1 Uvod
U sklopu sklopovske ploče, pasta za lemljenje se prvo tiska na podlogu za lemljenje tiskane ploče, a zatim se pričvršćuju razne elektroničke komponente. Konačno, nakon peći za reflow, zrnca kositra u pasti za lemljenje se tope, a sve vrste elektroničkih komponenti i ploča za lemljenje sklopne ploče zavaruju se zajedno kako bi se ostvario sklop električnih podmodula. tehnologija površinske montaže (sMT) sve se više koristi u proizvodima za pakiranje visoke gustoće, kao što su paket na razini sustava (siP), uređaji s kugličnom rešetkom (BGA) i energetski goli čip, kvadratni ravni paket bez pinova (quad aatNo-lead, koji se naziva QFN ) uređaj.
Zbog karakteristika procesa zavarivanja paste za lemljenje i materijala, nakon zavarivanja reflowom ovih uređaja s velikom površinom za lemljenje, bit će rupa u području zavarivanja za lemljenje, što će utjecati na električna svojstva, toplinska svojstva i mehanička svojstva proizvoda, performansi i čak dovesti do kvara proizvoda, stoga, za poboljšanje šupljine za zavarivanje reflowom lemne paste postao je procesni i tehnički problem koji se mora riješiti, neki su istraživači analizirali i proučavali uzroke šupljine za zavarivanje BGA lemne kuglice i pružili rješenja za poboljšanje, konvencionalni lem proces zavarivanja paste reflow područje zavarivanja QFN veće od 10 mm2 ili područje zavarivanja veće od 6 mm2 nedostaje rješenje za goli čip.
Upotrijebite zavarivanje preformiranim lemljenjem i zavarivanje u vakuumskoj refluksnoj peći za poboljšanje otvora za zavarivanje. Prefabricirano lemljenje zahtijeva posebnu opremu za usmjeravanje fluksa. Na primjer, čip je pomaknut i ozbiljno nagnut nakon što je čip postavljen izravno na montažni lem. Ako je čip za montažu fluksa reflow, a zatim točka, proces se povećava za dva reflowa, a trošak montažnog lemljenja i materijala za fluks puno je veći od paste za lemljenje.
Vakuumska refluksna oprema je skuplja, vakuumski kapacitet neovisne vakuumske komore je vrlo nizak, troškovna učinkovitost nije visoka, a problem prskanja kositra je ozbiljan, što je važan čimbenik u primjeni velike gustoće i malog koraka proizvoda. U ovom radu, na temelju konvencionalnog procesa zavarivanja reflowom paste za lemljenje, razvijen je i uveden novi sekundarni postupak reflow zavarivanja kako bi se poboljšala šupljina zavarivanja i riješili problemi lijepljenja i pucanja plastične brtve uzrokovane šupljinom zavarivanja.
2 Šupljina za reflow zavarivanje i proizvodni mehanizam za ispis paste za lemljenje
2.1 Šupljina za zavarivanje
Nakon reflow zavarivanja, proizvod je ispitan rendgenskim zrakama. Utvrđeno je da rupe u zoni zavarivanja svjetlije boje nastaju zbog nedovoljne količine lema u sloju zavarivanja, kao što je prikazano na slici 1
Rentgenska detekcija mjehurićne rupe
2.2 Mehanizam formiranja šupljine za zavarivanje
Uzimajući sAC305 pastu za lemljenje kao primjer, glavni sastav i funkcija prikazani su u tablici 1. Topitelj i kositrene kuglice međusobno su spojene u obliku paste. Omjer težine kositrenog lema i topitelja je oko 9:1, a omjer volumena je oko 1:1.
Nakon što je pasta za lemljenje otisnuta i montirana s različitim elektroničkim komponentama, pasta za lemljenje proći će kroz četiri stupnja predgrijavanja, aktivacije, refluksa i hlađenja kada prolazi kroz refluksnu peć. Stanje paste za lemljenje također je različito s različitim temperaturama u različitim fazama, kao što je prikazano na slici 2.
Referenca profila za svako područje reflow lemljenja
U fazi predgrijavanja i aktivacije, hlapljive komponente u topilu u pasti za lemljenje bit će isparene u plin kada se zagriju. Istodobno će se stvarati plinovi kada se ukloni oksid s površine zavarenog sloja. Neki od tih plinova će ispariti i napustiti pastu za lemljenje, a zrnca lema će biti čvrsto kondenzirana zbog isparavanja fluksa. U fazi refluksa, preostali fluks u pasti za lemljenje brzo će ispariti, zrnca kositra će se rastopiti, mala količina hlapljivog plina fluksa i većina zraka između zrna kositra neće se raspršiti na vrijeme, a ostatak u rastaljeni kositar i pod pritiskom rastaljenog kositra imaju strukturu hamburger sendviča i zahvaćeni su lemnom pločicom i elektroničkim komponentama, a plinu omotanom u tekućem kositru teško je izaći samo uzgonom prema gore. Gornje vrijeme topljenja je vrlo kratak. Kada se rastaljeni kositar ohladi i postane čvrsti kositar, u zavarenom sloju se pojavljuju pore i formiraju se rupe za lemljenje, kao što je prikazano na slici 3.
Shematski dijagram šupljina koje nastaju reflow zavarivanjem lemnom pastom
Glavni uzrok šupljine pri zavarivanju je taj što zrak ili hlapljivi plin umotan u pastu za lemljenje nakon taljenja nije u potpunosti ispušten. Utjecajni čimbenici uključuju materijal paste za lemljenje, oblik ispisa paste za lemljenje, količinu ispisa paste za lemljenje, temperaturu refluksa, vrijeme refluksa, veličinu zavarivanja, strukturu i tako dalje.
3. Provjera čimbenika utjecaja na rupe za reflow zavarivanje ispisa lemne paste
QFN i testovi golih strugotina korišteni su kako bi se potvrdili glavni uzroci šupljina kod zavarivanja reflowom i kako bi se pronašli načini za poboljšanje šupljina kod zavarivanja reflowom tiskanih pastom za lemljenje. Profil proizvoda za zavarivanje QFN i paste za lemljenje s golim čipom prikazan je na slici 4, veličina površine za zavarivanje QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, površina za zavarivanje je pokositreni sloj (100% čisti kositar); Veličina golog čipa za zavarivanje je 3,0 mm x 2,3 mm, zavareni sloj je raspršeni nikal-vanadij bimetalni sloj, a površinski sloj je vanadij. Podloga za zavarivanje supstrata bila je bez elektroličkog umakanja nikal-paladij zlatom, a debljina je bila 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Koristi se pasta za lemljenje SAC305, oprema za ispis paste za lemljenje je DEK Horizon APix, oprema za refluksnu peć je BTUPyramax150N, a oprema za rendgen je DAGExD7500VR.
QFN i nacrti zavarivanja golih strugotina
Kako bi se olakšala usporedba rezultata ispitivanja, zavarivanje pretapanjem je izvedeno pod uvjetima u tablici 2.
Tablica uvjeta reflow zavarivanja
Nakon dovršetka površinske montaže i reflow zavarivanja, zavareni sloj detektiran je rendgenskim zrakama i otkriveno je da postoje velike rupe u zavarenom sloju na dnu QFN i golog čipa, kao što je prikazano na slici 5.
QFN i hologram čipa (rendgenski snimak)
Budući da će veličina perle kositra, debljina čelične mreže, stopa otvaranja površine, oblik čelične mreže, vrijeme refluksa i vršna temperatura peći utjecati na praznine kod zavarivanja reflowom, postoji mnogo utjecajnih čimbenika, koji će biti izravno potvrđeni testom DOE, a broj eksperimentalnih grupe će biti prevelike. Potrebno je brzo pregledati i odrediti glavne čimbenike utjecaja putem testa usporedbe korelacije, a zatim dodatno optimizirati glavne čimbenike utjecaja putem DOE.
3.1 Dimenzije rupa za lemljenje i kositrenih kuglica lemne paste
Uz tip3 (veličina zrna 25-45 μm) SAC305 test paste za lemljenje, ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni. Nakon reflowa, rupe u sloju lema se mjere i uspoređuju s pastom za lemljenje tipa 4. Utvrđeno je da se rupe u sloju lema ne razlikuju značajno između dvije vrste paste za lemljenje, što ukazuje da pasta za lemljenje s različitom veličinom kuglica nema očigledan utjecaj na rupe u sloju lema, što nije faktor utjecaja, kao što je prikazano na Sl. 6 Kao što je prikazano.
Usporedba rupa od metalnog kositrenog praha s različitim veličinama čestica
3.2 Debljina šupljine za zavarivanje i tiskane čelične mreže
Nakon reflowa izmjerena je površina šupljine zavarenog sloja tiskanom čeličnom mrežom debljine 50 μm, 100 μm i 125 μm, a ostali su uvjeti ostali nepromijenjeni. Utvrđeno je da je učinak različite debljine čelične mreže (pasta za lemljenje) na QFN uspoređen s učinkom tiskane čelične mreže debljine 75 μm Kako se debljina čelične mreže povećava, površina šupljine postupno se polako smanjuje. Nakon postizanja određene debljine (100 μm), površina šupljine će se obrnuti i početi povećavati s povećanjem debljine čelične mreže, kao što je prikazano na slici 7.
To pokazuje da kada se poveća količina paste za lemljenje, tekući kositar s refluksom je prekriven čipom, a izlaz zaostalog zraka je uzak samo na četiri strane. Kada se promijeni količina paste za lemljenje, izlaz zaostalog zraka također se povećava, a trenutni izljev zraka omotanog u tekući kositar ili hlapljivi plin koji izlazi iz tekućeg kositra uzrokovat će prskanje tekućeg kositra oko QFN-a i čipa.
Testom je utvrđeno da će se s povećanjem debljine čelične mreže povećati i pucanje mjehurića uzrokovano ispuštanjem zraka ili hlapljivog plina, a vjerojatnost prskanja kositra oko QFN-a i strugotine također će se povećati u skladu s tim.
Usporedba rupa u čeličnoj mreži različitih debljina
3.3 Omjer površine šupljine za zavarivanje i otvora čelične mreže
Ispitana je tiskana čelična mreža sa stupnjem otvaranja od 100%, 90% i 80%, a ostali uvjeti su ostali nepromijenjeni. Nakon reflowa, površina šupljine zavarenog sloja je izmjerena i uspoređena s tiskanom čeličnom mrežom sa stopom otvaranja od 100%. Utvrđeno je da nije bilo značajne razlike u šupljini zavarenog sloja pod uvjetima brzine otvaranja od 100% i 90% 80%, kao što je prikazano na slici 8.
Usporedba šupljina različitih površina otvora različitih čeličnih mreža
3.4 Zavarena šupljina i tiskani oblik čelične mreže
Uz test oblika tiska paste za lemljenje trake b i nagnute mreže c, ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni. Nakon reflowa, površina šupljine zavarenog sloja se mjeri i uspoređuje s tiskanim oblikom rešetke a. Utvrđeno je da nema značajne razlike u šupljini zavarenog sloja u uvjetima rešetke, trake i nagnute rešetke, kao što je prikazano na slici 9.
Usporedba rupa kod različitih načina otvaranja čelične mreže
3.5 Šupljina za zavarivanje i vrijeme refluksa
Nakon produljenog vremena refluksa (70 s, 80 s, 90 s), drugi uvjeti ostaju nepromijenjeni, rupa u zavarenom sloju izmjerena je nakon refluksa i u usporedbi s vremenom refluksa od 60 s, utvrđeno je da s povećanjem vrijeme refluksa, površina otvora za zavarivanje se smanjila, ali amplituda smanjenja postupno se smanjivala s povećanjem vremena, kao što je prikazano na slici 10. To pokazuje da u slučaju nedovoljnog vremena refluksa povećanje vremena refluksa pogoduje punom protoku zraka omotan rastaljenim tekućim kositrom, ali nakon što se vrijeme refluksa poveća na određeno vrijeme, zrak omotan tekućim kositrom teško se ponovno prelijeva. Vrijeme refluksa jedan je od čimbenika koji utječu na šupljinu zavarivanja.
Prazna usporedba različitih duljina vremena refluksa
3.6 Šupljina za zavarivanje i vršna temperatura peći
Uz ispitivanje vršne temperature peći od 240 ℃ i 250 ℃ i ostale nepromijenjene uvjete, površina šupljine zavarenog sloja izmjerena je nakon reflowa i u usporedbi s vršnom temperaturom peći od 260 ℃, utvrđeno je da pod različitim uvjetima vršne temperature peći, šupljina zavareni sloj QFN-a i čipa nije se značajno promijenio, kao što je prikazano na slici 11. Ona pokazuje da različita vršna temperatura peći nema očigledan učinak na QFN i rupu u zavarenom sloju čipa, što nije faktor utjecaja.
Prazna usporedba različitih vršnih temperatura
Gore navedena ispitivanja pokazuju da su značajni čimbenici koji utječu na šupljinu zavarenog sloja QFN-a i strugotine vrijeme refluksa i debljina čelične mreže.
4 Poboljšanje šupljine za zavarivanje ispisom paste za lemljenje
4.1DOE test za poboljšanje šupljine zavarivanja
Rupa u zavarenom sloju QFN-a i strugotine poboljšana je pronalaženjem optimalne vrijednosti glavnih utjecajnih čimbenika (vrijeme refluksa i debljina čelične mreže). Lemna pasta bila je SAC305 tip 4, oblik čelične mreže bio je rešetkasti (100% stupanj otvaranja), vršna temperatura peći bila je 260 ℃, a ostali ispitni uvjeti bili su isti kao oni za ispitnu opremu. DOE test i rezultati prikazani su u tablici 3. Utjecaji debljine čelične mreže i vremena refluksa na QFN i otvore za zavarivanje strugotine prikazani su na slici 12. Analizom međudjelovanja glavnih utjecajnih čimbenika utvrđeno je da korištenje čelične mreže debljine 100 μm i 80 s vrijeme refluksa može značajno smanjiti šupljinu za zavarivanje QFN-a i strugotine. Stopa šupljine zavarivanja QFN-a smanjena je s maksimalnih 27,8% na 16,1%, a stopa šupljine zavarivanja strugotine smanjena je s maksimalnih 20,5% na 14,5%.
U testu je proizvedeno 1000 proizvoda pod optimalnim uvjetima (debljina čelične mreže 100 μm, vrijeme refluksa 80 s), a nasumično je izmjerena brzina zavarivanja od 100 QFN i strugotine. Prosječna stopa šupljine zavarivanja QFN bila je 16,4%, a prosječna stopa šupljine zavarivanja strugotine bila je 14,7%. Stopa šupljine zavarivanja strugotine i strugotine očito je smanjena.
4.2 Novi postupak poboljšava šupljinu zavarivanja
Stvarna proizvodna situacija i test pokazuju da kada je površina šupljine za zavarivanje na dnu čipa manja od 10%, problem pucanja položaja šupljine čipa neće se pojaviti tijekom spajanja i kalupljenja olova. Parametri procesa koje je optimizirao DOE ne mogu ispuniti zahtjeve za analizu i rješavanje rupa u konvencionalnom zavarivanju reflowom pomoću paste za lemljenje, a stopa površine šupljine za zavarivanje čipa mora se dodatno smanjiti.
Budući da čip prekriven lemom sprječava ispuštanje plina u lemu, stopa rupa na dnu čipa dodatno se smanjuje eliminacijom ili smanjenjem plina obloženog lemom. Usvojen je novi postupak reflow zavarivanja s dva ispisa paste za lemljenje: jedan ispis paste za lemljenje, jedan reflow koji ne pokriva QFN i goli čip koji ispušta plin u lemu; Specifični proces tiskanja sekundarne paste za lemljenje, zakrpe i sekundarnog refluksa prikazan je na slici 13.
Kada se pasta za lemljenje debljine 75 μm prvi put otisne, većina plina u lemu bez pokrova čipa izlazi s površine, a debljina nakon refluksa je oko 50 μm. Nakon završetka primarnog refluksa, na površinu ohlađenog skrutnutog lema ispisuju se kvadratići (kako bi se smanjila količina paste za lemljenje, smanjila količina prelijevanja plina, smanjilo ili uklonilo prskanje lemom), a pasta za lemljenje s debljine 50 μm (gornji rezultati ispitivanja pokazuju da je 100 μm najbolji, tako da je debljina sekundarnog ispisa 100 μm. 50 μm=50 μm), zatim instalirajte čip, a zatim se vratite kroz 80 s. Gotovo da nema rupe u lemljenju nakon prvog ispisa i pretapanja, a pasta za lemljenje u drugom ispisu je mala, a rupa za zavarivanje je mala, kao što je prikazano na slici 14.
Nakon dva ispisa lemne paste, šuplji crtež
4.3 Provjera učinka šupljine zavarivanja
Proizvodnja 2000 proizvoda (debljina čelične mreže za prvi ispis je 75 μm, debljina čelične mreže za drugi ispis je 50 μm), ostali uvjeti nepromijenjeni, nasumično mjerenje od 500 QFN i stopa šupljine za zavarivanje strugotine, pokazalo je da novi postupak nakon prvog refluksa nema šupljine, nakon drugog refluksa QFN Maksimalna stopa šupljine zavarivanja je 4,8%, a maksimalna stopa šupljine zavarivanja čipa je 4,1%. U usporedbi s izvornim postupkom zavarivanja tiskanjem jednim tijestom i DOE optimiziranim postupkom, šupljina zavarivanja je značajno smanjena, kao što je prikazano na slici 15. Nakon funkcionalnih ispitivanja svih proizvoda nisu pronađene pukotine.
5 Sažetak
Optimizacija količine ispisa paste za lemljenje i vremena refluksa može smanjiti područje šupljine zavarivanja, ali je stopa šupljine zavarivanja još uvijek velika. Korištenje dvije tehnike reflow zavarivanja ispisom paste za lemljenje može učinkovito i maksimizirati stopu šupljine zavarivanja. Područje zavarivanja golog čipa QFN kruga može biti 4,4 mm x 4,1 mm odnosno 3,0 mm x 2,3 mm u masovnoj proizvodnji. Stopa šupljine kod zavarivanja pretapanjem je kontrolirana ispod 5%, što poboljšava kvalitetu i pouzdanost zavarivanja pretapanjem. Istraživanje u ovom radu pruža važnu referencu za poboljšanje problema šupljine za zavarivanje velike površine zavarivanja.
Vrijeme objave: 5. srpnja 2023
