1 Úvod
Pri zostavovaní dosky plošných spojov sa najprv na spájkovaciu plochu dosky plošných spojov nanesie spájkovacia pasta a potom sa pripevnia rôzne elektronické súčiastky. Nakoniec, po pretavovaní v peci, sa cínové guľôčky v spájkovacej paste roztavia a všetky druhy elektronických súčiastok a spájkovacia ploška dosky plošných spojov sa zvaria, aby sa dosiahla montáž elektrických submodulov. Technológia povrchovej montáže (SMT) sa čoraz viac používa v produktoch s vysokou hustotou balenia, ako sú napríklad systémové puzdrá (SiP), zariadenia s guľôčkovou mriežkou (BGA) a zariadenia s napájacím bare čipom, štvorcové ploché bezpinové puzdro (quad AA/No-lead, označované ako QFN).
Vzhľadom na charakteristiky procesu zvárania spájkovacou pastou a materiálov, po pretavení týchto zariadení s veľkou spájkovacou plochou sa v oblasti spájkovania vyskytnú otvory, ktoré ovplyvnia elektrické, tepelné a mechanické vlastnosti výrobku a dokonca povedú k jeho poruche. Preto sa zlepšenie dutiny pretavenia spájkovacej pasty stalo technickým problémom, ktorý je potrebné vyriešiť. Niektorí výskumníci analyzovali a študovali príčiny dutiny pre spájkované guľôčky BGA a poskytli riešenia na zlepšenie. Konvenčné riešenie pre pretavenie spájkovacej pasty pre holý čip s plochou QFN väčšou ako 10 mm2 alebo plochou zvárania väčšou ako 6 mm2 chýba.
Na zlepšenie zvarového otvoru použite zváranie preformovou spájkou a zváranie vo vákuovej refluxnej peci. Prefabrikovaná spájka vyžaduje špeciálne vybavenie na bodovanie tavidla. Napríklad, čip je po priamom umiestnení čipu na prefabrikovanú spájku výrazne odsadený a naklonený. Ak sa čip s tavidlom pretaví a potom boduje, proces sa dvakrát pretaví a náklady na prefabrikovanú spájku a tavidlo sú oveľa vyššie ako náklady na spájkovaciu pastu.
Vákuové refluxné zariadenia sú drahšie, vákuová kapacita nezávislej vákuovej komory je veľmi nízka, nákladová výkonnosť nie je vysoká a problém s rozstrekovaním cínu je vážny, čo je dôležitý faktor pri použití produktov s vysokou hustotou a malým rozstupom. V tomto článku je na základe konvenčného procesu zvárania pretavením spájkovacou pastou vyvinutý a zavedený nový proces sekundárneho zvárania pretavením na zlepšenie zváracej dutiny a riešenie problémov s praskaním spojov a plastových tesnení spôsobených zváracou dutinou.
2 Dutina na zváranie spájkovacou pastou a mechanizmus výroby
2.1 Zváracia dutina
Po zváraní pretavením bol výrobok testovaný röntgenom. Zistilo sa, že diery v zvarovej zóne so svetlejšou farbou boli spôsobené nedostatočným množstvom spájky vo zvarovej vrstve, ako je znázornené na obrázku 1.
Röntgenová detekcia bublinového otvoru
2.2 Mechanizmus vzniku zvarovej dutiny
Ako príklad uvádzame spájkovaciu pastu sAC305, ktorej hlavné zloženie a funkcia sú uvedené v tabuľke 1. Tavidlo a cínové guľôčky sú spojené do tvaru pasty. Hmotnostný pomer cínovej spájky k tavidlu je približne 9:1 a objemový pomer je približne 1:1.
Po nanesení a osadení spájkovacej pasty rôznymi elektronickými súčiastkami prechádza spájkovacia pasta cez refluxnú pec štyrmi fázami: predhrievaním, aktiváciou, refluxom a chladením. Stav spájkovacej pasty sa tiež líši v závislosti od teploty v rôznych fázach, ako je znázornené na obrázku 2.
Referenčný profil pre každú oblasť spájkovania pretavením
Vo fáze predhrievania a aktivácie sa prchavé zložky tavidla v spájkovacej paste pri zahrievaní odparia do plynu. Zároveň sa pri odstraňovaní oxidu z povrchu zvarovej vrstvy vytvárajú plyny. Časť týchto plynov sa odparí a opustí spájkovaciu pastu, pričom spájkovacie guľôčky sa v dôsledku odparovania tavidla pevne kondenzujú. Vo fáze refluxu sa zostávajúce tavidlo v spájkovacej paste rýchlo odparí, cínové guľôčky sa roztavia, malé množstvo prchavého plynu z tavidla a väčšina vzduchu medzi cínovými guľôčkami sa včas nerozptýlia a zvyšky v roztavenom cíne a pod napätím roztaveného cínu majú hamburgerovú sendvičovú štruktúru a sú zachytené spájkovacou podložkou dosky plošných spojov a elektronickými súčiastkami. Plyn obalený tekutým cínom sa ťažko uvoľňuje iba vztlakom smerom nahor. Horný čas tavenia je veľmi krátky. Keď roztavený cín ochladne a zmení sa na tuhý cín, vo zvarovej vrstve sa objavia póry a vytvoria sa spájkovacie otvory, ako je znázornené na obrázku 3.
Schematický diagram dutiny vytvorenej pri zváraní pretavením spájkovacej pasty
Hlavnou príčinou vzniku dutín vo zvare je to, že vzduch alebo prchavý plyn obalený v spájkovacej paste po roztavení nie je úplne odvedený. Medzi ovplyvňujúce faktory patrí materiál spájkovacej pasty, tvar nanesenej spájkovacej pasty, množstvo nanesenej spájkovacej pasty, teplota spätného toku, čas spätného toku, veľkosť zvaru, štruktúra atď.
3. Overenie ovplyvňujúcich faktorov pri tlači spájkovacej pasty a zváraní otvorov pretavením
Na potvrdenie hlavných príčin vzniku dutín po pretavení a na nájdenie spôsobov, ako zlepšiť dutiny po pretavení vytlačené spájkovacou pastou, boli použité testy QFN a testy spájkovanej pasty s holým trieskom. Profil produktu pre pretavenie spájkovanej pasty QFN a spájkovanej pasty s holým trieskom je znázornený na obrázku 4. Veľkosť zvarovej plochy QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, zvarová vrstva je pocínovaná (100 % čistý cín). Veľkosť zvarovej plochy s holým trieskom je 3,0 mm x 2,3 mm, zvarová vrstva je naprašovaná bimetalická vrstva nikel-vanád a povrchová vrstva je vanád. Zvarová podložka substrátu bola bezprúdovo nanesená zlatom nikel-paládiom a hrúbka bola 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Použitá bola spájkovacia pasta SAC305, zariadenie na tlač spájkovacej pasty je DEK Horizon APix, zariadenie na refluxnú pec je BTUPyramax150N a röntgenové zariadenie je DAGExD7500VR.
Výkresy zvárania QFN a holých triesok
Pre uľahčenie porovnania výsledkov testov sa vykonalo pretavovanie za podmienok uvedených v tabuľke 2.
Tabuľka podmienok reflow zvárania
Po dokončení povrchovej montáže a pretavovania bola zvarová vrstva detekovaná röntgenovým žiarením a zistilo sa, že v spodnej časti QFN a na holej trieske sa nachádzajú veľké otvory, ako je znázornené na obrázku 5.
QFN a čipový hologram (röntgen)
Keďže veľkosť cínových guľôčok, hrúbka oceľovej mriežky, rýchlosť otvorenia plochy, tvar oceľovej mriežky, čas varu a maximálna teplota pece ovplyvňujú dutiny po pretavení, existuje mnoho ovplyvňujúcich faktorov, ktoré budú priamo overené testom DOE, a počet experimentálnych skupín bude príliš veľký. Je potrebné rýchlo skríningovať a určiť hlavné ovplyvňujúce faktory pomocou porovnávacieho testu korelácie a potom ďalej optimalizovať hlavné ovplyvňujúce faktory pomocou DOE.
3.1 Rozmery spájkovacích otvorov a cínových guľôčok spájkovacej pasty
Pri teste spájkovacej pasty SAC305 typu 3 (veľkosť guľôčok 25 – 45 μm) zostávajú ostatné podmienky nezmenené. Po pretavení sa otvory v spájkovacej vrstve zmerajú a porovnajú so spájkovacou pastou typu 4. Zistilo sa, že otvory v spájkovacej vrstve sa medzi týmito dvoma druhmi spájkovacej pasty významne nelíšia, čo naznačuje, že spájkovacia pasta s rôznou veľkosťou guľôčok nemá zjavný vplyv na otvory v spájkovacej vrstve, čo nie je ovplyvňujúci faktor, ako je znázornené na obr. 6.
Porovnanie otvorov v kovovom cínovom prášku s rôznymi veľkosťami častíc
3.2 Hrúbka zvarovej dutiny a potlačenej oceľovej siete
Po pretavení bola plocha dutiny zvarovej vrstvy meraná s potlačenou oceľovou sieťovinou s hrúbkou 50 μm, 100 μm a 125 μm, pričom ostatné podmienky zostali nezmenené. Zistilo sa, že vplyv rôznej hrúbky oceľovej sieťoviny (spájkovacej pasty) na QFN bol porovnaný s vplyvom potlačenej oceľovej sieťoviny s hrúbkou 75 μm. So zvyšujúcou sa hrúbkou oceľovej sieťoviny sa plocha dutiny postupne pomaly zmenšuje. Po dosiahnutí určitej hrúbky (100 μm) sa plocha dutiny obráti a začne sa zväčšovať so zvyšujúcou sa hrúbkou oceľovej sieťoviny, ako je znázornené na obrázku 7.
Z toho vyplýva, že keď sa zvýši množstvo spájkovacej pasty, tekutý cín s refluxom je pokrytý čipom a výstup zvyškového vzduchu je úzky iba na štyroch stranách. Keď sa zmení množstvo spájkovacej pasty, výstup zvyškového vzduchu sa tiež zvýši a okamžitý výbuch vzduchu obaleného tekutým cínom alebo prchavého plynu unikajúceho z tekutého cínu spôsobí, že tekutý cín sa rozstrekne okolo QFN a čipu.
Test zistil, že so zvyšujúcou sa hrúbkou oceľovej sieťoviny sa zvyšuje aj prasknutie bublín spôsobené únikom vzduchu alebo prchavého plynu a zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje aj pravdepodobnosť rozstrekovania cínu okolo QFN a triesky.
Porovnanie otvorov v oceľovej sieti rôznej hrúbky
3.3 Pomer plôch zvarovej dutiny a otvoru oceľovej siete
Bola testovaná potlačená oceľová sieťovina s mierou otvorenia 100 %, 90 % a 80 %, pričom ostatné podmienky zostali nezmenené. Po pretavení bola zmeraná plocha dutiny zvarovej vrstvy a porovnaná s potlačenou oceľovou sieťovinou so 100 % mierou otvorenia. Zistilo sa, že za podmienok miery otvorenia 100 % a 90 % až 80 % nebol v dutine zvarovej vrstvy významný rozdiel, ako je znázornené na obrázku 8.
Porovnanie dutín rôznych plôch otvoru rôznych oceľových sietí
3.4 Zváraná dutina a tvar potlačenej oceľovej siete
Pri skúške tvaru tlače spájkovacej pasty pásika b a šikmej mriežky c zostávajú ostatné podmienky nezmenené. Po pretavení sa zmeria plocha dutiny zvarovej vrstvy a porovná sa s tvarom tlače mriežky a. Zistilo sa, že v dutine zvarovej vrstvy nie je významný rozdiel za podmienok mriežky, pásika a šikmej mriežky, ako je znázornené na obrázku 9.
Porovnanie otvorov v rôznych režimoch otvárania oceľovej siete
3.5 Zváracia dutina a čas refluxu
Po skúške s predĺženým časom refluxu (70 s, 80 s, 90 s), pričom ostatné podmienky zostali nezmenené, sa po refluxe meral otvor v zvarovej vrstve a v porovnaní s časom refluxu 60 s sa zistilo, že so zvyšujúcim sa časom refluxu sa plocha zvarového otvoru zmenšovala, ale amplitúda zmenšenia sa postupne znižovala so zvyšujúcim sa časom, ako je znázornené na obrázku 10. To ukazuje, že v prípade nedostatočného času refluxu vedie zvýšenie času refluxu k úplnému pretečeniu vzduchu obaleného roztaveným tekutým cínom, ale po predĺžení času refluxu na určitý čas je ťažké vzduch obalený tekutým cínom opäť pretiecť. Čas refluxu je jedným z faktorov ovplyvňujúcich zvarovú dutinu.
Neplatné porovnanie rôznych dĺžok refluxu
3.6 Zváracia dutina a maximálna teplota pece
Pri skúške maximálnej teploty pece 240 ℃ a 250 ℃ a ostatných nezmenených podmienkach sa po pretavení merala plocha dutiny zvarovej vrstvy a v porovnaní s maximálnou teplotou pece 260 ℃ sa zistilo, že pri rôznych podmienkach maximálnej teploty pece sa dutina zvarovej vrstvy QFN a triesky významne nezmenila, ako je znázornené na obrázku 11. Ukazuje sa, že rôzne maximálne teploty pece nemajú zjavný vplyv na QFN a otvor vo zvarovej vrstve triesky, čo nie je ovplyvňujúci faktor.
Neplatné porovnanie rôznych maximálnych teplôt
Vyššie uvedené testy naznačujú, že významnými faktormi ovplyvňujúcimi dutinu zvarovej vrstvy QFN a triesku sú čas refluxu a hrúbka oceľovej sieťoviny.
4 Zlepšenie dutiny pre zváranie pretavením spájkovacej pasty
4.1 Skúška DOE na zlepšenie zvarovej dutiny
Otvor v zvarovej vrstve QFN a triesky bol vylepšený nájdením optimálnej hodnoty hlavných ovplyvňujúcich faktorov (čas spätného toku a hrúbka oceľovej sieťky). Spájkovacia pasta bola SAC305 typu4, tvar oceľovej sieťky bol mriežkový (100 % stupeň otvorenia), maximálna teplota pece bola 260 ℃ a ostatné testovacie podmienky boli rovnaké ako pri testovacom zariadení. Test DOE a výsledky sú uvedené v tabuľke 3. Vplyv hrúbky oceľovej sieťky a času spätného toku na zvarové otvory QFN a triesky je znázornený na obrázku 12. Prostredníctvom interakčnej analýzy hlavných ovplyvňujúcich faktorov sa zistilo, že použitie hrúbky oceľovej sieťky 100 μm a času spätného toku 80 s môže výrazne znížiť zvarovú dutinu QFN a triesky. Miera zvarovej dutiny QFN sa znížila z maximálnych 27,8 % na 16,1 % a miera zvarovej dutiny triesky sa znížila z maximálnych 20,5 % na 14,5 %.
V teste bolo vyrobených 1000 produktov za optimálnych podmienok (hrúbka oceľovej mriežky 100 μm, čas refluxu 80 s) a náhodne sa merala miera zvarových dutín 100 QFN a triesky. Priemerná miera zvarových dutín QFN bola 16,4 % a priemerná miera zvarových dutín triesky bola 14,7 %. Miera zvarových dutín triesky a triesky sa zjavne znížila.
4.2 Nový proces zlepšuje zváraciu dutinu
Skutočná výrobná situácia a testy ukazujú, že ak je plocha zvarovej dutiny v spodnej časti čipu menšia ako 10 %, problém s praskaním v polohe dutiny čipu sa počas spájania a tvarovania vývodov nevyskytne. Parametre procesu optimalizované DOE nedokážu splniť požiadavky na analýzu a riešenie otvorov pri konvenčnom zváraní pretavením spájkovacej pasty a je potrebné ďalej znížiť plochu zvarovej dutiny čipu.
Keďže čip pokrytý spájkou zabraňuje úniku plynu v spájke, počet otvorov v spodnej časti čipu sa ďalej znižuje elimináciou alebo znížením množstva plynu pokryté spájkou. Používa sa nový proces pretavovania s dvoma spôsobmi tlače spájkovacej pasty: jedna tlač spájkovacej pasty, jedna pretavovacia metóda bez pokrytia QFN a holý čip s vypúšťaním plynu v spájke. Konkrétny proces sekundárnej tlače spájkovacej pasty, záplaty a sekundárneho refluxu je znázornený na obrázku 13.
Pri prvej tlači spájkovacej pasty s hrúbkou 75 μm väčšina plynu v spájke bez krytu triesky uniká z povrchu a hrúbka po refluxe je približne 50 μm. Po dokončení primárneho refluxu sa na povrch ochladenej stuhnutej spájky vytlačia malé štvorce (aby sa znížilo množstvo spájkovacej pasty, znížilo množstvo pretečenia plynu, znížilo alebo eliminovalo rozstrekovanie spájky) a spájkovacia pasta s hrúbkou 50 μm (vyššie uvedené výsledky testov ukazujú, že 100 μm je najlepšia hrúbka, takže hrúbka sekundárnej tlače je 100 μm. 50 μm = 50 μm), potom sa nainštaluje čip a potom sa po 80 sekundách vráti späť. Po prvej tlači a pretavení v spájke nie je takmer žiadny otvor a spájkovacia pasta pri druhej tlači je malá a zvarový otvor je malý, ako je znázornené na obrázku 14.
Po dvoch výtlačkoch spájkovacej pasty, dutý výkres
4.3 Overenie vplyvu zvarovej dutiny
Výroba 2000 produktov (hrúbka prvej tlačovej oceľovej sieťoviny je 75 μm, hrúbka druhej tlačovej oceľovej sieťoviny je 50 μm), ostatné podmienky nezmenené, náhodné meranie 500 QFN a miery dutín zvárania triesok zistilo, že nový proces po prvom refluxe nemá dutinu, po druhom refluxe QFN je maximálna miera dutín zvárania 4,8 % a maximálna miera dutín zvárania triesky je 4,1 %. V porovnaní s pôvodným procesom zvárania s jednou pastou a procesom optimalizovaným DOE je dutina zvárania výrazne znížená, ako je znázornené na obrázku 15. Po funkčných testoch všetkých produktov sa nezistili žiadne praskliny v trieskach.
5 Zhrnutie
Optimalizácia množstva nanášanej spájkovacej pasty a času refluxu môže znížiť plochu zvarovej dutiny, ale miera zvarovej dutiny je stále veľká. Použitie dvoch techník nanášania spájkovacej pasty a reflow zvárania môže efektívne maximalizovať mieru zvarovej dutiny. Zvarová plocha holého čipu QFN obvodu môže byť pri hromadnej výrobe 4,4 mm x 4,1 mm a 3,0 mm x 2,3 mm. Miera zvarovej dutiny reflow zvárania je kontrolovaná pod 5 %, čo zlepšuje kvalitu a spoľahlivosť reflow zvárania. Výskum v tomto článku poskytuje dôležitý odkaz na zlepšenie problému zvarovej dutiny s veľkou plochou zvarového povrchu.
Čas uverejnenia: 5. júla 2023
