SMT користи конвенционалну лемну пасту за анализу и решење за заваривање ваздушним рефлоуовањем (2023 Essence Edition), заслужили сте то!
1 Увод
Приликом склапања штампане плоче, лемна паста се прво штампа на лемну површину штампане плоче, а затим се причвршћују разне електронске компоненте. Коначно, након пећи за рефлов, калајне перлице у лемној пасти се топе и све врсте електронских компоненти и лемна површина штампане плоче се заварују како би се остварила монтажа електричних подмодула. Технологија површинске монтаже (SMT) се све више користи у производима са високом густином паковања, као што су системска паковања (siP), BGA (ballgridarray) уређаји и уређаји са чиповима за напајање, квадратним равним безпинским паковањем (quad AA/No-lead, названи QFN).
Због карактеристика процеса заваривања лемном пастом и материјала, након рефлов заваривања ових уређаја са великом површином лема, постојаће рупе у подручју лемног заваривања, што ће утицати на електрична својства, термичка својства и механичка својства производа. Перформансе, па чак и довести до квара производа. Стога, побољшање шупљине за заваривање рефловном пастом постало је процесни и технички проблем који мора бити решен. Неки истраживачи су анализирали и проучавали узроке шупљине за заваривање куглица лема BGA и пружили решења за побољшање. Конвенционални процес заваривања рефловном пастом за заваривање површине QFN веће од 10 мм2 или површине заваривања веће од 6 мм2 не доводи до решења за голе чипове.
Користите заваривање преформним лемом и заваривање у вакуумској рефлуксној пећи да бисте побољшали отвор за заваривање. Префабриковани лем захтева посебну опрему за усмеравање флукса. На пример, чип је озбиљно померен и нагнут након што се чип постави директно на префабриковани лем. Ако се чип за монтирање флукса рефлуксује, а затим се усмерава, процес се повећава за два рефлукса, а трошкови префабрикованог лема и флуксног материјала су много већи од трошкова пасте за лемљење.
Опрема за вакуумско рефлуксовање је скупља, вакуумски капацитет независне вакуумске коморе је веома низак, однос трошкова и перформанси није висок, а проблем прскања калаја је озбиљан, што је важан фактор у примени производа високе густине и малог корака. У овом раду, на основу конвенционалног поступка заваривања рефлуксом лемне пасте, развијен је и уведен нови секундарни поступак заваривања рефлуксом како би се побољшала шупљина заваривања и решили проблеми лепљења и пуцања пластичног заптивача изазваног шупљином заваривања.
2 Шупљина за заваривање рефлоу пастом за штампање лемне пасте и механизам производње
2.1 Шупљина за заваривање
Након рефлоу заваривања, производ је тестиран под рендгенским зрацима. Утврђено је да су рупе у зони заваривања са светлијом бојом настале због недовољне количине лема у слоју заваривања, као што је приказано на слици 1.
Рендгенска детекција рупе у мехурићу
2.2 Механизам формирања шупљине заваривања
Узимајући лемну пасту sAC305 као пример, главни састав и функција су приказани у Табели 1. Флукс и калајне перле су спојене у облику пасте. Тежински однос калајног лема и флукса је око 9:1, а запремински однос је око 1:1.
Након што се паста за лемљење одштампа и монтира са различитим електронским компонентама, она ће проћи кроз рефлуксну пећ у четири фазе: претходно загревање, активацију, рефлукс и хлађење. Стање пасте за лемљење је такође различито са различитим температурама у различитим фазама, као што је приказано на слици 2.
Референца профила за свако подручје рефлов лемљења
У фази претходног загревања и активације, испарљиве компоненте у флуксу у лемној пасти ће се испарити у гас приликом загревања. Истовремено, гасови ће се производити када се уклони оксид са површине слоја заваривања. Неки од ових гасова ће испарити и напустити лемну пасту, а лемне перле ће се чврсто кондензовати због испаравања флукса. У фази рефлукса, преостали флукс у лемној пасти ће брзо испарити, калајне перле ће се истопити, мала количина испарљивог гаса флукса и већина ваздуха између калајних перли неће се временом распршити, а преостали део у растопљеном калају и под напоном растопљеног калаја имају структуру хамбургер сендвича и бивају заробљени од стране лемне плочице на штампаној плочи и електронских компоненти, а гас обавијен течним калајем је тешко изаћи само узлазном снагом. Време топљења горњег дела је веома кратко. Када се растопљени калај охлади и постане чврсти калај, појављују се поре у слоју заваривања и формирају се рупе од лема, као што је приказано на слици 3.
Шематски дијаграм шупљине настале заваривањем рефлоу пастом за лемљење
Основни узрок шупљине у заваривању је тај што ваздух или испарљиви гас који је умотан у лемну пасту након топљења није потпуно испуштен. Фактори који утичу укључују материјал лемне пасте, облик штампане лемне пасте, количину штампане лемне пасте, температуру рефлукса, време рефлукса, величину заваривања, структуру и тако даље.
3. Верификација утицајних фактора штампања лемне пасте за рефлоу заваривање рупа
QFN и тестови са голим чипом коришћени су да би се потврдили главни узроци шупљина насталих рефлов заваривањем и да би се пронашли начини за побољшање шупљина насталих рефлов заваривањем помоћу лемне пасте. Профил производа за рефлов заваривање са QFN и лемном пастом без чипа приказан је на слици 4, величина површине заваривања QFN је 4,4 мм x 4,1 мм, површина заваривања је калајисани слој (100% чисти калај); величина заваривања без чипа је 3,0 мм x 2,3 мм, слој заваривања је распршени биметални слој никл-ванадијума, а површински слој је ванадијум. Подлога за заваривање подлоге је била безструјно никл-паладијумско потапање у злато, а дебљина је била 0,4 μм/0,06 μм/0,04 μм. Коришћена је лемна паста SAC305, опрема за штампање лемне пасте је DEK Horizon APix, опрема за рефлуксну пећ је BTUPyramax150N, а рендген опрема је DAGExD7500VR.
Цртежи заваривања QFN и голих струготина
Ради лакшег поређења резултата испитивања, заваривање рефлоуирањем је извршено под условима у Табели 2.
Табела услова заваривања рефлоуом
Након што су завршени површинска монтажа и рефлов заваривање, слој заваривања је детектован рендгенским снимком и утврђено је да постоје велике рупе у слоју заваривања на дну QFN и голом чипу, као што је приказано на слици 5.
QFN и чип холограм (рендген)
Пошто величина калајних перли, дебљина челичне мреже, брзина отварања површине, облик челичне мреже, време рефлукса и вршна температура пећи утичу на шупљине код заваривања рефлуксом, постоји много фактора који утичу, што ће бити директно потврђено DOE тестом, а број експерименталних група ће бити превелик. Потребно је брзо прегледати и одредити главне факторе утицаја помоћу теста корелације и поређења, а затим даље оптимизовати главне факторе утицаја помоћу DOE.
3.1 Димензије рупа за лемљење и калајних перли пасте за лемљење
Код теста лемне пасте SAC305 типа 3 (величина перли 25-45 μm), остали услови остају непромењени. Након рефлоуовања, рупе у слоју лема се мере и упоређују са лемном пастом типа 4. Утврђено је да се рупе у слоју лема значајно не разликују између две врсте лемне пасте, што указује да лемна паста са различитом величином перли нема очигледан утицај на рупе у слоју лема, што није фактор утицаја, као што је приказано на слици 6.
Поређење рупа металног калајног праха са различитим величинама честица
3.2 Дебљина заварене шупљине и штампане челичне мреже
Након рефлукса, површина шупљине завареног слоја је мерена са штампаном челичном мрежом дебљине 50 μm, 100 μm и 125 μm, а остали услови су остали непромењени. Утврђено је да је ефекат различите дебљине челичне мреже (пасте за лемљење) на QFN упоређен са ефектом штампане челичне мреже дебљине 75 μm. Како се дебљина челичне мреже повећава, површина шупљине се постепено полако смањује. Након достизања одређене дебљине (100 μm), површина шупљине ће се обрнути и почети да се повећава са повећањем дебљине челичне мреже, као што је приказано на слици 7.
Ово показује да када се количина лемне пасте повећа, течни калај са рефлуксом је прекривен чипом, а излаз за излазак преосталог ваздуха је узак само са четири стране. Када се количина лемне пасте промени, излаз за излазак преосталог ваздуха се такође повећава, а тренутни излив ваздуха обавијеног течним калајем или испарљивог гаса који излази из течног калаја довешће до прскања течног калаја око QFN-а и чипа.
Тест је показао да се са повећањем дебљине челичне мреже повећава и пуцање мехурића изазвано изласком ваздуха или испарљивог гаса, а вероватноћа прскања калаја око QFN и чипа такође се сходно томе повећава.
Поређење рупа у челичној мрежи различите дебљине
3.3 Однос површина шупљине за заваривање и отвора челичне мреже
Тестирана је штампана челична мрежа са брзином отварања од 100%, 90% и 80%, а остали услови су остали непромењени. Након рефлукса, површина шупљине завареног слоја је измерена и упоређена са штампаном челичном мрежом са брзином отварања од 100%. Утврђено је да нема значајне разлике у шупљини завареног слоја под условима брзине отварања од 100% и 90% 80%, као што је приказано на слици 8.
Поређење шупљина различитих површина отвора различитих челичних мрежа
3.4 Заварена шупљина и облик штампане челичне мреже
Код теста облика штампања лемне пасте траке b и нагнуте мреже c, остали услови остају непромењени. Након рефлукса, површина шупљине завареног слоја се мери и упоређује са обликом штампања мреже a. Утврђено је да нема значајне разлике у шупљини завареног слоја под условима мреже, траке и нагнуте мреже, као што је приказано на слици 9.
Поређење рупа у различитим режимима отварања челичне мреже
3.5 Шупљина заваривања и време рефлукса
Након продуженог времена рефлукса (70 с, 80 с, 90 с), остали услови остају непромењени, рупа у слоју заваривања је измерена након рефлукса, и упоређена са временом рефлукса од 60 с, утврђено је да се са повећањем времена рефлукса површина рупе за заваривање смањује, али се амплитуда смањења постепено смањује са повећањем времена, као што је приказано на слици 10. Ово показује да у случају недовољног времена рефлукса, повећање времена рефлукса погодује потпуном преливању ваздуха обавијеног растопљеним течним калајем, али након што се време рефлукса повећа до одређеног времена, ваздух обавијен течним калајем је тешко поново прелити. Време рефлукса је један од фактора који утичу на шупљину заваривања.
Неважеће поређење различитих дужина времена рефлукса
3.6 Шупљина заваривања и максимална температура пећи
Са тестом вршне температуре пећи од 240 ℃ и 250 ℃ и осталим непромењеним условима, површина шупљине завареног слоја је измерена након рефлоу-а, и у поређењу са вршном температуром пећи од 260 ℃, утврђено је да се под различитим условима вршне температуре пећи, шупљина завареног слоја QFN и чипа није значајно променила, као што је приказано на слици 11. Показује да различита вршна температура пећи нема очигледан утицај на QFN и рупу у слоју заваривања чипа, што није фактор утицаја.
Неважеће поређење различитих вршних температура
Горенаведени тестови показују да су значајни фактори који утичу на шупљину завареног слоја QFN и струготину време рефлукса и дебљина челичне мреже.
4 Побољшање шупљине за заваривање рефлоу пастом за штампање лемне пасте
4.1DOE тест за побољшање заваривачке шупљине
Рупа у слоју заваривања QFN и чипа је побољшана проналажењем оптималне вредности главних фактора утицаја (време рефлукса и дебљина челичне мреже). Лемна паста је била SAC305 тип4, облик челичне мреже је био типа решетке (100% степен отварања), максимална температура пећи је била 260 ℃, а остали услови испитивања били су исти као и код опреме за испитивање. DOE тест и резултати су приказани у Табели 3. Утицаји дебљине челичне мреже и времена рефлукса на QFN и рупе за заваривање чипа су приказани на Слици 12. Кроз анализу интеракције главних фактора утицаја, утврђено је да коришћење дебљине челичне мреже од 100 μm и времена рефлукса од 80 s може значајно смањити шупљину заваривања QFN и чипа. Стопа шупљине заваривања QFN је смањена са максималних 27,8% на 16,1%, а стопа шупљине заваривања чипа је смањена са максималних 20,5% на 14,5%.
У тесту је произведено 1000 производа под оптималним условима (дебљина челичне мреже 100 μм, време рефлукса 80 с), а стопа шупљине заваривања од 100 QFN и струготине је насумично мерена. Просечна стопа шупљине заваривања QFN била је 16,4%, а просечна стопа шупљине заваривања струготине била је 14,7%. Стопа шупљине заваривања струготине и струготине је очигледно смањена.
4.2 Нови процес побољшава шупљину за заваривање
Стварна производна ситуација и тестови показују да када је површина шупљине за заваривање на дну чипа мања од 10%, проблем пуцања на положају шупљине чипа неће се појавити током спајања и обликовања електрода. Параметри процеса које је оптимизовало Министарство енергетике (DOE) не могу да задовоље захтеве анализе и решавања проблема са рупама код конвенционалног заваривања рефлоу пастом за лемљење, а површина шупљине за заваривање чипа мора се додатно смањити.
Пошто чип прекривен лемом спречава излазак гаса из лема, стопа рупа на дну чипа се додатно смањује елиминисањем или смањењем гаса превученог лемом. Усвојен је нови поступак рефлукса са два штампања лемне пасте: једно штампање лемне пасте, једно рефлуксовање које не покрива QFN и голи чип који испушта гас у лем; Специфичан поступак секундарног штампања лемне пасте, закрпа и секундарног рефлукса приказан је на слици 13.
Када се паста за лемљење дебљине 75μм први пут штампа, већина гаса у лему без покривача чипа излази са површине, а дебљина након рефлукса је око 50μм. Након завршетка примарног рефлукса, мали квадрати се штампају на површини охлађеног очврслог лема (како би се смањила количина пасте за лемљење, смањила количина преливања гаса, смањило или елиминисало прскање лема), и паста за лемљење дебљине 50μм (горе наведени резултати испитивања показују да је 100μм најбоље, тако да је дебљина секундарног штампања 100μм.50μм=50μм), затим се инсталира чип, а затим се враћа након 80 секунди. Након првог штампања и рефлукса готово да нема рупа у лему, а паста за лемљење у другом штампању је мала, а рупа за заваривање је мала, као што је приказано на слици 14.
Након два штампања лемне пасте, шупљи цртеж
4.3 Провера ефекта шупљине заваривања
Производња 2000 производа (дебљина прве штампане челичне мреже је 75 μм, дебљина друге штампане челичне мреже је 50 μм), остали услови непромењени, насумично мерење 500 QFN и брзине шупљине заваривања чипа, показало је да нови процес након првог рефлукса нема шупљине, након другог рефлукса QFN максимална брзина шупљине заваривања је 4,8%, а максимална брзина шупљине заваривања чипа је 4,1%. У поређењу са оригиналним процесом штампања са једном пастом и процесом оптимизованим од стране DOE, шупљина заваривања је значајно смањена, као што је приказано на слици 15. Након функционалних испитивања свих производа нису пронађене пукотине чипа.
5 Резиме
Оптимизација количине штампане лемне пасте и времена рефлукса може смањити површину шупљине заваривања, али је брзина заваривања и даље велика. Коришћењем две технике штампања лемне пасте и заваривања рефлуксом може се ефикасно максимизирати брзина заваривања. Површина заваривања голог чипа QFN кола може бити 4,4 мм x 4,1 мм и 3,0 мм x 2,3 мм респективно у масовној производњи. Брзина заваривања рефлуксом је контролисана испод 5%, што побољшава квалитет и поузданост заваривања рефлуксом. Истраживање у овом раду пружа важну референцу за побољшање проблема шупљине заваривања код велике површине заваривања.
