SMT використовує аналіз та рішення для порожнини для зварювання повітряним оплавленням звичайної паяльної пасти (видання Essence 2023 року), ви цього заслуговуєте!
1 Вступ
Під час складання друкованої плати паяльна паста спочатку друкується на паяльну площадку друкованої плати, а потім кріпляться різні електронні компоненти. Нарешті, після печі оплавлення, олов'яні кульки в паяльній пасті плавляться, і всілякі електронні компоненти та паяльна площадка друкованої плати зварюються разом для здійснення складання електричних субмодулів. Технологія поверхневого монтажу (SMT) все частіше використовується в продуктах високої щільності упаковки, таких як системні корпуси (SIP), пристрої з кульковою сіткою (BGA) та пристрої з безконтактним квадратним корпусом (QFN) та безконтактним квадратним плоским безконтактним корпусом (Quad AATNo-Lead).
Через особливості процесу зварювання паяльною пастою та матеріалів, після зварювання оплавленням цих пристроїв з великою поверхнею припою, у зоні зварювання паянням залишаються отвори, які впливають на електричні, теплові та механічні властивості виробу, а також призводять до його поломки. Тому покращення порожнини для зварювання оплавленням паяльної пасти стало технологічною та технічною проблемою, яку необхідно вирішити. Деякі дослідники проаналізували та вивчили причини виникнення порожнини для зварювання кульок паяльного BGA та запропонували рішення для покращення. Звичайні рішення для зварювання оплавленням паяльної пасти з площею зварювання QFN більше 10 мм2 або площею зварювання більше 6 мм2 для голого чіпа відсутні.
Використовуйте зварювання преформ-припоєм та зварювання у вакуумній рефлюксній печі для покращення зварного отвору. Префабрикований припій вимагає спеціального обладнання для заточування флюсу. Наприклад, чіп зміщується та значно нахиляється після того, як чіп розміщено безпосередньо на префабрикованому припої. Якщо чіп для кріплення флюсу спочатку оплавляється, а потім заточується, процес збільшується вдвічі, а вартість префабрикованого припою та флюсового матеріалу значно вища, ніж паяльної пасти.
Вакуумне рефлюксне обладнання дорожче, вакуумна здатність незалежної вакуумної камери дуже низька, економічна ефективність невисока, а проблема розбризкування олова є серйозною, що є важливим фактором при застосуванні виробів високої щільності та малого кроку. У цій статті, на основі традиційного процесу зварювання оплавленням паяльною пастою, розроблено та впроваджено новий процес вторинного зварювання оплавленням для покращення зварювальної порожнини та вирішення проблем склеювання та розтріскування пластикових ущільнень, спричинених зварювальною порожниною.
2. Паяльна паста, друк, оплавлення, зварювальна порожнина та механізм виробництва
2.1 Зварювальна порожнина
Після зварювання оплавленням виріб було протестовано під рентгенівським контролем. Було виявлено, що отвори в зоні зварювання зі світлішим кольором утворилися через недостатню кількість припою в шарі зварювання, як показано на рисунку 1.
Рентгенівське виявлення отвору в бульбашці
2.2 Механізм формування зварювальної порожнини
Взявши за приклад паяльну пасту sAC305, її основний склад та функції наведено в таблиці 1. Флюс та олов'яні кульки з'єднані разом у формі пасти. Співвідношення ваги олов'яного припою до флюсу становить приблизно 9:1, а об'ємного – приблизно 1:1.
Після того, як паяльна паста нанесена на друк та змонтована з різними електронними компонентами, вона проходить чотири етапи попереднього нагрівання, активації, рефлюксу та охолодження, проходячи через рефлюксну піч. Стан паяльної пасти також відрізняється залежно від температури на різних етапах, як показано на рисунку 2.
Довідка профілю для кожної області паяння оплавленням
На стадії попереднього нагрівання та активації леткі компоненти флюсу в паяльній пасті при нагріванні випаровуються в газ. Водночас, при видаленні оксиду з поверхні зварювального шару утворюються гази. Деякі з цих газів випаровуються та залишають паяльну пасту, а припійні кульки щільно конденсуються через випаровування флюсу. На стадії рефлюксу залишки флюсу в паяльній пасті швидко випаровуються, олов'яні кульки розплавляються, невелика кількість леткого газу флюсу та більша частина повітря між олов'яними кульками не розсіюються вчасно, а залишки в розплавленому олові та під тиском розплавленого олова мають структуру гамбургер-сендвіча та захоплюються паяльною площадкою друкованої плати та електронними компонентами, а газ, загорнутий у рідке олово, важко вивільняється лише завдяки висхідній плавучості. Час плавлення верхньої частини дуже короткий. Коли розплавлене олово охолоджується та стає твердим, у зварювальному шарі з'являються пори та утворюються отвори для припою, як показано на рисунку 3.
Принципова діаграма порожнин, що утворюються внаслідок зварювання оплавленням паяльної пасти
Основною причиною утворення порожнини зварювання є те, що повітря або леткий газ, що міститься в паяльній пасті після плавлення, не повністю виводиться. На це впливають такі фактори, як матеріал паяльної пасти, форма нанесення пасти, кількість нанесення пасти, температура зворотного потоку, час зворотного потоку, розмір зварювання, структура тощо.
3. Перевірка факторів впливу друку паяльною пастою для зварювання оплавленням отворів
Випробування QFN та голих чіпів були використані для підтвердження основних причин появи пустот, отриманих при паянні оплавленням, та для пошуку шляхів покращення якості пустот, отриманих при паянні оплавленням. Профіль продукту для паяння оплавленням QFN та голих чіпів показано на рисунку 4. Розмір поверхні зварювання QFN становить 4,4 мм x 4,1 мм, поверхня зварювання - це луджений шар (100% чисте олово); розмір зварювання голих чіпів становить 3,0 мм x 2,3 мм, зварювальний шар - це напилений нікель-ванадієвий біметалічний шар, а поверхневий шар - ванадій. Зварювальна площадка підкладки була нанесена методом химічного золочення нікель-паладієвим способом, а товщина становила 0,4 мкм/0,06 мкм/0,04 мкм. Використана паяльна паста SAC305, обладнання для друку паяльної пасти - DEK Horizon APix, обладнання для рефлюксної печі - BTUPyramax150N, а рентгенівське обладнання - DAGExD7500VR.
Креслення зварювання QFN та голої стружки
Для полегшення порівняння результатів випробувань було виконано зварювання пакуванням за умов, наведених у таблиці 2.
Таблиця умов паяння
Після завершення поверхневого монтажу та пакування, шар зварювання був виявлений за допомогою рентгенівського дослідження, і було виявлено, що в шарі зварювання внизу QFN та оголеній стружці є великі отвори, як показано на рисунку 5.
QFN та чіп-голограма (рентгенівський випромінювання)
Оскільки розмір олов'яних кульок, товщина сталевої сітки, швидкість розкриття, форма сталевої сітки, час кипіння та пікова температура печі впливатимуть на порожнини, отримані при паянні, існує багато факторів впливу, які будуть безпосередньо перевірені за допомогою тесту DOE, а кількість експериментальних груп буде занадто великою. Необхідно швидко провести скринінг та визначити основні фактори впливу за допомогою кореляційно-порівняльного тесту, а потім додатково оптимізувати основні фактори впливу за допомогою DOE.
3.1 Розміри отворів для паяння та олов'яних намистин з паяльної пасти
При випробуванні паяльної пасти SAC305 типу 3 (розмір гранул 25-45 мкм) інші умови залишаються незмінними. Після оплавлення отвори в шарі припою вимірюються та порівнюються з паяльною пастою типу 4. Виявлено, що отвори в шарі припою суттєво не відрізняються між двома видами паяльної пасти, що вказує на те, що паяльна паста з різним розміром гранул не має очевидного впливу на отвори в шарі припою, що не є фактором впливу, як показано на рис. 6.
Порівняння отворів металевого олов'яного порошку з різними розмірами частинок
3.2 Товщина зварювальної порожнини та друкованої сталевої сітки
Після оплавлення площу порожнини зварного шару вимірювали за допомогою друкованої сталевої сітки товщиною 50 мкм, 100 мкм та 125 мкм, а інші умови залишалися незмінними. Було виявлено, що вплив різної товщини сталевої сітки (паяльної пасти) на QFN порівнювали з впливом друкованої сталевої сітки товщиною 75 мкм. Зі збільшенням товщини сталевої сітки площа порожнини поступово зменшується. Після досягнення певної товщини (100 мкм) площа порожнини змінює напрямок і починає збільшуватися зі збільшенням товщини сталевої сітки, як показано на рисунку 7.
Це показує, що зі збільшенням кількості паяльної пасти рідке олово зі зворотним потоком покривається чіпом, а вихідний отвір для виходу залишкового повітря звужується лише з чотирьох боків. Коли кількість паяльної пасти змінюється, вихідний отвір для виходу залишкового повітря також збільшується, і миттєвий викид повітря, загорнутого в рідке олово, або леткого газу, що виходить з рідкого олова, призведе до розбризкування рідкого олова навколо QFN та чіпа.
Випробування показало, що зі збільшенням товщини сталевої сітки збільшується і ймовірність розриву бульбашок, спричиненого виходом повітря або леткого газу, а також відповідно зростає ймовірність розбризкування олова навколо QFN та стружки.
Порівняння отворів у сталевій сітці різної товщини
3.3 Співвідношення площ зварювальної порожнини та отвору сталевої сітки
Було випробувано друковану сталеву сітку зі ступенем розкриття 100%, 90% та 80%, за інших умов, які залишалися незмінними. Після пакування площу порожнини зварного шару було виміряно та порівняно з друкованою сталевою сіткою зі ступенем розкриття 100%. Було виявлено, що не було суттєвої різниці в порожнині зварного шару за умов ступеню розкриття 100% та 90%-80%, як показано на рисунку 8.
Порівняння порожнин різної площі отвору різних сталевих сіток
3.4 Зварена порожнина та друкована сталева сітка
Під час випробування форми друку паяльної пасти смужки b та похилої сітки c інші умови залишаються незмінними. Після оплавлення вимірюється площа порожнини зварювального шару та порівнюється з формою друку сітки a. Виявлено, що немає суттєвої різниці в порожнині зварювального шару за умов сітки, смужки та похилої сітки, як показано на рисунку 9.
Порівняння отворів у різних режимах розкриття сталевої сітки
3.5 Зварювальна порожнина та час рефлюксу
Після тривалого часу рефлюксу (70 с, 80 с, 90 с) за інших умов, після рефлюксу вимірювали отвір у зварювальному шарі та порівнювали з часом рефлюксу 60 с. Було виявлено, що зі збільшенням часу рефлюксу площа зварювального отвору зменшується, але амплітуда зменшення поступово зменшується зі збільшенням часу, як показано на рисунку 10. Це показує, що у випадку недостатнього часу рефлюксу збільшення часу рефлюксу сприяє повному переливу повітря, обгорнутого розплавленим рідким оловом, але після збільшення часу рефлюксу до певного часу повітря, обгорнуте рідким оловом, важко знову перелитися. Час рефлюксу є одним із факторів, що впливають на зварювальну порожнину.
Недійсне порівняння різної тривалості часу рефлюксу
3.6 Зварювальна порожнина та пікова температура печі
При випробуванні пікової температури печі 240 ℃ та 250 ℃ та інших незмінних умовах, площа порожнини зварного шару була виміряна після пакування, і порівняно з піковою температурою печі 260 ℃, було виявлено, що за різних умов пікової температури печі порожнина зварного шару QFN та стружки суттєво не змінилася, як показано на рисунку 11. Це показує, що різна пікова температура печі не має очевидного впливу на QFN та отвір у зварному шарі стружки, що не є фактором впливу.
Недійсне порівняння різних пікових температур
Вищезазначені випробування показують, що суттєвими факторами, що впливають на порожнину зварного шару QFN та стружку, є час рефлюксу та товщина сталевої сітки.
4. Покращення порожнини для зварювання оплавленням та друкуванням паяльної пасти
4.1 Випробування DOE для покращення зварювальної порожнини
Отвір у зварювальному шарі QFN та стружки було покращено шляхом знаходження оптимального значення основних факторів впливу (час рефлюксу та товщина сталевої сітки). Паяльна паста була SAC305 типу4, форма сталевої сітки була сітчастою (100% ступінь відкриття), пікова температура печі становила 260 ℃, а інші умови випробування були такими ж, як і на випробувальному обладнанні. Випробування DOE та результати наведено в таблиці 3. Вплив товщини сталевої сітки та часу рефлюксу на зварні отвори QFN та стружки показано на рисунку 12. Завдяки аналізу взаємодії основних факторів впливу було виявлено, що використання товщини сталевої сітки 100 мкм та часу рефлюксу 80 с може значно зменшити зварювальну порожнину QFN та стружки. Коефіцієнт зварювальних порожнин QFN зменшується з максимальних 27,8% до 16,1%, а коефіцієнт зварювальних порожнин стружки зменшується з максимальних 20,5% до 14,5%.
У випробуванні було виготовлено 1000 виробів за оптимальних умов (товщина сталевої сітки 100 мкм, час рефлюксу 80 с), а випадковим чином вимірювався коефіцієнт зварювальних порожнин 100 QFN та стружки. Середній коефіцієнт зварювальних порожнин QFN становив 16,4%, а середній коефіцієнт зварювальних порожнин для стружки – 14,7%. Коефіцієнт зварювальних порожнин для стружки та стружки помітно зменшився.
4.2 Новий процес покращує зварювальну порожнину
Фактична виробнича ситуація та випробування показують, що коли площа зварювальної порожнини в нижній частині мікросхеми становить менше 10%, проблема розтріскування порожнини мікросхеми не виникатиме під час з'єднання виводів та формування. Параметри процесу, оптимізовані Міністерством енергетики США, не можуть задовольнити вимоги аналізу та вирішення проблеми отворів у звичайному зварюванні оплавленням паяльної пасти, тому площу зварювальної порожнини мікросхеми необхідно додатково зменшити.
Оскільки чіп, покритий припоєм, запобігає витоку газу з припою, кількість отворів у нижній частині чіпа ще більше знижується шляхом усунення або зменшення кількості газу, покритого припоєм. Застосовано новий процес оплавлення з двома типами друку паяльної пасти: один друк паяльної пасти, один оплавлення без покриття QFN та голий чіп, що випускає газ у припій; Конкретний процес вторинного друку паяльної пасти, нанесення латки та вторинного рефлюксу показано на рисунку 13.
Під час першого друку паяльною пастою товщиною 75 мкм більша частина газу в припої без покриття чіпа виходить з поверхні, а товщина після рефлюксу становить близько 50 мкм. Після завершення первинного рефлюксу на поверхні охолодженого затверділого припою друкуються невеликі квадратики (щоб зменшити кількість паяльної пасти, зменшити кількість розливу газу, зменшити або усунути розбризкування припою), а товщина паяльної пасти становить 50 мкм (наведені вище результати випробувань показують, що 100 мкм є найкращим значенням, тому товщина вторинного друку становить 100 мкм. 50 мкм = 50 мкм), потім встановлюється чіп, а потім повертається через 80 секунд. Після першого друку та оплавлення в припої майже немає отворів, а паяльна паста під час другого друку невелика, а отвір для зварювання невеликий, як показано на рисунку 14.
Після двох нанесень паяльної пасти, порожнистий малюнок
4.3 Перевірка впливу зварювальної порожнини
Виробництво 2000 виробів (товщина першої друкованої сталевої сітки 75 мкм, товщина другої друкованої сталевої сітки 50 мкм), інші умови незмінні, випадкове вимірювання 500 QFN та швидкості зварювання стружки показало, що в новому процесі після першого зворотного потоку порожнини немає, після другого зворотного потоку QFN максимальна швидкість зварювання порожнини становить 4,8%, а максимальна швидкість зварювання порожнини стружки - 4,1%. Порівняно з оригінальним процесом зварювання з використанням однієї пасти та оптимізованим процесом DOE, зварювальна порожнина значно зменшена, як показано на рисунку 15. Після функціональних випробувань усіх виробів тріщин від стружки виявлено не було.
5. Підсумок
Оптимізація кількості нанесення паяльної пасти та часу рефлюксу може зменшити площу зварювальної порожнини, але частота зварювання все ще залишається великою. Використання двох методів друку паяльної пасти та зварювання оплавленням може ефективно та максимізувати частоту зварювання. Площа зварювання голого чіпа QFN-схеми може становити 4,4 мм x 4,1 мм та 3,0 мм x 2,3 мм відповідно при масовому виробництві. Частота зварювання оплавленням контролюється нижче 5%, що покращує якість та надійність зварювання оплавленням. Дослідження, проведене в цій статті, є важливим орієнтиром для покращення проблеми зварювальних порожнин великої площі зварювальної поверхні.
