SMT bruger konventionel loddepasta-lufttilbagestrømningssvejsehulrumsanalyse og -løsning (2023 Essence Edition), du fortjener det!
1. Introduktion
I printpladesamlingen trykkes først loddepasta på printpladens loddepude, og derefter påsættes forskellige elektroniske komponenter.Til sidst, efter reflow-ovnen, smeltes tinperlerne i loddepastaen, og alle slags elektroniske komponenter og loddepuden på printkortet svejses sammen for at realisere samlingen af elektriske undermoduler.overflademonteringsteknologi (sMT) bruges i stigende grad i højdensitetsemballageprodukter, såsom system level package (siP), ballgridarray (BGA) enheder og power bare Chip, firkantet flad pin-less-pakke (quad aatNo-lead, kaldet QFN) ) enhed.
På grund af egenskaberne ved svejseproces og materialer med loddepasta vil der efter reflow-svejsning af disse store loddeoverfladeanordninger være huller i loddesvejseområdet, hvilket vil påvirke produktets elektriske egenskaber, termiske egenskaber og mekaniske egenskaber Ydelse, og endda føre til produktfejl, derfor for at forbedre loddepasta reflow svejsehulrum er blevet en proces og teknisk problem, der skal løses, nogle forskere har analyseret og undersøgt årsagerne til BGA loddekugle svejsehulrum, og givet forbedringsløsninger, konventionel lodde pasta reflow svejseproces svejseareal på QFN større end 10mm2 eller svejseareal større end 6 mm2's bare chip løsning mangler.
Brug præformloddesvejsning og vakuumtilbageløbsovnsvejsning for at forbedre svejsehullet.Præfabrikeret lodning kræver specielt udstyr til at pege flux.For eksempel er chippen forskudt og vippet alvorligt, efter at chippen er placeret direkte på det præfabrikerede loddemiddel.Hvis fluxmonteringschippen er reflow og derefter punkt, øges processen med to reflow, og prisen på præfabrikeret loddemetal og fluxmateriale er meget højere end loddepastaen.
Vakuumtilbageløbsudstyr er dyrere, vakuumkapaciteten af det uafhængige vakuumkammer er meget lav, omkostningsydelsen er ikke høj, og tinsprøjtproblemet er alvorligt, hvilket er en vigtig faktor i anvendelsen af højdensitet og lille tonehøjde Produkter.I dette papir, baseret på den konventionelle loddepasta-reflow-svejseproces, udvikles og introduceres en ny sekundær reflow-svejseproces for at forbedre svejsekaviteten og løse problemerne med limning og plastikforseglingsrevner forårsaget af svejsehulrum.
2 Loddepasta udskrivning reflow 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 lodning i svejselaget, som vist i figur 1
Røntgenpåvisning af boblehullet
2.2 Dannelsesmekanisme af svejsehulrum
Tager man sAC305 loddepasta som et eksempel, er hovedsammensætningen og funktionen vist i tabel 1. Flux- og tinperlerne er bundet sammen i pastaform.Vægtforholdet mellem tinloddemiddel og flusmiddel er omkring 9:1, og volumenforholdet er omkring 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 er også forskellig med forskellige temperaturer i forskellige stadier, som vist i figur 2.
Profilreference for hvert område af reflow-lodning
I forvarmnings- og aktiveringsstadiet vil de flygtige komponenter i fluxen i loddepastaen blive fordampet til gas ved opvarmning.Samtidig vil der blive produceret 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 fordampningen af flux.I tilbagesvalingsstadiet vil det resterende flusmiddel i loddepastaen fordampe hurtigt, tinperlerne vil smelte, en lille mængde flygtig flusgas og det meste af luften mellem tinperlerne vil ikke blive spredt i tide, og resten i smeltet tin og under spændingen af det smeltede tin er hamburger sandwich-struktur og fanges af printpladens loddepude og elektroniske komponenter, og gassen pakket ind i det flydende tin er kun vanskeligt at undslippe af den opadgående opdrift. Den øvre smeltetid er meget kort.Når det smeltede tin afkøles og bliver til fast tin, opstår der porer i svejselaget, og der dannes loddehuller, som vist i figur 3.
Skematisk diagram af tomrum genereret af loddepasta reflow svejsning
Grundårsagen til svejsehulrum er, at luften eller den flygtige gas, der er pakket ind i loddepastaen efter smeltning, ikke er fuldstændig afladet.De påvirkende faktorer omfatter loddepastamateriale, loddepasta-trykform, loddepasta-udskrivningsmængde, tilbagesvalingstemperatur, tilbagesvalingstid, svejsestørrelse, struktur og så videre.
3. Verifikation af indflydelsesfaktorer ved loddepastaudskrivning reflow svejsehuller
QFN og bare chip-test blev brugt til at bekræfte hovedårsagerne til reflow-svejsehulrum og til at finde måder at forbedre reflow-svejsehulrummene udskrevet med loddepasta.QFN og bare chip loddepasta reflow-svejseproduktprofil er vist i figur 4, QFN-svejseoverfladestørrelsen er 4,4 mmx4,1 mm, svejseoverfladen er fortinnet lag (100 % rent tin);Svejsestørrelsen af den bare chip er 3,0 mm x 2,3 mm, svejselaget er sputteret nikkel-vanadium bimetallisk lag, og overfladelaget er vanadium.Svejsepuden på substratet var strømløs nikkel-palladium-gulddyppe, og tykkelsen var 0,4μm/0,06μm/0,04μm.Der anvendes SAC305 loddepasta, loddepasta-udskrivningsudstyret er DEK Horizon APix, refluksovnsudstyret er BTUPyramax150N, og røntgenudstyret er DAGExD7500VR.
QFN og spånet svejsetegninger
For at lette sammenligning af testresultater blev reflow-svejsning udført under betingelserne i tabel 2.
Tilstandstabel for reflowsvejsning
Efter at overflademontering og reflow-svejsning var afsluttet, blev svejselaget detekteret ved røntgen, og det viste sig, at der var store huller i svejselaget i bunden af QFN og blottet spån, som vist i figur 5.
QFN og chiphologram (røntgen)
Da tinperlestørrelse, stålmasketykkelse, åbningsarealhastighed, stålmaskeform, tilbagesvalingstid og spidsovnstemperatur alle vil påvirke reflow-svejsehulrum, er der mange faktorer, som vil blive direkte verificeret ved DOE-test, og antallet af eksperimentelle grupper bliver for store.Det er nødvendigt hurtigt at screene og bestemme de vigtigste påvirkningsfaktorer gennem korrelationssammenligningstest og derefter yderligere optimere de vigtigste påvirkningsfaktorer gennem DOE.
3.1 Mål på loddehuller og loddepasta tinperler
Med type3 (perlestørrelse 25-45 μm) SAC305 loddepasta test forbliver andre forhold uændrede.Efter reflow måles hullerne i loddelaget og sammenlignes med type4 loddepasta.Det viser sig, at hullerne i loddelaget ikke er væsentligt forskellige mellem de to slags loddepasta, hvilket indikerer, at loddepastaen med forskellig perlestørrelse ikke har nogen åbenlys indflydelse på hullerne i loddelaget, hvilket ikke er en indflydelsesrig faktor, som vist i fig.6 Som vist.
Sammenligning af metalliske tinpulverhuller med forskellige partikelstørrelser
3.2 Tykkelse af svejsehulrum og trykt stålnet
Efter reflow blev hulrummet af det svejste lag målt med det trykte stålnet med tykkelsen 50 μm, 100 μm og 125 μm, og andre forhold forblev uændrede.Det viste sig, at effekten af forskellig tykkelse af stålnet (loddepasta) på QFN blev sammenlignet med virkningen af det trykte stålnet med tykkelsen 75 μm. Efterhånden som tykkelsen af stålnettet øges, aftager hulrumsarealet gradvist langsomt.Efter at have nået en vis tykkelse (100μm), vil kavitetsarealet vende og begynde at stige med stigningen i tykkelsen af stålnettet, som vist i figur 7.
Dette viser, at når mængden af loddepasta øges, er det flydende tin med tilbagesvaling dækket af chippen, og udløbet af resterende luftudslip er kun smalt på fire sider.Når mængden af loddepasta ændres, øges udløbet af resterende luftudslip også, og det øjeblikkelige udbrud af luft pakket ind i flydende tin eller flygtig gas, der undslipper flydende tin, vil få flydende tin til at sprøjte rundt om QFN og chippen.
Testen viste, at med forøgelsen af tykkelsen af stålnettet, vil boblesprængningen forårsaget af udslip af luft eller flygtige gasser også stige, og sandsynligheden for, at tin sprøjter rundt om QFN og spåner, vil også stige tilsvarende.
Sammenligning af huller i stålnet af forskellig tykkelse
3.3 Arealforhold mellem svejsehulrum og stålnetåbning
Det trykte stålnet med åbningshastigheden på 100%, 90% og 80% blev testet, og andre forhold forblev uændrede.Efter reflow blev hulrummet af det svejste lag målt og sammenlignet med det trykte stålnet med 100 % åbningshastighed.Det blev fundet, at der ikke var nogen signifikant forskel i hulrummet i det svejste lag under betingelserne for åbningshastigheden på 100 % og 90 % 80 %, som vist i figur 8.
Kavitetssammenligning af forskellige åbningsarealer af forskelligt stålnet
3.4 Svejset hulrum og trykt stålnetform
Med trykformtesten af loddepastaen af strimmel b og skrå gitter c forbliver andre forhold uændrede.Efter reflow måles svejselagets hulrumsareal og sammenlignes med trykformen af gitter a.Det har vist sig, at der ikke er nogen signifikant forskel i svejselagets hulrum under betingelserne for gitter, strimmel og skrå gitter, som vist i figur 9.
Sammenligning af huller i forskellige åbningstilstande af stålnet
3.5 Svejsehulrum og tilbagesvalingstid
Efter forlænget tilbagesvalingstid (70 s, 80 s, 90 s) test forbliver andre forhold uændrede, hullet i svejselaget blev målt efter tilbagesvaling, og sammenlignet med tilbagesvalingstiden på 60 s, viste det sig, at med stigningen på tilbagesvalingstid faldt svejsehulsarealet, men reduktionsamplituden faldt gradvist med tidens stigning, som vist i figur 10. Dette viser, at i tilfælde af utilstrækkelig tilbagesvalingstid er en forøgelse af tilbagesvalingstiden befordrende for det fulde overløb af luft pakket ind i smeltet flydende tin, men efter at tilbagesvalingstiden stiger til en vis tid, er luften indpakket i flydende tin svær at løbe over igen.Tilbageløbstiden er en af de faktorer, der påvirker svejsehulrummet.
Ugyldig sammenligning af forskellige reflukstidslængder
3.6 Svejsehulrum og maksimal ovntemperatur
Med 240 ℃ og 250 ℃ peak-ovntemperaturtest og andre forhold uændrede, blev hulrummet af det svejste lag målt efter reflow, og sammenlignet med 260 ℃ peak-ovntemperatur blev det konstateret, at under forskellige peak-ovntemperaturforhold, kaviteten af det svejsede lag af QFN og spån ændrede sig ikke væsentligt, som vist i figur 11. Det viser, at forskellig spidsovnstemperatur ikke har nogen tydelig effekt på QFN og hullet i spånens svejselag, hvilket ikke er en påvirkende faktor.
Ugyldig sammenligning af forskellige spidstemperaturer
Ovenstående test indikerer, at de væsentlige faktorer, der påvirker svejselagets hulrum af QFN og spån, er tilbagesvalingstid og stålmasketykkelse.
4 Loddepasta udskrivning reflow svejsehulrum forbedring
4.1DOE-test for at forbedre svejsehulrummet
Hullet i svejselaget af QFN og spån blev forbedret ved at finde den optimale værdi af de vigtigste påvirkningsfaktorer (tilbageløbstid og stålmasketykkelse).Loddepastaen var SAC305 type4, stålnetformen var gittertype (100% åbningsgrad), spidsovnstemperaturen var 260 ℃, og andre testbetingelser var de samme som testudstyrets.DOE-test og resultater er vist i tabel 3. Indflydelsen af stålmasketykkelse og tilbagesvalingstid på QFN og spånsvejsehuller er vist i figur 12. Gennem interaktionsanalysen af hovedpåvirkningsfaktorer er det konstateret, at brug af 100 μm stålmasketykkelse og 80 s tilbagesvalingstid kan reducere svejsekaviteten af QFN og spån markant.Svejsekavitetsraten for QFN er reduceret fra de maksimale 27,8 % til 16,1 %, og svejsekavitetsraten for spånen reduceres fra de maksimale 20,5 % til 14,5 %.
I testen blev 1000 produkter produceret under de optimale forhold (100 μm stålmasketykkelse, 80 s tilbagesvalingstid), og svejsehulrumshastigheden på 100 QFN og spån blev målt tilfældigt.Den gennemsnitlige svejsehulrumsrate for QFN var 16,4 %, og den gennemsnitlige svejsehulrumsrate for spånen var 14,7 %.
4.2 Den nye proces forbedrer svejsehulrummet
Den faktiske produktionssituation og test viser, at når svejsehulområdet i bunden af spånen er mindre end 10%, vil spånhulrummets positionsrevneproblem ikke opstå under blybindingen og støbningen.Procesparametrene, der er optimeret af DOE, kan ikke opfylde kravene til at analysere og løse hullerne i den konventionelle loddepasta-reflow-svejsning, og chippens svejsehulrumsareal skal reduceres yderligere.
Da chippen, der er dækket af loddet, forhindrer gassen i loddemet i at slippe ud, reduceres hulraten i bunden af chippen yderligere ved at eliminere eller reducere den loddebelagte gas.En ny proces med reflow-svejsning med to loddepasta-udskrivning er vedtaget: en loddepasta-printning, en reflow, der ikke dækker QFN og bare chip, der udleder gassen i loddemetal;Den specifikke proces med sekundær loddepasta-udskrivning, patch og sekundær tilbagesvaling er vist i figur 13.
Når den 75μm tykke loddepasta udskrives første gang, slipper det meste af gassen i loddet uden spåndæksel ud fra overfladen, og tykkelsen efter tilbagesvaling er omkring 50μm.Efter afslutningen af den primære tilbagesvaling udskrives små firkanter på overfladen af det afkølede størknede loddemetal (for at reducere mængden af loddepasta, reducere mængden af gasspild, reducere eller eliminere loddesprøjt), og loddepastaen med en tykkelse på 50 μm (ovenstående testresultater viser, at 100 μm er det bedste, så tykkelsen af den sekundære udskrivning er 100 μm.50 μm=50 μm), installer derefter chippen, og returner derefter gennem 80 s.Der er næsten intet hul i loddemetal efter den første udskrivning og reflow, og loddepastaen i den anden udskrivning er lille, og svejsehullet er lille, som vist i figur 14.
Efter to tryk af loddepasta, hultegning
4.3 Verifikation af svejsehulrumseffekt
Produktion af 2000 produkter (tykkelsen af det første udskrivningsstålnet er 75 μm, tykkelsen af det andet udskrivningsstålnet er 50 μm), andre forhold uændret, tilfældig måling af 500 QFN og spånsvejsningskavitetshastighed, fandt, at den nye proces efter den første tilbagesvaling ingen kavitet, efter den anden tilbagesvaling QFN Den maksimale svejsehulrumsrate er 4,8 %, og den maksimale svejsehulrumsrate for chippen er 4,1 %.Sammenlignet med den originale single-paste print svejseproces og den DOE optimerede proces, er svejsehulrummet væsentligt reduceret, som vist i figur 15. Der blev ikke fundet spånrevner efter funktionstest af alle produkter.
5 Resumé
Optimering af loddepasta-udskrivningsmængde og tilbagesvalingstid kan reducere svejsehulområdet, men svejsehulrumshastigheden er stadig stor.Ved at bruge to loddepasta-udskrivning kan reflow-svejseteknikker effektivt og maksimere svejsekavitetshastigheden.Svejsearealet af QFN-kredsløbs-nøgne chip kan være henholdsvis 4,4 mm x 4,1 mm og 3,0 mm x 2,3 mm i masseproduktion. Kavitetshastigheden for reflow-svejsning kontrolleres under 5 %, hvilket forbedrer kvaliteten og pålideligheden af reflow-svejsning.Forskningen i dette papir giver en vigtig reference til forbedring af problemet med svejsehulrum ved svejseoverflader med store arealer.