SMT používa konvenčnú spájkovaciu pastu, analýzu a riešenie zváracích dutín s pretavením vzduchu (2023 Essence Edition), zaslúžite si to!
1 Úvod
V zostave dosky plošných spojov sa spájkovacia pasta najskôr vytlačí na spájkovaciu podložku dosky plošných spojov a potom sa pripevnia rôzne elektronické súčiastky. Nakoniec, po pretavovacej peci, sa cínové guľôčky v spájkovacej paste roztavia a všetky druhy elektronických komponentov a spájkovacia podložka dosky plošných spojov sa zvaria, aby sa zrealizovala montáž elektrických submodulov. Technológia povrchovej montáže (sMT) sa čoraz viac používa v baliacich produktoch s vysokou hustotou, ako sú balíky na úrovni systému (siP), zariadenia ballgridarray (BGA) a napájací holý čip, štvorcový plochý balík bez kolíkov (quad aatNo-lead, označovaný ako QFN ) zariadenie.
V dôsledku charakteristík procesu zvárania spájkovacej pasty a materiálov sa po pretavení týchto zariadení s veľkým spájkovacím povrchom vyskytnú otvory v oblasti zvárania spájkou, čo ovplyvní elektrické vlastnosti, tepelné vlastnosti a mechanické vlastnosti produktu. dokonca viesť k zlyhaniu produktu, preto sa zlepšenie pretavenia zváracej dutiny spájkovacej pasty stalo procesným a technickým problémom, ktorý sa musí vyriešiť, niektorí výskumníci analyzovali a študovali príčiny zváracej dutiny BGA spájkovacej gule a poskytli riešenia na zlepšenie konvenčnej spájky proces zvárania pretavením pasty zváracia oblasť QFN väčšia ako 10 mm2 alebo oblasť zvárania väčšia ako 6 mm2 riešenie s holým čipom chýba.
Na zlepšenie zvarového otvoru použite zváranie preformsolder a zváranie vákuovou refluxnou pecou. Prefabrikovaná spájka vyžaduje špeciálne vybavenie na bodovanie toku. Čip je napríklad odsadený a vážne naklonený po umiestnení čipu priamo na prefabrikovanú spájku. Ak je čip na pripevnenie tavidla pretavený a potom bodovaný, proces sa zvýši o dva pretavenia a náklady na prefabrikovanú spájku a tavivový materiál sú oveľa vyššie ako na spájkovaciu pastu.
Vákuové refluxné zariadenie je drahšie, vákuová kapacita nezávislej vákuovej komory je veľmi nízka, nákladový výkon nie je vysoký a problém rozstreku cínu je vážny, čo je dôležitý faktor pri aplikácii vysokej hustoty a malého rozstupu. produktov. V tomto dokumente, na základe konvenčného procesu zvárania pretavením spájkovacej pasty, je vyvinutý a zavedený nový proces sekundárneho zvárania pretavením na zlepšenie zváracej dutiny a vyriešenie problémov spájania a praskania plastových tesnení spôsobených zváracou dutinou.
2 Zváracia dutina a výrobný mechanizmus na pretavenie tlače spájkovacej pasty
2.1 Zváracia dutina
Po zváraní pretavením sa produkt testoval pod röntgenom. Zistilo sa, že otvory v zóne zvárania so svetlejšou farbou sú spôsobené nedostatočným spájkovaním vo vrstve zvárania, ako je znázornené na obrázku 1
Röntgenová detekcia bublinového otvoru
2.2 Mechanizmus tvorby zvarovej dutiny
Ako príklad použijeme spájkovaciu pastu sAC305, hlavné zloženie a funkcia sú uvedené v tabuľke 1. Guľôčky tavidla a cínu sú navzájom spojené do tvaru pasty. Hmotnostný pomer cínovej spájky k tavivu je približne 9:1 a objemový pomer je približne 1:1.
Potom, čo je spájkovacia pasta vytlačená a pripevnená rôznymi elektronickými komponentmi, podstúpi spájkovacia pasta štyri stupne predhrievania, aktivácie, refluxu a chladenia, keď prechádza cez spätnú pec. Stav spájkovacej pasty je tiež odlišný s rôznymi teplotami v rôznych fázach, ako je znázornené na obrázku 2.
Referenčný profil pre každú oblasť spájkovania pretavením
Vo fáze predhrievania a aktivácie sa prchavé zložky v toku v spájkovacej paste pri zahrievaní vyparia na plyn. Súčasne sa pri odstraňovaní oxidu na povrchu zváracej vrstvy budú produkovať plyny. Niektoré z týchto plynov sa vyparia a opustia spájkovaciu pastu a guľôčky spájky budú tesne kondenzované v dôsledku prchavosti taviva. Vo fáze spätného toku sa zostávajúce tavidlo v spájkovacej paste rýchlo odparí, cínové guľôčky sa roztopia, malé množstvo prchavého plynu taviva a väčšina vzduchu medzi cínovými guľôčkami sa včas nerozptýli a zvyšok v roztavený cín a pod napätím roztaveného cínu sú hamburgerovou sendvičovou štruktúrou a sú zachytené spájkovacou podložkou dosky plošných spojov a elektronickými súčiastkami a plyn zabalený v tekutom cíne je ťažké uniknúť iba vztlakom smerom nahor Horný čas tavenia je veľmi krátky. Keď roztavený cín vychladne a stane sa z neho pevný cín, vo vrstve zvárania sa objavia póry a vytvoria sa spájkovacie otvory, ako je znázornené na obrázku 3.
Schematický diagram dutiny generovanej zváraním pretavením spájkovacej pasty
Hlavnou príčinou vzniku zváracej dutiny je, že vzduch alebo prchavé plyny zabalené v spájkovacej paste po roztavení nie sú úplne vypustené. Ovplyvňujúce faktory zahŕňajú materiál spájkovacej pasty, tvar tlače spájkovacej pasty, množstvo tlače spájkovacej pasty, teplotu spätného toku, čas spätného toku, veľkosť zvárania, štruktúru atď.
3. Overenie ovplyvňujúcich faktorov pretavovacích zváracích otvorov tlače spájkovacej pasty
Testy QFN a holých čipov sa použili na potvrdenie hlavných príčin dutín po zváraní pretavením a na nájdenie spôsobov, ako zlepšiť medzery po zváraní po pretavení vytlačené spájkovacou pastou. Profil produktu QFN a spájkovacej pasty na holé čipy je znázornený na obrázku 4, veľkosť zváracej plochy QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, zvárací povrch je pocínovaná vrstva (100% čistý cín); Zváracia veľkosť holého čipu je 3,0 mm x 2,3 mm, zváracia vrstva je naprašovaná nikel-vanádiová bimetalová vrstva a povrchová vrstva je vanád. Zváracia podložka substrátu bola ponorená do bezprúdového niklovo-paládiového zlata a hrúbka bola 0,4 μm/0,06μm/0,04μm. Používa sa spájkovacia pasta SAC305, zariadenie na tlač spájkovacej pasty je DEK Horizon APix, zariadenie spätnej pece je BTUPyramax150N a röntgenové zariadenie je DAGExD7500VR.
QFN a výkresy zvárania holou trieskou
Aby sa uľahčilo porovnanie výsledkov testov, zváranie pretavením sa uskutočnilo za podmienok v tabuľke 2.
Tabuľka podmienok zvárania pretavením
Po dokončení povrchovej montáže a zvárania pretavením sa zváracia vrstva detegovala pomocou röntgenového žiarenia a zistilo sa, že v spodnej časti QFN a holého čipu boli veľké otvory vo zváracej vrstve, ako je znázornené na obrázku 5.
QFN a čipový hologram (röntgen)
Pretože veľkosť cínových guľôčok, hrúbka oceľovej siete, rýchlosť otvárania, tvar oceľovej siete, doba spätného toku a maximálna teplota pece ovplyvnia medzery po zváraní pretavením, existuje veľa ovplyvňujúcich faktorov, ktoré budú priamo overené testom DOE, a počet experimentálnych skupiny budú príliš veľké. Je potrebné rýchlo skrínovať a určiť hlavné ovplyvňujúce faktory pomocou korelačného porovnávacieho testu a potom ďalej optimalizovať hlavné ovplyvňujúce faktory pomocou DOE.
3.1 Rozmery spájkovacích otvorov a cínových guľôčok spájkovacej pasty
Pri teste spájkovacej pasty typu 3 (veľkosť guľôčok 25-45 μm) SAC305 zostávajú ostatné podmienky nezmenené. Po pretavení sa otvory vo vrstve spájky zmerajú a porovnajú so spájkovacou pastou typu 4. Zistilo sa, že otvory vo vrstve spájky sa medzi týmito dvoma druhmi spájkovacej pasty výrazne nelíšia, čo naznačuje, že spájkovacia pasta s rôznou veľkosťou guľôčok nemá zjavný vplyv na otvory vo vrstve spájky, čo nie je ovplyvňujúci faktor, ako je znázornené na obr. 6 Ako je znázornené.
Porovnanie otvorov pre kovový cín s rôznymi veľkosťami častíc
3.2 Hrúbka zvarovej dutiny a potlačenej oceľovej siete
Po pretavení bola meraná plocha dutiny zváranej vrstvy s potlačenou oceľovou sieťovinou s hrúbkou 50 μm, 100 μm a 125 μm a ostatné podmienky zostali nezmenené. Zistilo sa, že vplyv rozdielnej hrúbky oceľového pletiva (spájkovacej pasty) na QFN bol porovnaný s efektom tlačeného oceľového pletiva s hrúbkou 75 μm S narastajúcou hrúbkou oceľového pletiva sa plocha dutiny postupne pomaly zmenšuje. Po dosiahnutí určitej hrúbky (100 μm) sa oblasť dutiny obráti a začne sa zväčšovať so zvyšovaním hrúbky oceľovej siete, ako je znázornené na obrázku 7.
To ukazuje, že pri zvýšení množstva spájkovacej pasty je tekutý cín s refluxom pokrytý čipom a výstup zvyškového vzduchu je úzky len na štyroch stranách. Keď sa zmení množstvo spájkovacej pasty, zväčší sa aj výstup unikajúceho zvyškového vzduchu a okamžitý výbuch vzduchu obalený tekutým cínom alebo tekutým cínom unikajúcim prchavým plynom spôsobí striekanie tekutého cínu okolo QFN a čipu.
Test zistil, že so zväčšujúcou sa hrúbkou oceľového pletiva sa tiež zvýši prasknutie bubliny spôsobené únikom vzduchu alebo prchavých plynov a zodpovedajúcim spôsobom sa zvýši aj pravdepodobnosť striekania cínu okolo QFN a triesky.
Porovnanie otvorov v oceľovej sieti rôznej hrúbky
3.3 Pomer plochy zvarovej dutiny a otvoru oceľovej siete
Potlačená oceľová sieť s rýchlosťou otvárania 100%, 90% a 80% bola testovaná a ostatné podmienky zostali nezmenené. Po pretavení sa zmerala plocha dutiny zváranej vrstvy a porovnala sa s potlačenou oceľovou sieťovinou so 100% rýchlosťou otvárania. Zistilo sa, že za podmienok rýchlosti otvárania 100 % a 90 % 80 % nebol významný rozdiel v dutine zváranej vrstvy, ako je znázornené na obrázku 8.
Porovnanie dutín rôznych plôch otvorov rôznych oceľových sietí
3.4 Zváraná dutina a tlačený tvar oceľovej siete
Pri skúške tvaru tlače spájkovacej pasty pásu b a naklonenej mriežky c zostávajú ostatné podmienky nezmenené. Po pretavení sa zmeria plocha dutín zvarovej vrstvy a porovná sa s tlačovým tvarom mriežky a. Zistilo sa, že neexistuje žiadny významný rozdiel v dutine zvarovej vrstvy v podmienkach mriežky, pásu a naklonenej mriežky, ako je znázornené na obrázku 9.
Porovnanie otvorov v rôznych režimoch otvárania oceľovej siete
3.5 Zváracia dutina a doba refluxu
Po predĺženom skúške refluxného času (70 s, 80 s, 90 s) zostávajú ostatné podmienky nezmenené, otvor vo zvarovej vrstve bol meraný po refluxe a v porovnaní s dobou refluxu 60 s sa zistilo, že s nárastom čas spätného toku sa plocha zváracieho otvoru zmenšila, ale amplitúda znižovania sa postupne zmenšovala so zvyšujúcim sa časom, ako je znázornené na obrázku 10. To ukazuje, že v prípade nedostatočného času spätného toku zvýšenie času spätného toku vedie k úplnému pretečeniu vzduchu zabalené do roztaveného tekutého cínu, ale po predĺžení doby refluxu na určitý čas vzduch zabalený v tekutom cíne ťažko opäť pretečie. Doba spätného toku je jedným z faktorov ovplyvňujúcich zváraciu dutinu.
Neplatné porovnanie rôznych dĺžok refluxu
3.6 Zváracia dutina a špičková teplota pece
Pri skúške špičkovej teploty pece 240 ℃ a 250 ℃ a ostatných podmienkach nezmenených bola plocha dutiny zváranej vrstvy meraná po pretavení a v porovnaní so špičkovou teplotou pece 260 ℃ sa zistilo, že pri rôznych podmienkach špičkovej teploty pece sa dutina zváraná vrstva QFN a triesky sa výrazne nezmenili, ako je znázornené na obrázku 11. Ukazuje, že rozdielna špičková teplota pece nemá žiadny zjavný vplyv na QFN a otvor vo zvarovej vrstve triesky, čo nie je ovplyvňujúci faktor.
Neplatné porovnanie rôznych špičkových teplôt
Vyššie uvedené testy naznačujú, že významnými faktormi ovplyvňujúcimi dutinu zvarovej vrstvy QFN a triesku sú čas spätného toku a hrúbka oceľovej siete.
4 Zlepšenie zváracej dutiny na pretavenie tlače spájkovacej pasty
4.1 Test DOE na zlepšenie zváracej dutiny
Otvor vo zvarovej vrstve QFN a triesky bol vylepšený nájdením optimálnej hodnoty hlavných ovplyvňujúcich faktorov (čas spätného toku a hrúbka oceľovej siete). Spájkovacia pasta bola typu SAC3054, tvar oceľovej siete bol typu mriežky (100% stupeň otvorenia), maximálna teplota pece bola 260 °C a ostatné testovacie podmienky boli rovnaké ako podmienky testovacieho zariadenia. Test DOE a výsledky sú uvedené v tabuľke 3. Vplyvy hrúbky oceľovej siete a doby refluxu na QFN a otvory na zváranie trieskami sú znázornené na obrázku 12. Prostredníctvom interakčnej analýzy hlavných ovplyvňujúcich faktorov sa zistilo, že pri použití hrúbky oceľovej siete 100 μm a 80 s refluxný čas môže výrazne znížiť zváraciu dutinu QFN a čipu. Miera zvarovej dutiny QFN je znížená z maximálnych 27,8 % na 16,1 % a miera zvarovej dutiny čipu je znížená z maximálnych 20,5 % na 14,5 %.
V teste sa vyrobilo 1 000 produktov za optimálnych podmienok (hrúbka oceľového pletiva 100 μm, čas refluxu 80 s) a náhodne sa merala miera zvarovej dutiny 100 QFN a trieska. Priemerná miera zvarovej dutiny QFN bola 16,4 % a priemerná miera zvarovej dutiny čipu bola 14,7 %. Miera zvarovej dutiny čipu a čipu je zjavne znížená.
4.2 Nový proces zlepšuje zváraciu dutinu
Skutočná výrobná situácia a test ukazujú, že keď je plocha zvarovej dutiny v spodnej časti čipu menšia ako 10 %, problém s praskaním polohy dutiny čipu sa počas spájania a lisovania olova nevyskytne. Procesné parametre optimalizované DOE nemôžu spĺňať požiadavky na analýzu a riešenie dier pri konvenčnom zváraní spájkovacou pastou pretavením a veľkosť plochy zvarovej dutiny čipu musí byť ďalej znížená.
Pretože čip pokrytý spájkou bráni úniku plynu v spájke, počet otvorov v spodnej časti čipu sa ďalej zníži odstránením alebo znížením plynu potiahnutého spájkou. Prijal sa nový proces zvárania pretavením s tlačou dvoch spájkovacích pást: jedna tlač spájkovacej pasty, jedno pretavenie nepokrývajúce QFN a holý čip vypúšťajúci plyn do spájky; Špecifický proces tlače sekundárnej spájkovacej pasty, náplasti a sekundárneho refluxu je znázornený na obrázku 13.
Pri prvom vytlačení spájkovacej pasty s hrúbkou 75 μm väčšina plynu v spájke bez krytu čipu unikne z povrchu a hrúbka po refluxe je asi 50 μm. Po dokončení primárneho spätného toku sa na povrch vychladnutej stuhnutej spájky vytlačia malé štvorčeky (aby sa znížilo množstvo spájkovacej pasty, znížilo množstvo pretekajúceho plynu, znížilo sa alebo eliminovalo rozstrekovanie spájky) a spájkovacia pasta s hrúbku 50 μm (vyššie uvedené výsledky testu ukazujú, že 100 μm je najlepšia, takže hrúbka sekundárnej tlače je 100 μm. 50 μm=50 μm), potom nainštalujte čip a potom sa vráťte o 80 s. Po prvej tlači a pretavení nie je v spájke takmer žiadny otvor a spájkovacia pasta pri druhej tlači je malá a zvárací otvor je malý, ako je znázornené na obrázku 14.
Po dvoch výtlačkoch spájkovacej pasty, dutá kresba
4.3 Overenie efektu zvarovej dutiny
Výroba 2000 produktov (hrúbka prvej tlačovej oceľovej siete je 75 μm, hrúbka druhej tlačovej oceľovej siete je 50 μm), ostatné podmienky nezmenené, náhodné meranie 500 QFN a miera zvaru čipom, zistili, že nový proces po prvom refluxe žiadna dutina, po druhom refluxe QFN Maximálna miera zvarovej dutiny je 4,8 % a maximálna miera zvarovej dutiny čipu je 4,1 %. V porovnaní s pôvodným procesom zvárania s jednou pastou a optimalizovaným procesom DOE je zváracia dutina výrazne znížená, ako je znázornené na obrázku 15. Po funkčných testoch všetkých produktov sa nezistili žiadne praskliny od triesok.
5 Zhrnutie
Optimalizácia množstva tlače spájkovacej pasty a času spätného toku môže znížiť oblasť zvarovej dutiny, ale miera zvarovej dutiny je stále veľká. Použitie dvoch zváracích techník na pretavenie tlače spájkovacej pasty môže efektívne a maximalizovať rýchlosť zvárania. Plocha zvárania holého čipu obvodu QFN môže byť 4,4 mm x 4,1 mm a 3,0 mm x 2,3 mm v hromadnej výrobe. Miera dutín zvárania pretavením je kontrolovaná pod 5 %, čo zlepšuje kvalitu a spoľahlivosť zvárania pretavením. Výskum v tomto dokumente poskytuje dôležitý odkaz na zlepšenie problému zvarovej dutiny pri veľkoplošnom zváranom povrchu.
