1 Uvod
Prilikom sastavljanja tiskane ploče, lemna pasta se prvo tiska na lemnu pločicu tiskane ploče, a zatim se pričvršćuju različite elektroničke komponente. Konačno, nakon reflow peći, limene kuglice u lemnoj pasti se tope i sve vrste elektroničkih komponenti i lemna pločica tiskane ploče se zavaruju kako bi se ostvarila montaža električnih podmodula. Tehnologija površinske montaže (SMT) sve se više koristi u proizvodima za pakiranje visoke gustoće, kao što su sistemska pakiranja (siP), uređaji s kugličnim gridarrayom (BGA) i uređaji s golim čipom, kvadratnim ravnim bezpinskim pakiranjem (quad AA/No-lead, nazvani QFN).
Zbog karakteristika procesa zavarivanja lemnom pastom i materijala, nakon reflow zavarivanja ovih uređaja s velikom površinom lema, u području zavarivanja lemom će se pojaviti rupe, što će utjecati na električna, toplinska i mehanička svojstva proizvoda. Performanse, pa čak i dovesti do kvara proizvoda. Stoga je poboljšanje šupljine za zavarivanje reflow pastom postalo procesni i tehnički problem koji se mora riješiti. Neki istraživači su analizirali i proučavali uzroke šupljine za zavarivanje kuglica lemom BGA i ponudili rješenja za poboljšanje. Nedostaje rješenje za konvencionalni proces zavarivanja reflow pastom za lemljenje s površinom zavarivanja QFN većom od 10 mm2 ili površinom zavarivanja većom od 6 mm2 za goli čip.
Za poboljšanje zavarene rupe koristite zavarivanje preformnim lemom i zavarivanje u vakuumskoj refluksnoj peći. Prefabricirani lem zahtijeva posebnu opremu za nanošenje fluksa. Na primjer, čip je ozbiljno pomaknut i nagnut nakon što se čip postavi izravno na prefabricirani lem. Ako se čip za montažu fluksa pretapa, a zatim pretapa, proces se udvostručuje, a trošak prefabriciranog lema i fluksa je mnogo veći od cijene paste za lemljenje.
Oprema za vakuumsko refluksiranje je skuplja, vakuumski kapacitet neovisne vakuumske komore je vrlo nizak, isplativost nije visoka, a problem prskanja kositra je ozbiljan, što je važan čimbenik u primjeni proizvoda visoke gustoće i malog koraka. U ovom radu, na temelju konvencionalnog postupka zavarivanja reflow pastom za lemljenje, razvijen je i uveden novi sekundarni postupak zavarivanja reflow pastom kako bi se poboljšala šupljina za zavarivanje i riješili problemi lijepljenja i pucanja plastičnog brtvila uzrokovanog šupljinom za zavarivanje.
2 Tisak paste za lemljenje, reflow šupljina za zavarivanje i mehanizam proizvodnje
2.1 Šupljina za zavarivanje
Nakon reflow zavarivanja, proizvod je ispitan pod rendgenskim zrakama. Utvrđeno je da su rupe u zoni zavarivanja sa svjetlijom bojom posljedica nedovoljne količine lema u sloju zavarivanja, kao što je prikazano na slici 1.
Rendgenska detekcija rupe u mjehuriću
2.2 Mehanizam formiranja zavarivačke šupljine
Uzimajući pastu za lemljenje sAC305 kao primjer, glavni sastav i funkcija prikazani su u Tablici 1. Fluks i kositrene kuglice su spojene u oblik paste. Težinski omjer kositrenog lema i fluksa je oko 9:1, a volumski omjer je oko 1:1.
Nakon što je lemna pasta otisnuta i montirana s raznim elektroničkim komponentama, ona će proći kroz refluksnu peć u četiri faze: predgrijavanje, aktivaciju, refluks i hlađenje. Stanje lemne paste također se razlikuje 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 fluksu u lemnoj pasti će se ispariti u plin prilikom zagrijavanja. Istovremeno, plinovi će se proizvoditi kada se ukloni oksid s površine sloja zavarivanja. Neki od tih plinova će ispariti i napustiti lemnu pastu, a lemne kuglice će se čvrsto kondenzirati zbog isparavanja fluksa. U fazi refluksa, preostali fluks u lemnoj pasti će brzo ispariti, kositrene kuglice će se otopiti, mala količina hlapljivog plina fluksa i većina zraka između kositrenih kuglica neće se na vrijeme raspršiti, a ostatak u rastaljenom kositru i pod napetošću rastaljenog kositra ima strukturu hamburger sendviča i hvata se lemnom pločicom na ploči i elektroničkim komponentama, a plin omotan tekućim kositrom teško je izaći samo uzlaznim djelovanjem. Gornje vrijeme taljenja je vrlo kratko. Kada se rastaljeni kositar ohladi i postane čvrsti kositar, u sloju zavarivanja pojavljuju se pore i formiraju se lemne rupe, kao što je prikazano na slici 3.
Shematski dijagram praznine nastale zavarivanjem reflow pastom za lemljenje
Osnovni uzrok šupljine za zavarivanje je taj što se zrak ili hlapljivi plin omotan u lemnoj pasti nakon taljenja ne ispušta u potpunosti. Utjecajni čimbenici uključuju materijal lemne paste, oblik ispisa lemne paste, količinu ispisa lemne paste, temperaturu refluksa, vrijeme refluksa, veličinu zavara, strukturu i tako dalje.
3. Provjera utjecajnih faktora na rupe za zavarivanje reflow pastom za lemljenje
QFN i ispitivanja bez iverja korišteni su za potvrdu glavnih uzroka šupljina nastalih reflow zavarivanjem i za pronalaženje načina za poboljšanje šupljina nastalih reflow zavarivanjem otisnutih pastom za lemljenje. Profil proizvoda za reflow zavarivanje s QFN i pastom za lemljenje bez iverja prikazan je na slici 4. Veličina površine zavarivanja QFN-om je 4,4 mm x 4,1 mm, površina zavarivanja je pokositreni sloj (100% čisti kositar); Veličina zavarivanja bez iverja je 3,0 mm x 2,3 mm, sloj zavarivanja je raspršeni nikal-vanadij bimetalni sloj, a površinski sloj je vanadij. Podloga za zavarivanje podloge bila je bezstrujno nanesena uranjanjem u zlato nikal-paladij, a debljina je bila 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Korištena je pasta za lemljenje SAC305, oprema za tiskanje paste za lemljenje je DEK Horizon APix, oprema za refluksnu peć je BTUPyramax150N, a rendgenska oprema je DAGExD7500VR.
Crteži zavarivanja QFN i bez iverja
Radi lakše usporedbe rezultata ispitivanja, zavarivanje reflowom provedeno je pod uvjetima u Tablici 2.
Tablica uvjeta zavarivanja reflowom
Nakon što su završeni površinska montaža i reflow zavarivanje, sloj zavara je detektiran rendgenskim zrakama i utvrđeno je da postoje velike rupe u sloju zavara na dnu QFN-a i golog strugotine, kao što je prikazano na slici 5.
QFN i čip hologram (rendgenski)
Budući da veličina limenih perli, debljina čelične mrežice, brzina otvaranja, oblik čelične mrežice, vrijeme refluksa i vršna temperatura peći utječu na šupljine kod zavarivanja reflowom, postoji mnogo utjecajnih čimbenika koji će se izravno provjeriti DOE testom, a broj eksperimentalnih skupina bit će prevelik. Potrebno je brzo pregledati i odrediti glavne utjecajne čimbenike putem testa korelacijske usporedbe, a zatim dodatno optimizirati glavne utjecajne čimbenike putem DOE testa.
3.1 Dimenzije rupa za lemljenje i kositrenih kuglica paste za lemljenje
Kod ispitivanja paste za lemljenje SAC305 tipa 3 (veličina kuglica 25-45 μm), ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni. Nakon ponovnog taljenja, 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 na to da pasta za lemljenje s različitom veličinom kuglica nema očigledan utjecaj na rupe u sloju lema, što nije utjecajni faktor, kao što je prikazano na slici 6.
Usporedba rupica metalnog kositrenog praha s različitim veličinama čestica
3.2 Debljina zavarivanja i tiskane čelične mreže
Nakon ponovnog zavarivanja, površina šupljine zavarenog sloja izmjerena je s tiskanom čeličnom mrežom debljine 50 μm, 100 μm i 125 μm, a ostali uvjeti ostali su nepromijenjeni. Utvrđeno je da je učinak različite debljine čelične mreže (pasti za lemljenje) na QFN uspoređen s utjecajem tiskane čelične mreže debljine 75 μm. Kako se debljina čelične mreže povećava, površina šupljine postupno se smanjuje. Nakon postizanja određene debljine (100 μm), površina šupljine će se preokrenuti 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 preostalog zraka je uzak samo na četiri strane. Kada se promijeni količina paste za lemljenje, izlaz preostalog zraka se također povećava, a trenutni izljev zraka omotanog tekućim kositrom ili hlapljivog plina koji izlazi iz tekućeg kositra uzrokovat će prskanje tekućeg kositra oko QFN-a i čipa.
Ispitivanje je pokazalo da se s povećanjem debljine čelične mreže povećava i pucanje mjehurića uzrokovano izlaskom zraka ili hlapljivog plina, a vjerojatnost prskanja kositra oko QFN-a i čipa također će se odgovarajuće povećati.
Usporedba rupa u čeličnoj mreži različite debljine
3.3 Omjer površina zavarivačke šupljine i otvora čelične mreže
Testirana je tiskana čelična mreža s brzinom otvaranja od 100%, 90% i 80%, a ostali uvjeti ostali su nepromijenjeni. Nakon ponovnog zavarivanja, izmjerena je površina šupljine zavarenog sloja i uspoređena s tiskanom čeličnom mrežom sa brzinom otvaranja od 100%. Utvrđeno je da nema 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 oblik tiskane čelične mreže
Kod ispitivanja oblika ispisa lemne paste trake b i kosog rešetkastog profila c, ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni. Nakon ponovnog taljenja, površina šupljine zavarenog sloja mjeri se i uspoređuje s oblikom ispisa rešetke a. Utvrđeno je da nema značajne razlike u šupljini zavarenog sloja pod uvjetima rešetke, trake i kosog rešetkastog profila, kao što je prikazano na slici 9.
Usporedba rupa u različitim načinima otvaranja čelične mreže
3.5 Šupljina zavarivanja i vrijeme refluksa
Nakon ispitivanja produljenog vremena refluksa (70 s, 80 s, 90 s), ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni, rupa u sloju zavara izmjerena je nakon refluksa i u usporedbi s vremenom refluksa od 60 s, utvrđeno je da se s povećanjem vremena refluksa površina rupe za zavarivanje smanjuje, ali se amplituda smanjenja postupno smanjuje s povećanjem vremena, kao što je prikazano na slici 10. To pokazuje da u slučaju nedovoljnog vremena refluksa, povećanje vremena refluksa pogoduje potpunom prelijevanju zraka omotanog 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.
Nevažeća usporedba različitih duljina vremena refluksa
3.6 Šupljina za zavarivanje i vršna temperatura peći
S ispitivanjem vršne temperature peći od 240 ℃ i 250 ℃ i ostalim nepromijenjenim uvjetima, površina šupljine zavarenog sloja izmjerena je nakon ponovnog taljenja i u usporedbi s vršnom temperaturom peći od 260 ℃ utvrđeno je da se pod različitim uvjetima vršne temperature peći, šupljina zavarenog sloja QFN i strugotine nije značajno promijenila, kao što je prikazano na slici 11. Slika pokazuje da različite vršne temperature peći nemaju očigledan utjecaj na QFN i rupu u sloju zavara strugotine, što nije utjecajni faktor.
Nevažeća usporedba različitih vršnih temperatura
Gornja ispitivanja pokazuju da su značajni čimbenici koji utječu na šupljinu zavarenog sloja QFN-a i krhotine vrijeme refluksa i debljina čelične mreže.
4 Poboljšanje šupljine za zavarivanje reflowom i tiskanjem lemne paste
4.1 DOE test za poboljšanje zavarivanja
Rupa u sloju zavarivanja QFN-a i strugotine poboljšana je pronalaženjem optimalne vrijednosti glavnih utjecajnih čimbenika (vrijeme refluksa i debljina čelične mrežice). Lemna pasta bila je SAC305 tipa 4, oblik čelične mrežice bio je tipa rešetke (100% stupanj otvaranja), vršna temperatura peći bila je 260 ℃, a ostali uvjeti ispitivanja bili su isti kao i kod ispitne opreme. DOE ispitivanje i rezultati prikazani su u Tablici 3. Utjecaji debljine čelične mrežice i vremena refluksa na QFN i rupe za zavarivanje strugotine prikazani su na Slici 12. Analizom interakcije glavnih utjecajnih čimbenika utvrđeno je da korištenje debljine čelične mrežice od 100 μm i vremena refluksa od 80 s može značajno smanjiti šupljinu zavarivanja 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 stopa šupljina zavarivanja od 100 QFN i strugotine. Prosječna stopa šupljina zavarivanja QFN bila je 16,4%, a prosječna stopa šupljina zavarivanja strugotine bila je 14,7%. Stopa šupljina zavarivanja strugotine i strugotine je očito smanjena.
4.2 Novi postupak poboljšava šupljinu za zavarivanje
Stvarna proizvodna situacija i ispitivanje 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 oblikovanja elektroda. Parametri procesa koje je optimizirao DOE ne mogu zadovoljiti zahtjeve analize i rješavanja rupa u konvencionalnom zavarivanju reflow pastom za lemljenje, te je potrebno dodatno smanjiti površinu šupljine za zavarivanje čipa.
Budući da čip prekriven lemom sprječava izlazak plina iz lema, stopa rupa na dnu čipa dodatno se smanjuje uklanjanjem ili smanjenjem plina prekrivenog lemom. Usvojen je novi postupak reflow zavarivanja s dva načina ispisa paste za lem: jedan ispis paste za lem, jedan reflow koji ne pokriva QFN i goli čip koji ispušta plin u lem; Specifičan postupak sekundarnog ispisa paste za lem, zakrpe i sekundarnog refluksa prikazan je na slici 13.
Kada se prvi put otiskuje pasta za lem debljine 75 μm, većina plina u lemu bez poklopca čipa izlazi s površine, a debljina nakon refluksa je oko 50 μm. Nakon završetka primarnog refluksa, na površinu ohlađenog stvrdnutog lema otiskuju se mali kvadratići (kako bi se smanjila količina paste za lem, smanjilo prelijevanje plina, smanjilo ili uklonilo prskanje lema), a pasta za lem debljine 50 μm (gore navedeni rezultati ispitivanja pokazuju da je 100 μm najbolja, pa je debljina sekundarnog otiska 100 μm. 50 μm = 50 μm), zatim se ugrađuje čip, a zatim se vraća nakon 80 sekundi. Nakon prvog otiska i ponovnog nanošenja gotovo da nema rupe u lemu, a pasta za lem u drugom otiska je mala i rupa za zavarivanje je mala, kao što je prikazano na slici 14.
Nakon dva otisaka paste za lemljenje, šuplji crtež
4.3 Provjera učinka šupljine zavarivanja
Proizvodnja 2000 proizvoda (debljina prve čelične mreže za tiskanje je 75 μm, debljina druge čelične mreže za tiskanje je 50 μm), ostali uvjeti nepromijenjeni, nasumično mjerenje 500 QFN i stope šupljina zavarivanja strugotine, pokazalo je da novi proces nakon prvog refluksa nema šupljina, nakon drugog refluksa QFN maksimalna stopa šupljina zavarivanja je 4,8%, a maksimalna stopa šupljina zavarivanja strugotine je 4,1%. U usporedbi s originalnim procesom zavarivanja s jednom pastom za tiskanje i DOE optimiziranim procesom, šupljina zavarivanja je značajno smanjena, kao što je prikazano na slici 15. Nakon funkcionalnih ispitivanja svih proizvoda nisu pronađene pukotine od strugotine.
5 Sažetak
Optimizacija količine ispisa lemne paste i vremena refluksa može smanjiti površinu šupljine za zavarivanje, ali stopa šupljine za zavarivanje je i dalje velika. Korištenjem dvije tehnike ispisa lemne paste i zavarivanja reflowom može se učinkovito maksimizirati stopa šupljine za zavarivanje. Površina 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 reflowom zavarivanja kontrolira se ispod 5%, što poboljšava kvalitetu i pouzdanost reflow zavarivanja. Istraživanje u ovom radu pruža važnu referencu za poboljšanje problema šupljine za zavarivanje velike površine zavarivanja.
Vrijeme objave: 05.07.2023.
