Az SMT hagyományos forrasztópasztával, levegős reflow hegesztéssel végzi az üregvizsgálatot és -megoldást (2023 Essence Edition), megérdemled!
1 Bevezetés
Az áramköri lap összeszerelése során először forrasztópasztát nyomtatnak az áramköri lap forrasztófelületére, majd rögzítik a különféle elektronikus alkatrészeket. Végül, az újraömlesztő kemence után a forrasztópasztában lévő óngyöngyöket megolvasztják, és mindenféle elektronikus alkatrészt és az áramköri lap forrasztófelületét összehegesztenek, hogy megvalósítsák az elektromos almodulok összeszerelését. A felületszerelési technológiát (sMT) egyre inkább alkalmazzák nagy sűrűségű tokozási termékekben, például rendszer szintű tokozásban (siP), gömbrácsos (BGA) eszközökben és Power Bare Chip, négyzet alakú, lapos, tű nélküli tokozású (quad aatNo-lead, QFN) eszközökben.
A forrasztópaszta hegesztési eljárásának és anyagainak sajátosságai miatt ezeknél a nagy forrasztófelületű eszközöknél az újraömlesztéses hegesztés után lyukak keletkeznek a forrasztási területen, ami befolyásolja a termék elektromos, hő- és mechanikai tulajdonságait, teljesítményét, sőt akár a termék meghibásodásához is vezethet. Ezért a forrasztópaszta újraömlesztéses hegesztési üregének javítása olyan folyamattá és technikai problémává vált, amelyet meg kell oldani. Egyes kutatók elemezték és tanulmányozták a BGA forrasztógömb hegesztési üregének okait, és javító megoldásokat kínáltak. A hagyományos forrasztópaszta újraömlesztéses hegesztési eljárásban a 10 mm2-nél nagyobb QFN hegesztési terület vagy a 6 mm2-nél nagyobb hegesztési terület csupasz chip megoldása hiányzik.
Előforrasztó hegesztés és vákuumos reflux kemencés hegesztés javasolt a hegesztési furat javítására. Az előregyártott forrasztáshoz speciális berendezés szükséges a fluxus pontszerű felviteléhez. Például a chipet eltolják és jelentősen megdöntik, miután közvetlenül az előregyártott forrasztóanyagra helyezik. Ha a fluxusra szerelt chipet újraolvasztják, majd pontszerűsítik, a folyamat kétszeres újraolvasztásos folyamatot eredményez, és az előregyártott forrasztóanyag és a fluxusanyag költsége sokkal magasabb, mint a forrasztópaszta költsége.
A vákuumos refluxberendezések drágábbak, a független vákuumkamra vákuumkapacitása nagyon alacsony, a költséghatékonyság nem magas, és az ónfröccsenés problémája komoly, ami fontos tényező a nagy sűrűségű és kis osztású termékek alkalmazásában. Ebben a cikkben a hagyományos forrasztópaszta reflow hegesztési eljáráson alapulva egy új másodlagos reflow hegesztési eljárást fejlesztünk ki és mutatunk be a hegesztési üreg javítására, valamint a hegesztési üreg által okozott kötési és műanyag tömítés repedési problémák megoldására.
2 Forrasztópaszta nyomtatás reflow hegesztőüreg és gyártási mechanizmus
2.1 Hegesztési üreg
A reflow hegesztés után a terméket röntgennel vizsgálták. A hegesztési zónában lévő világosabb színű lyukak a hegesztési rétegben lévő nem elegendő forrasztóanyag-tartalomnak köszönhetők, amint az az 1. ábrán is látható.
A buboréklyuk röntgendiffrakciós detektálása
2.2 Hegesztési üreg kialakulásának mechanizmusa
Az sAC305 forrasztópaszta példáján alapulva, a fő összetételt és funkciót az 1. táblázat mutatja. A fluxus és az óngyöngyök paszta formájában vannak egymáshoz kötve. Az ónforraszanyag és a fluxus tömegaránya körülbelül 9:1, a térfogatarány pedig körülbelül 1:1.
Miután a forrasztópasztát kinyomtatták és különféle elektronikus alkatrészekre ragasztották, a forrasztópaszta négy szakaszon megy keresztül, amikor áthalad a reflux kemencén: előmelegítés, aktiválás, reflux és hűtés. A forrasztópaszta halmazállapota a különböző szakaszokban a hőmérséklet függvényében is eltérő, ahogy az a 2. ábrán látható.
Profilreferencia az újraforrasztás minden egyes területéhez
Az előmelegítés és aktiválás szakaszában a forrasztópasztában lévő fluxus illékony komponensei melegítés hatására gázzá alakulnak. Ugyanakkor gázok keletkeznek, amikor a hegesztőréteg felületén lévő oxidot eltávolítják. Ezen gázok egy része elpárolog és elhagyja a forrasztópasztát, a forrasztógyöngyök pedig a fluxus elpárolgása miatt szorosan összetömörödnek. A reflux szakaszban a forrasztópasztában maradt fluxus gyorsan elpárolog, az óngyöngyök megolvadnak, kis mennyiségű fluxus illékony gáz és az óngyöngyök közötti levegő nagy része nem oszlik el időben, és az olvadt ónban és az olvadt ón feszültsége alatt maradt maradék szendvicsszerkezetet képez, amelyet az áramköri lap forrasztófelülete és az elektronikus alkatrészek fognak fel, és a folyékony ónba burkolt gázt csak a felfelé irányuló felhajtóerő nehezen tudja eltávolítani. A felső olvadási idő nagyon rövid. Amikor az olvadt ón lehűl és szilárd ónná válik, pórusok jelennek meg a hegesztőrétegben, és forrasztási lyukak alakulnak ki, amint az a 3. ábrán látható.
A forrasztópaszta újraömlesztéses hegesztéssel létrehozott üreg vázlatos rajza
A hegesztési üreg kialakulásának kiváltó oka az, hogy a forrasztópasztába zárt levegő vagy illékony gáz az olvadás után nem távozik teljesen. A befolyásoló tényezők közé tartozik a forrasztópaszta anyaga, a forrasztópaszta nyomtatási alakja, a forrasztópaszta nyomtatási mennyisége, a reflux hőmérséklete, a reflux ideje, a hegesztési méret és a szerkezet.
3. A forrasztópaszta nyomtatású reflow hegesztési furatok befolyásoló tényezőinek ellenőrzése
QFN és csupasz chip teszteket alkalmaztak a reflow hegesztési üregek fő okainak megerősítésére, valamint a forrasztópaszta által nyomtatott reflow hegesztési üregek javítására szolgáló módszerek megtalálására. A QFN és a csupasz chip forrasztópaszta reflow hegesztési termékprofilját a 4. ábra mutatja. A QFN hegesztési felület mérete 4,4 mm x 4,1 mm, a hegesztési felület ónozott réteg (100% tiszta ón); A csupasz chip hegesztési mérete 3,0 mm x 2,3 mm, a hegesztőréteg porlasztott nikkel-vanádium bimetál réteg, a felületi réteg pedig vanádium. Az aljzat hegesztőpárnája galvanikus nikkel-palládium aranyozású volt, vastagsága 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. SAC305 forrasztópasztát használtak, a forrasztópaszta nyomtató berendezés DEK Horizon APix, a reflux kemence BTUPyramax150N, a röntgenberendezés pedig DAGExD7500VR.
QFN és csupasz forgácsú hegesztési rajzok
A teszteredmények összehasonlításának megkönnyítése érdekében az újraömlesztéses hegesztést a 2. táblázatban szereplő feltételek mellett végezték.
Reflow hegesztési feltételek táblázata
A felületszerelés és az újraömlesztéses hegesztés befejezése után a hegesztőréteget röntgennel detektálták, és azt találták, hogy nagy lyukak vannak a hegesztőrétegben a QFN alján és a csupasz chipnél, ahogy az az 5. ábrán látható.
QFN és Chip hologram (röntgen)
Mivel az óngyöngy mérete, az acélháló vastagsága, a nyílásfelület sebessége, az acélháló alakja, a refluxidő és a kemence csúcshőmérséklete mind befolyásolja az újraömlesztéses hegesztési üregeket, számos befolyásoló tényező van, amelyeket a DOE-vizsgálat közvetlenül ellenőriz, és a kísérleti csoportok száma túl nagy lesz. Szükséges a fő befolyásoló tényezők gyors szűrése és meghatározása korrelációs összehasonlító vizsgálattal, majd a fő befolyásoló tényezők további optimalizálása a DOE-vizsgálat segítségével.
3.1 A forrasztófuratok és a forrasztópaszta óngyöngyök méretei
A 3-as típusú (gyöngyméret 25-45 μm) SAC305 forrasztópaszta teszttel egyéb feltételek változatlanok maradtak. Az újraömlesztés után a forrasztórétegben lévő lyukakat megmérték és összehasonlították a 4-es típusú forrasztópasztával. Megállapították, hogy a forrasztórétegben lévő lyukak nem különböznek szignifikánsan a kétféle forrasztópaszta között, ami azt jelzi, hogy a különböző gyöngymérettel rendelkező forrasztópasztáknak nincs nyilvánvaló hatása a forrasztórétegben lévő lyukakra, ami nem befolyásoló tényező, amint az a 6. ábrán látható.
Különböző részecskeméretű fémes ónpor lyukak összehasonlítása
3.2 Hegesztési üreg és nyomtatott acélháló vastagsága
Újraolvasztás után a hegesztett réteg üregfelületét 50 μm, 100 μm és 125 μm vastagságú nyomtatott acélhálóval mérték, és egyéb feltételek változatlanok maradtak. Megállapították, hogy a különböző vastagságú acélháló (forrasztópaszta) QFN-re gyakorolt hatását összehasonlították a 75 μm vastagságú nyomtatott acélhálóéval. Az acélháló vastagságának növekedésével az üregfelület fokozatosan lassan csökken. Egy bizonyos vastagság (100 μm) elérése után az üregfelület megfordul, és az acélháló vastagságának növekedésével növekedni kezd, ahogy a 7. ábra mutatja.
Ez azt mutatja, hogy a forrasztópaszta mennyiségének növelésekor a refluxáló folyékony ónt a chip elfedi, és a maradék levegő kilépése csak négy oldalon szűkül. A forrasztópaszta mennyiségének változásakor a maradék levegő kilépése is megnő, és a folyékony ónba tekeredő levegő vagy a folyékony ónból kiáramló illékony gáz azonnali kitörése folyékony ón fröccsenését okozza a QFN és a chip körül.
A teszt megállapította, hogy az acélháló vastagságának növekedésével a levegő vagy illékony gáz kiáramlása által okozott buborékrepedés is megnő, és ennek megfelelően nő az ón QFN és a forgács körüli fröccsenésének valószínűsége is.
Különböző vastagságú acélháló furatainak összehasonlítása
3.3 A hegesztési üreg és az acélháló nyílásának területaránya
A nyomtatott acélhálót 100%-os, 90%-os és 80%-os nyitási aránnyal tesztelték, és egyéb feltételek változatlanok maradtak. Az újraömlesztés után megmérték a hegesztett réteg üregterületét, és összehasonlították a 100%-os nyitási aránnyal rendelkező nyomtatott acélhálóval. Megállapították, hogy a hegesztett réteg üregterületében nem volt szignifikáns különbség a 100%-os és a 90% 80%-os nyitási aránnyal végzett vizsgálatok során, amint az a 8. ábrán látható.
Különböző acélhálók különböző nyílásfelületeinek üregösszehasonlítása
3.4 Hegesztett üreg és nyomtatott acélháló alakja
A „b” szalag és a „c” ferde rács forrasztópasztájának nyomtatási alakvizsgálata során egyéb feltételek változatlanok maradtak. Az újraömlesztés után megmérik a hegesztőréteg üregfelületét, és összehasonlítják az „a” rács nyomtatási alakjával. Megállapították, hogy a hegesztőréteg üregfelületében nincs szignifikáns különbség a rács, a szalag és a ferde rács feltételei között, amint az a 9. ábrán látható.
Acélháló különböző nyitási módjainak lyukainak összehasonlítása
3.5 Hegesztési üreg és visszafolyási idő
Hosszabbított refluxidő (70 s, 80 s, 90 s) teszt után, miután más körülmények változatlanok maradtak, a hegesztési rétegben lévő lyukat a reflux után megmértük, és a 60 s-os refluxidővel összehasonlítva azt tapasztaltuk, hogy a refluxidő növekedésével a hegesztési lyuk területe csökkent, de a csökkenés amplitúdója fokozatosan csökkent az idő növekedésével, amint az a 10. ábrán látható. Ez azt mutatja, hogy elégtelen refluxidő esetén a refluxidő növelése elősegíti az olvadt folyékony ónba tekercselt levegő teljes túlcsordulását, de miután a refluxidő egy bizonyos időre megnőtt, a folyékony ónba tekercselt levegő nehezen tud újra túlcsordulni. A refluxidő az egyik tényező, amely befolyásolja a hegesztési üreget.
Különböző refluxidő-hosszak érvénytelen összehasonlítása
3.6 Hegesztőüreg és a kemence csúcshőmérséklete
240 ℃-os és 250 ℃-os kemence csúcshőmérsékleti vizsgálat és egyéb változatlan körülmények között a hegesztett réteg üregfelületét újraömlesztés után megmértük, és összehasonlítottuk a 260 ℃-os kemence csúcshőmérsékletével. Azt tapasztaltuk, hogy különböző kemence csúcshőmérsékleti körülmények között a QFN és a forgács hegesztett rétegének üregfelülete nem változott szignifikánsan, amint az a 11. ábrán is látható. Ez azt mutatja, hogy a különböző kemence csúcshőmérsékleteknek nincs nyilvánvaló hatása a QFN-re és a forgács hegesztési rétegében lévő lyukra, ami nem befolyásoló tényező.
Különböző csúcshőmérsékletek semmis összehasonlítása
A fenti vizsgálatok azt mutatják, hogy a QFN és a forgács hegesztési rétegének üregét befolyásoló jelentős tényezők a refluxidő és az acélháló vastagsága.
4 Forrasztópaszta nyomtatás reflow hegesztési üreg javítása
4.1DOE teszt a hegesztési üreg javítására
A QFN és a chip hegesztési rétegében lévő furatot a fő befolyásoló tényezők (refluxidő és acélháló vastagsága) optimális értékének megtalálásával javították. A forrasztópaszta SAC305 type4 volt, az acélháló alakja rácsos típusú volt (100%-os nyitási fok), a kemence csúcshőmérséklete 260 ℃ volt, és az egyéb vizsgálati feltételek megegyeztek a vizsgált berendezésével. A DOE tesztet és az eredményeket a 3. táblázat mutatja. Az acélháló vastagságának és a refluxidőnek a QFN és a chip hegesztési furataira gyakorolt hatását a 12. ábra mutatja. A fő befolyásoló tényezők kölcsönhatási elemzésével megállapították, hogy 100 μm acélháló vastagság és 80 másodperces refluxidő használata jelentősen csökkentheti a QFN és a chip hegesztési üregét. A QFN hegesztési üregképződési aránya a maximális 27,8%-ról 16,1%-ra, a chip hegesztési üregképződési aránya pedig a maximális 20,5%-ról 14,5%-ra csökkent.
A teszt során 1000 terméket állítottak elő optimális körülmények között (100 μm acélháló vastagság, 80 s refluxidő), és véletlenszerűen mérték a 100 QFN és a forgács hegesztési üregképződési sebességét. A QFN átlagos hegesztési üregképződési sebessége 16,4%, a forgács átlagos hegesztési üregképződési sebessége pedig 14,7% volt. A forgács és a forgács hegesztési üregképződési sebessége egyértelműen csökkent.
4.2 Az új eljárás javítja a hegesztési üreget
A tényleges gyártási helyzet és a tesztek azt mutatják, hogy ha a chip alján lévő hegesztési üreg területe kevesebb, mint 10%, akkor a chip üreg pozíciójának repedési problémája nem jelentkezik az ólomkötés és öntés során. Az Energiaügyi Minisztérium (DOE) által optimalizált folyamatparaméterek nem tudják kielégíteni a hagyományos forrasztópaszta reflow hegesztés során keletkező lyukak elemzésének és megoldásának követelményeit, és a chip hegesztési üreg területét tovább kell csökkenteni.
Mivel a forrasztópaszta felületén lévő chip megakadályozza a forrasztópaszta gázának kijutását, a chip alján lévő lyukképződési sebesség tovább csökken a forrasztópaszta felületén lévő gáz kiküszöbölésével vagy csökkentésével. Egy új, két forrasztópaszta-nyomással történő reflow hegesztési eljárást alkalmaznak: egy forrasztópaszta-nyomást, egy QFN-t nem takaró reflow-t és egy csupasz chipet, amely a forrasztópaszta gázát kivezeti; A másodlagos forrasztópaszta-nyomás, a folt és a másodlagos reflux specifikus folyamatát a 13. ábra mutatja.
Amikor a 75 μm vastag forrasztópasztát először nyomtatják, a forrasztópaszta chipbevonat nélküli állapotában lévő gáz nagy része eltávozik a felületről, és a reflux utáni vastagság körülbelül 50 μm. Az elsődleges reflux befejeződése után kis négyzeteket nyomtatnak a lehűlt, megszilárdult forrasztópaszta felületére (a forrasztópaszta mennyiségének csökkentése, a gázkiömlés csökkentése, a forrasztási fröccsenés csökkentése vagy megszüntetése érdekében), és 50 μm vastagságú forrasztópasztát visznek fel (a fenti teszteredmények azt mutatják, hogy a 100 μm a legjobb, így a másodlagos nyomtatás vastagsága 100 μm.50 μm = 50 μm), majd behelyezik a chipet, és 80 másodpercen keresztül visszatérnek. Az első nyomtatás és újraömlesztés után szinte nincs lyuk a forrasztópasztában, a második nyomtatásban a forrasztópaszta kicsi, és a hegesztési lyuk is kicsi, ahogy a 14. ábra mutatja.
Két forrasztópaszta nyomtatás után üreges rajzolás
4.3 A hegesztési üreg hatásának ellenőrzése
2000 termék gyártása után (az első nyomóacélháló vastagsága 75 μm, a második nyomóacélháló vastagsága 50 μm), egyéb körülmények változatlanok hagyásával, 500 QFN véletlenszerű mérésével és a forgácshegesztési üregképződési sebességével megállapították, hogy az új eljárással az első reflux után nem képződik üreg, a második reflux után a maximális hegesztési üregképződési sebesség 4,8%, a forgács maximális hegesztési üregképződési sebessége pedig 4,1%. Az eredeti, egypasztás nyomóhegesztési eljáráshoz és a DOE által optimalizált eljáráshoz képest a hegesztési üregképződés jelentősen csökkent, amint az a 15. ábrán is látható. A termékek funkcionális tesztjei után sem találtak forgácsrepedéseket.
5 Összefoglalás
A forrasztópaszta nyomtatási mennyiségének és a refluxidő optimalizálása csökkentheti a hegesztési üreg területét, de a hegesztési üreg sebessége továbbra is nagy marad. Két forrasztópaszta nyomtatási reflow hegesztési technika alkalmazásával hatékonyan maximalizálható a hegesztési üreg sebessége. A QFN áramkör csupasz chipjének hegesztési területe 4,4 mm x 4,1 mm, illetve 3,0 mm x 2,3 mm lehet tömeggyártásban. A reflow hegesztés üreg sebessége 5% alatt van szabályozva, ami javítja a reflow hegesztés minőségét és megbízhatóságát. A jelen cikkben szereplő kutatás fontos referenciát nyújt a nagy felületű hegesztési felületek hegesztési üreg problémájának javításához.
