1 Introduktion
I printkortsamlingen trykkes loddepasta først på printkortets loddepude, og derefter fastgøres forskellige elektroniske komponenter. Til sidst, efter reflowovnen, smeltes tinperlerne i loddepastaen, og alle slags elektroniske komponenter og loddepuden på printkortet svejses sammen for at realisere samlingen af elektriske submoduler. Surfacemount-teknologi (sMT) anvendes i stigende grad i emballageprodukter med høj densitet, såsom systemniveaupakker (siP), ballgridarray-enheder (BGA) og Power Bare Chip, firkantede flade pinløse pakker (quad aatNo-lead, kaldet QFN) enheder.
På grund af karakteristikaene ved loddepasta-svejseprocessen og materialerne vil der efter reflow-svejsning af disse store loddefladeenheder være huller i loddepasta-svejseområdet, hvilket vil påvirke produktets elektriske egenskaber, termiske egenskaber og mekaniske egenskaber og endda føre til produktfejl. Derfor er forbedringen af loddepasta-reflow-svejsehulrummet blevet et proces- og teknisk problem, der skal løses. Nogle forskere har analyseret og undersøgt årsagerne til BGA-loddekuglesvejsehulrum og leveret forbedringsløsninger. Konventionel loddepasta-reflow-svejseproces med et QFN-svejseområde på over 10 mm2 eller et svejseområde på over 6 mm2 mangler en blank chipløsning.
Brug præformloddesvejsning og vakuumrefluksovnsvejsning til at forbedre svejsehullet. Præfabrikeret lodning kræver specielt udstyr til at punktere flux. For eksempel forskydes og vippes chippen kraftigt, efter at chippen er placeret direkte på det præfabrikerede lod. Hvis fluxmonteringschippen reflowes og derefter punkteres, øges processen med to reflow, og omkostningerne ved præfabrikeret lodning og fluxmateriale er meget højere end ved loddepasta.
Vakuumrefluksudstyr er dyrere, vakuumkapaciteten i det uafhængige vakuumkammer er meget lav, omkostningseffektiviteten er ikke høj, og problemet med tinstænk er alvorligt, hvilket er en vigtig faktor i anvendelsen af produkter med høj densitet og lille pitch. I denne artikel udvikles og introduceres en ny sekundær reflowsvejseproces baseret på den konventionelle loddepasta-reflowsvejseproces for at forbedre svejsehulrummet og løse problemerne med binding og revner i plasttætningen forårsaget af svejsehulrummet.
2. Loddepastetrykningsreflow-svejsehulrum og produktionsmekanisme
2.1 Svejsehulrum
Efter reflow-svejsning blev produktet testet under røntgen. Hullerne i svejsezonen med lysere farve viste sig at skyldes utilstrækkelig loddetin i svejselaget, som vist i figur 1.
Røntgendetektion af boblehullet
2.2 Dannelsesmekanisme for svejsehulrum
Med sAC305 loddepasta som eksempel er den primære sammensætning og funktion vist i tabel 1. Flusmiddel og tinperler er bundet sammen i pastaform. Vægtforholdet mellem tinlod og flusmiddel er ca. 9:1, og volumenforholdet er ca. 1:1.
Efter at loddepastaen er printet og monteret med forskellige elektroniske komponenter, vil loddepastaen gennemgå fire trin med forvarmning, aktivering, tilbagesvaling og afkøling, når den passerer gennem tilbagesvalingsovnen. Loddepastaens tilstand varierer også med forskellige temperaturer i forskellige trin, som vist i figur 2.
Profilreference for hvert område af reflow-lodning
I forvarmnings- og aktiveringsfasen vil de flygtige komponenter i flusmidlet i loddepastaen fordampe til gas ved opvarmning. Samtidig vil der dannes gasser, når oxidet på overfladen af svejselaget fjernes. Nogle af disse gasser vil fordampe og forlade loddepastaen, og loddeperlerne vil blive tæt kondenseret på grund af flusmidlets fordampning. I tilbagesvalingsfasen vil den resterende flusmiddel i loddepastaen fordampe hurtigt, tinperlerne vil smelte, en lille mængde flusmiddelflygtig gas og det meste af luften mellem tinperlerne vil ikke blive spredt i tide, og resterne i den smeltede tin og under spændingen af den smeltede tin danner en hamburger-sandwichstruktur og fanges af printkortets loddepude og elektroniske komponenter, og gassen, der er pakket ind i den flydende tin, er vanskelig at undslippe, kun på grund af den opadgående opdrift. Den øvre smeltetid er meget kort. Når den smeltede tin afkøles og bliver til fast tin, opstår der porer i svejselaget, og der dannes loddehuller, som vist i figur 3.
Skematisk diagram over hulrum genereret ved lodepasta-reflow-svejsning
Grundårsagen til svejsekaviteten er, at luften eller den flygtige gas, der er indpakket i loddepastaen efter smeltning, ikke udledes fuldstændigt. De påvirkende faktorer omfatter loddepastaens materiale, formen på loddepastaens tryk, mængden af loddepastaens tryk, reflukstemperaturen, reflukstid, svejsestørrelsen, strukturen og så videre.
3. Verifikation af påvirkningsfaktorer for lodepastatrykning af reflow-svejsehuller
QFN- og bare chip-tests blev brugt til at bekræfte hovedårsagerne til reflow-svejseporer og til at finde måder at forbedre de reflow-svejseporer, der printes af loddepasta. Produktprofilen for QFN- og bare chip-loddepasta-reflow-svejsning er vist i figur 4. QFN-svejseoverfladestørrelsen er 4,4 mm x 4,1 mm, svejseoverfladen er et fortinnet lag (100 % ren tin). Svejsestørrelsen på den bare chip er 3,0 mm x 2,3 mm, svejselaget er et forstøvet nikkel-vanadium bimetallisk lag, og overfladelaget er vanadium. Substratets svejsepude var elektroløs nikkel-palladium gulddyppet, og tykkelsen var 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Der anvendes SAC305 loddepasta, loddepastaprintningsudstyret er DEK Horizon APix, refluxovnsudstyret er BTUPyramax150N, og røntgenudstyret er DAGExD7500VR.
QFN- og bare chip-svejsningstegninger
For at lette sammenligningen af testresultaterne blev reflow-svejsning udført under betingelserne i tabel 2.
Tabel med reflow-svejsebetingelser
Efter overflademontering og reflow-svejsning blev svejselaget detekteret med røntgen, og det blev konstateret, at der var store huller i svejselaget i bunden af QFN og den bare spån, som vist i figur 5.
QFN og chiphologram (røntgen)
Da tinperlestørrelse, stålnettykkelse, åbningsarealhastighed, stålnetform, reflukstid og peakovntemperatur alle vil påvirke reflow-svejsehulrummene, er der mange påvirkningsfaktorer, som vil blive direkte verificeret af DOE-testen, og antallet af forsøgsgrupper vil være for stort. Det er nødvendigt hurtigt at screene og bestemme de vigtigste påvirkningsfaktorer gennem korrelationssammenligningstest og derefter yderligere optimere de vigtigste påvirkningsfaktorer gennem DOE.
3.1 Dimensioner af loddehuller og tinperler til loddepasta
Med type 3 (perlestørrelse 25-45 μm) SAC305 loddepastatest forbliver andre forhold uændrede. Efter reflow måles hullerne i loddelaget og sammenlignes med type 4 loddepasta. Det konstateres, at hullerne i loddelaget ikke er signifikant forskellige mellem de to typer loddepasta, hvilket indikerer, at loddepasta med forskellig perlestørrelse ikke har nogen åbenlys indflydelse på hullerne i loddelaget, hvilket ikke er en påvirkende faktor, som vist i FIG. 6.
Sammenligning af metalliske tinpulverhuller med forskellige partikelstørrelser
3.2 Tykkelse af svejsehulrum og trykt stålnet
Efter reflow blev hulrumsarealet af det svejsede lag målt med det trykte stålnet med en tykkelse på 50 μm, 100 μm og 125 μm, og andre forhold forblev uændrede. Det blev konstateret, at effekten af forskellige tykkelser af stålnet (loddepasta) på QFN blev sammenlignet med effekten af det trykte stålnet med en tykkelse på 75 μm. Efterhånden som tykkelsen af stålnetet stiger, falder hulrumsarealet gradvist. Efter at have nået en vis tykkelse (100 μm), vil hulrumsarealet vende og begynde at stige med stigende tykkelse af stålnetet, som vist i figur 7.
Dette viser, at når mængden af loddepasta øges, dækkes den flydende tin med refluks af chippen, og udløbet af resterende luft er kun smalt på fire sider. Når mængden af loddepasta ændres, øges udløbet af resterende luft også, og den øjeblikkelige udblæsning af luft indhyllet i flydende tin eller flygtig gas, der undslipper flydende tin, vil få flydende tin til at sprøjte omkring QFN og chippen.
Testen viste, at med stigende tykkelse af stålnettet vil antallet af bobler, der brister på grund af udslip af luft eller flygtig gas, også stige, og sandsynligheden for, at tin sprøjter omkring QFN og spån, vil også stige tilsvarende.
Sammenligning af huller i stålnet af forskellig tykkelse
3.3 Arealforhold mellem svejsehulrum og stålnetåbning
Det trykte stålnet med åbningshastigheder på 100%, 90% og 80% blev testet, og andre forhold forblev uændrede. Efter reflow blev hulrumsarealet af det svejsede lag målt og sammenlignet med det trykte stålnet med åbningshastigheden på 100%. Det blev konstateret, at der ikke var nogen signifikant forskel i hulrummet i det svejsede lag under betingelserne for åbningshastigheden på 100% og 90% til 80%, som vist i figur 8.
Hulrumssammenligning af forskellige åbningsarealer i forskellige stålnet
3.4 Svejset hulrum og trykt stålnetform
Med trykformstesten af loddepastaen fra strimmel b og skrånet gitter c forbliver de andre forhold uændrede. Efter reflow måles hulrumsarealet af svejselaget og sammenlignes med trykformen af gitter a. Det konstateres, at der ikke er nogen signifikant forskel i hulrummet af svejselaget under forholdene for gitter, strimmel og skrånet gitter, som vist i figur 9.
Sammenligning af huller i forskellige åbningsmåder for stålnet
3.5 Svejsekavitet og reflukstid
Efter en længere reflukstidstest (70 s, 80 s, 90 s), forblev andre forhold uændrede. Hullet i svejselaget blev målt efter refluks, og sammenlignet med reflukstiden på 60 s, blev det konstateret, at med stigende reflukstid faldt svejsehullets areal, men reduktionsamplituden faldt gradvist med stigende tid, som vist i figur 10. Dette viser, at i tilfælde af utilstrækkelig reflukstid er en forøgelse af reflukstiden befordrende for fuld overløb af luft pakket ind i smeltet flydende tin, men efter at reflukstiden er steget til en vis tid, er det vanskeligt for luften pakket ind i flydende tin at løbe over igen. Reflukstiden er en af de faktorer, der påvirker svejsehulrummet.
Ugyldig sammenligning af forskellige reflukstidslængder
3.6 Svejsekavitet og peakovntemperatur
Med en peakovntemperaturtest på 240 ℃ og 250 ℃ og andre uændrede forhold blev hulrumsarealet af det svejsede lag målt efter reflow, og sammenlignet med en peakovntemperatur på 260 ℃ blev det konstateret, at hulrummet i det svejsede lag af QFN og spån ikke ændrede sig signifikant under forskellige peakovntemperaturforhold, som vist i figur 11. Det viser, at forskellige peakovntemperaturer ikke har nogen åbenlys effekt på QFN og hullet i spånens svejselag, hvilket ikke er en påvirkende faktor.
Ugyldig sammenligning af forskellige spidstemperaturer
Ovenstående tests indikerer, at de væsentlige faktorer, der påvirker svejselagshulrummet i QFN og spån, er refluxtid og stålnettykkelse.
4 Forbedring af svejsehulrum ved reflow af lodepastatryk
4.1 DOE-test for at forbedre svejsehulrummet
Hullet i svejselaget mellem QFN og spån blev forbedret ved at finde den optimale værdi af de vigtigste påvirkningsfaktorer (refluks-tid og stålnettykkelse). Loddepastaen var SAC305 type 4, stålnetformen var gittertype (100 % åbningsgrad), den maksimale ovntemperatur var 260 ℃, og andre testbetingelser var de samme som for testudstyret. DOE-test og resultater er vist i tabel 3. Indflydelsen af stålnettykkelse og reflukstid på QFN- og spånsvejsehuller er vist i figur 12. Gennem interaktionsanalyse af de vigtigste påvirkningsfaktorer er det konstateret, at brugen af en stålnettykkelse på 100 μm og 80 sekunders reflukstid kan reducere svejsekaviteten mellem QFN og spån betydeligt. Svejsekavitetsraten for QFN reduceres fra maksimalt 27,8 % til 16,1 %, og svejsekavitetsraten for spån reduceres fra maksimalt 20,5 % til 14,5 %.
I testen blev 1000 produkter produceret under optimale forhold (100 μm stålnettykkelse, 80 s reflukstid), og svejsekavitetshastigheden for 100 QFN og spån blev tilfældigt målt. Den gennemsnitlige svejsekavitetshastighed for QFN var 16,4%, og den gennemsnitlige svejsekavitetshastighed for spån var 14,7%. Svejsekavitetshastigheden for spånen og spånen reduceres tydeligt.
4.2 Den nye proces forbedrer svejsehulrummet
Den faktiske produktionssituation og test viser, at når svejsekavitetsarealet i bunden af chippen er mindre end 10 %, vil der ikke opstå problemer med revner i spånhulrummets position under binding og støbning af bly. De procesparametre, der er optimeret af DOE, kan ikke opfylde kravene til analyse og løsning af hullerne i konventionel lodepasta-reflow-svejsning, og chippens svejsekavitetsareal skal reduceres yderligere.
Da den chip, der er dækket af loddet, forhindrer gassen i loddet i at slippe ud, reduceres hulraten i bunden af chippen yderligere ved at eliminere eller reducere den loddebelagte gas. En ny proces til reflow-svejsning med to loddepasta-tryk er anvendt: én loddepasta-trykning, én reflow, der ikke dækker QFN, og en bar chip, der afgiver gassen i loddet. Den specifikke proces til sekundær loddepasta-trykning, patch og sekundær reflux er vist i figur 13.
Når den 75 μm tykke loddepasta printes for første gang, slipper det meste af gassen i loddet uden chipdækning ud af overfladen, og tykkelsen efter reflux er omkring 50 μm. Efter afslutningen af den primære reflux printes små firkanter på overfladen af det afkølede, størknede loddetin (for at reducere mængden af loddepasta, reducere mængden af gasoverløb, reducere eller eliminere loddestænk), og loddepastaen med en tykkelse på 50 μm (ovenstående testresultater viser, at 100 μm er det bedste, så tykkelsen af den sekundære printning er 100 μm.50 μm = 50 μm), derefter installeres chippen, og derefter returneres efter 80 sekunder. Der er næsten intet hul i loddet efter den første printning og reflow, og loddepastaen i den anden printning er lille, og svejsehullet er lille, som vist i figur 14.
Efter to tryk af loddepasta, hul tegning
4.3 Verifikation af svejsekavitetseffekt
Produktion af 2000 produkter (tykkelsen af det første trykstålnet er 75 μm, tykkelsen af det andet trykstålnet er 50 μm), andre forhold uændrede, tilfældig måling af 500 QFN og spånsvejsehulrumshastighed, viste, at den nye proces efter den første reflux intet hulrum, efter den anden reflux QFN. Den maksimale svejsehulrumshastighed er 4,8% efter den anden reflux, og den maksimale svejsehulrumshastighed for chippen er 4,1%. Sammenlignet med den oprindelige enkeltpasta-tryksvejseproces og den DOE-optimerede proces, er svejsehulrummet betydeligt reduceret, som vist i figur 15. Der blev ikke fundet nogen spånrevner efter funktionelle tests af alle produkter.
5 Resumé
Optimering af loddepastatrykmængden og refluxtiden kan reducere svejsehulrumsarealet, men svejsehulrumshastigheden er stadig stor. Brug af to loddepastatryk-reflow-svejseteknikker kan effektivt maksimere og maksimere svejsehulrumshastigheden. Svejseområdet for QFN-kredsløbsbar chip kan være henholdsvis 4,4 mm x 4,1 mm og 3,0 mm x 2,3 mm i masseproduktion. Hulrumshastigheden ved reflow-svejsning kontrolleres til under 5%, hvilket forbedrer kvaliteten og pålideligheden af reflow-svejsning. Forskningen i denne artikel giver en vigtig reference til forbedring af svejsehulrumsproblemet på svejseflader med stort areal.
Opslagstidspunkt: 05. juli 2023
