurėja tik iš keturių pusių. Keičiant litavimo pastos kiekį, likusio oro išleidimo anga taip pat padidėja, o momentinis oro, apgaubto skystu alavu arba lakiųjų dujų, išeinančių iš skysto alavo, pliūpsnis sukels skysto alavo taškymąsi aplink QFN ir lustą.
Bandymo metu nustatyta, kad didėjant plieno tinklelio storiui, padidės ir burbuliukų sprogimas dėl išsiveržiančio oro ar lakiųjų dujų, o atitinkamai padidės ir alavo taškymosi aplink QFN ir drožlę tikimybė.
Skirtingo storio plieninio tinklelio skylių palyginimas
3.3 Suvirinimo ertmės ir plieninio tinklelio angos ploto santykis
Buvo išbandytas spausdintas plieninis tinklelis, kurio atsidarymo greitis buvo 100 %, 90 % ir 80 %, o kitos sąlygos nepakito. Po pakartotinio suvirinimo buvo išmatuotas suvirinto sluoksnio ertmės plotas ir palygintas su spausdintu plieniniu tinkleliu, kurio atsidarymo greitis buvo 100 %. Nustatyta, kad esant 100 % ir 90 % bei 80 % atsidarymo greičiui, suvirinto sluoksnio ertmės plotas reikšmingo skirtumo nebuvo, kaip parodyta 8 paveiksle.
Skirtingų plieninių tinklelių angų plotų ertmių palyginimas
3.4 Suvirinta ertmė ir spausdinta plieninio tinklelio forma
Atliekant b juostelės ir c pasvirusio tinklelio litavimo pastos spausdinimo formos bandymą, kitos sąlygos išlieka nepakitusios. Po perlydymo išmatuojamas suvirinimo sluoksnio ertmės plotas ir palyginamas su a tinklelio spausdinimo forma. Nustatyta, kad tinklelio, juostelės ir pasvirusio tinklelio sąlygomis suvirinimo sluoksnio ertmės reikšmingo skirtumo nėra, kaip parodyta 9 paveiksle.
Skylių, esančių skirtinguose plieninio tinklo atidarymo režimuose, palyginimas
3.5 Suvirinimo ertmė ir grįžtamojo srauto laikas
Po ilgo grįžtamojo srauto laiko (70 s, 80 s, 90 s) bandymo, kitoms sąlygoms nepasikeitus, suvirinimo sluoksnio skylė buvo išmatuota po grįžtamojo srauto ir, palyginti su 60 s grįžtamojo srauto laiku, nustatyta, kad ilgėjant grįžtamojo srauto laikui, suvirinimo skylės plotas sumažėjo, tačiau sumažėjimo amplitudė palaipsniui mažėjo ilgėjant laikui, kaip parodyta 10 paveiksle. Tai rodo, kad esant nepakankamam grįžtamojo srauto laikui, grįžtamojo srauto laiko didinimas skatina visišką išlydyto skysto alavo apvynioto oro perpildymą, tačiau po to, kai grįžtamojo srauto laikas padidėja iki tam tikro laiko, skysto alavo apvyniotas oras vėl sunkiai perpildomas. Grįžtamojo srauto laikas yra vienas iš veiksnių, turinčių įtakos suvirinimo ertmei.
Skirtingų refliukso laiko ilgių palyginimas negalioja
3.6 Suvirinimo ertmė ir maksimali krosnies temperatūra
Atliekant 240 ℃ ir 250 ℃ maksimalios krosnies temperatūros bandymą ir nepakeitus kitų sąlygų, po pakartotinio suvirinimo buvo išmatuotas suvirinto sluoksnio ertmės plotas ir, palyginti su 260 ℃ maksimalios krosnies temperatūros sąlygomis, nustatyta, kad esant skirtingoms maksimalios krosnies temperatūros sąlygoms, suvirinto QFN ir drožlės sluoksnio ertmės plotas reikšmingai nepakito, kaip parodyta 11 paveiksle. Tai rodo, kad skirtinga maksimali krosnies temperatūra neturi akivaizdaus poveikio QFN ir drožlės suvirinimo sluoksnio skylei, ir tai nėra įtakojantis veiksnys.
Skirtingų piko temperatūrų palyginimas negalioja
Aukščiau pateikti bandymai rodo, kad reikšmingi veiksniai, darantys įtaką QFN ir drožlės suvirinimo sluoksnio ertmei, yra grįžtamojo srauto laikas ir plieno tinklelio storis.
4. Litavimo pastos spausdinimo reflow suvirinimo ertmės tobulinimas
4.1DOE bandymas suvirinimo ertmei pagerinti
Skylė QFN ir drožlės suvirinimo sluoksnyje buvo pagerinta nustatant optimalias pagrindinių įtakos veiksnių (grįžtamojo srauto laiko ir plieno tinklelio storio) vertes. Litavimo pasta buvo SAC305 4 tipo, plieno tinklelio forma – tinklelio tipo (100 % atsidarymo laipsnis), maksimali krosnies temperatūra buvo 260 ℃, o kitos bandymo sąlygos buvo tokios pačios kaip ir bandymo įrangos. DOE bandymas ir rezultatai pateikti 3 lentelėje. Plieno tinklelio storio ir grąžinimo laiko įtaka QFN ir drožlės suvirinimo angoms parodyta 12 paveiksle. Atlikus pagrindinių įtakos veiksnių sąveikos analizę, nustatyta, kad naudojant 100 μm storio plieno tinklelį ir 80 s grąžinimo laiką, galima žymiai sumažinti QFN ir drožlės suvirinimo ertmę. QFN suvirinimo ertmės greitis sumažėja nuo maksimalių 27,8 % iki 16,1 %, o drožlės suvirinimo ertmės greitis sumažėja nuo maksimalių 20,5 % iki 14,5 %.
Bandymo metu optimaliomis sąlygomis (100 μm plieno tinklelio storis, 80 s grįžtamojo srauto laikas) buvo pagaminta 1000 gaminių, o atsitiktinai išmatuotas 100 QFN ir drožlės suvirinimo ertmių susidarymo greitis. Vidutinis QFN suvirinimo ertmių susidarymo greitis buvo 16,4 %, o vidutinis drožlės suvirinimo ertmių susidarymo greitis – 14,7 %. Drožlės ir drožlės suvirinimo ertmių susidarymo greitis akivaizdžiai sumažėjo.
4.2 Naujasis procesas pagerina suvirinimo ertmę
Faktinė gamybos situacija ir bandymai rodo, kad kai suvirinimo ertmės plotas lusto apačioje yra mažesnis nei 10 %, lusto ertmės padėties įtrūkimų problema neatsiranda sujungiant ir formuojant šviną. Energetikos departamento optimizuoti proceso parametrai negali patenkinti įprastinio litavimo pastos suvirinimo metu susidarančių skylių analizės ir sprendimo reikalavimų, todėl lusto suvirinimo ertmės plotą reikia dar labiau sumažinti.
Kadangi ant lydmetalio padengtas lustas neleidžia lydmetalyje esančioms dujoms ištrūkti, skylių skaičius lustas apačioje dar labiau sumažėja pašalinant arba sumažinant lydmetaliu padengtų dujų kiekį. Pasirinktas naujas pakartotinio suvirinimo procesas su dviem litavimo pastos spausdinimo būdais: vienas litavimo pastos spausdinimas, kitas pakartotinis suvirinimas, nedengiantis QFN, ir plikas lustas, išleidžiantis dujas lydmetalyje; Specifinis antrinio litavimo pastos spausdinimo, lopo ir antrinio grįžtamojo srauto procesas parodytas 13 paveiksle.
Pirmą kartą spausdinant 75 μm storio litavimo pastą, didžioji dalis lydmetalyje esančių dujų be mikroschemos dangos išeina iš paviršiaus, o po refliukso storis yra apie 50 μm. Pasibaigus pirminiam refliuksui, ant atvėsusio sukietėjusio lydmetalio paviršiaus atspausdinami maži kvadratėliai (siekiant sumažinti litavimo pastos kiekį, sumažinti dujų išsiliejimą, sumažinti arba pašalinti litavimo taškymą), o litavimo pasta yra 50 μm storio (aukščiau pateikti bandymų rezultatai rodo, kad geriausias yra 100 μm, todėl antrinio spausdinimo storis yra 100 μm. 50 μm = 50 μm), tada įdiegiama mikroschema ir po 80 s grįžtama. Po pirmojo spausdinimo ir perlydymo lydmetalyje beveik nėra skylės, o antrojo spausdinimo litavimo pasta yra maža, o suvirinimo skylė yra maža, kaip parodyta 14 paveiksle.
Po dviejų litavimo pastos spausdinimų, tuščiaviduris piešinys
4.3 Suvirinimo ertmės efekto patikrinimas
Pagaminus 2000 gaminių (pirmojo spausdinimo plieno tinklelio storis – 75 μm, antrojo – 50 μm), kitoms sąlygoms nepasikeitus, atsitiktinai išmatavus 500 QFN ir drožlės suvirinimo ertmių susidarymo greitį, nustatyta, kad po pirmojo grįžtamojo srauto ertmių susidarymo naujas procesas nesukėlė, o po antrojo grįžtamojo srauto QFN didžiausias suvirinimo ertmių susidarymo greitis yra 4,8 %, o didžiausias drožlės suvirinimo ertmių susidarymo greitis – 4,1 %. Palyginti su originaliu vienos pastos spausdinimo suvirinimo procesu ir DOE optimizuotu procesu, suvirinimo ertmė žymiai sumažėja, kaip parodyta 15 paveiksle. Atlikus visų gaminių funkcinius bandymus, drožlės įtrūkimų nerasta.
5 Santrauka
Optimizavus litavimo pastos spausdinimo kiekį ir grįžtamojo virimo laiką, galima sumažinti suvirinimo ertmės plotą, tačiau suvirinimo ertmės greitis vis tiek išlieka didelis. Naudojant du litavimo pastos spausdinimo pakartotinio suvirinimo metodus, galima efektyviai padidinti suvirinimo ertmės greitį. QFN grandinės plikos mikroschemos suvirinimo plotas masinėje gamyboje gali būti atitinkamai 4,4 mm x 4,1 mm ir 3,0 mm x 2,3 mm. Pakartotinio suvirinimo ertmės greitis yra kontroliuojamas žemiau 5 %, o tai pagerina pakartotinio suvirinimo kokybę ir patikimumą. Šiame straipsnyje pateikti tyrimai suteikia svarbią informaciją, kaip išspręsti didelio ploto suvirinimo paviršiaus suvirinimo ertmės problemą.
