1 Uvod
U sklopu sklopne ploče, pasta za lemljenje se prvo štampa na pločici za lemljenje, a zatim se postavljaju različite elektronske komponente. Konačno, nakon reflow peći, limene perle u pasti za lemljenje se tope i sve vrste elektronskih komponenti i lemna podloga na ploči se zavaruju zajedno kako bi se realizirala montaža električnih podmodula. površinska tehnologija (sMT) se sve više koristi u proizvodima za pakovanje visoke gustine, kao što su paketi na nivou sistema (siP), ballgridarray (BGA) uređaji i power bare čip, kvadratni ravni paket bez iglica (quad aatNo-lead, koji se naziva QFN ) uređaj.
Zbog karakteristika procesa zavarivanja pastom za lemljenje i materijala, nakon zavarivanja reflow ovih uređaja velike površine lemljenja, u zoni zavarivanja lemom će se pojaviti rupe, što će uticati na električna svojstva, termička svojstva i mehanička svojstva proizvoda Performanse i čak i dovesti do kvara proizvoda, stoga je poboljšanje šupljine zavarivanja reflow paste za lemljenje postalo proces i tehnički problem koji se mora riješiti, neki istraživači su analizirali i proučavali uzroke BGA šupljine za zavarivanje lemne kugle i pružili rješenja za poboljšanje, konvencionalni lem Zavarivanje pastom povratnim zavarivanjem površina zavarivanja QFN veća od 10 mm2 ili površina zavarivanja veća od 6 mm2 nedostaje rješenje za goli čip.
Koristite zavarivanje predformiranim lemljenjem i zavarivanje u vakuum peći za refluks da poboljšate rupu za zavarivanje. Prefabricirani lem zahtijeva posebnu opremu za usmjeravanje fluksa. Na primjer, čip je pomaknut i ozbiljno nagnut nakon što se čip postavi direktno na prefabrikovani lem. Ako je čip za montažu fluksa reflow, a zatim točka, proces se povećava za dva povrata, a cijena montažnog lema i materijala za fluks je mnogo veća od paste za lemljenje.
Oprema za vakuumski refluks je skuplja, kapacitet vakuuma nezavisne vakuumske komore je vrlo nizak, performanse troškova nisu visoke, a problem prskanja lima je ozbiljan, što je važan faktor u primjeni visoko gustog i malog koraka proizvodi. U ovom radu, baziran na konvencionalnom postupku zavarivanja reflow pastom za lemljenje, razvijen je i uveden novi sekundarni proces zavarivanja povratnim zavarivanjem kako bi se poboljšala šupljina zavarivanja i riješili problemi vezanja i pucanja plastične zaptivke uzrokovane šupljinom zavarivanja.
2 Šupljina za zavarivanje i proizvodni mehanizam za ispis lemne paste
2.1 Šupljina za zavarivanje
Nakon zavarivanja povratnim strujanjem, proizvod je testiran pod rendgenskim zrakama. Utvrđeno je da su rupe u zoni zavarivanja svjetlije boje nastale zbog nedovoljnog lema u sloju zavarivanja, kao što je prikazano na slici 1.
Rendgenska detekcija mehuraste rupe
2.2 Mehanizam formiranja šupljine za zavarivanje
Uzimajući sAC305 pastu za lemljenje kao primjer, glavni sastav i funkcija prikazani su u Tabeli 1. Zrnca fluksa i kalaja su spojeni zajedno u obliku paste. Omjer težine kalajnog lema i fluksa je oko 9:1, a omjer volumena je oko 1:1.
Nakon što se pasta za lemljenje odštampa i montira raznim elektronskim komponentama, pasta za lemljenje će proći kroz četiri faze predgrijavanja, aktivacije, refluksa i hlađenja kada prođe kroz refluksnu peć. Stanje paste za lemljenje je takođe različito sa različitim temperaturama u različitim fazama, kao što je prikazano na slici 2.
Referenca profila za svako područje ponovnog lemljenja
U fazi predgrijavanja i aktivacije, hlapljive komponente u fluksu u pasti za lemljenje će se prilikom zagrijavanja pretvoriti u plin. Istovremeno će se proizvoditi plinovi kada se ukloni oksid na površini sloja za zavarivanje. Neki od ovih plinova će se ispariti i ostaviti pastu za lemljenje, a zrnca lemljenja će se čvrsto kondenzirati zbog isparenja fluksa. U fazi refluksa, preostali fluks u pasti za lemljenje brzo će ispariti, limene perle će se istopiti, mala količina isparljivog plina fluksa i većina zraka između limenih kuglica neće biti raspršena na vrijeme, a ostatak u rastopljeni lim i pod zatezanjem rastopljenog kalaja su hamburger sendvič strukture i hvataju ih pločica za lemljenje i elektronske komponente, a plin omotan u tekući kalaj teško je pobjeći samo uzlaznom silom. Gornje vrijeme topljenja je vrlo kratko. Kada se rastopljeni kalaj ohladi i postane čvrst kalaj, pojavljuju se pore u sloju zavarivanja i formiraju se rupe za lemljenje, kao što je prikazano na slici 3.
Šematski dijagram praznine nastale zavarivanjem povratnim zavarivanjem pastom za lemljenje
Osnovni uzrok šupljine zavarivanja je taj što zrak ili isparljivi plin omotan u pastu za lemljenje nakon topljenja nije potpuno ispušten. Faktori koji utiču uključuju materijal paste za lemljenje, oblik štampe paste za lemljenje, količinu štampe paste za lemljenje, temperaturu refluksa, vreme refluksa, veličinu zavarivanja, strukturu i tako dalje.
3. Provjera utjecajnih faktora otvora za zavarivanje povratnim zavarivanjem pastom za lemljenje
QFN i testovi golog čipa korišteni su da se potvrde glavni uzroci šupljina zavarivanja povratnim strujanjem i da se pronađu načini za poboljšanje šupljina zavarivanja povratnim strujanjem štampanih pastom za lemljenje. Profil proizvoda za zavarivanje QFN i golim čipom lemne paste je prikazan na slici 4, veličina površine zavarivanja QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, površina za zavarivanje je kalajisani sloj (100% čisti kalaj); Veličina zavarivanja golog čipa je 3,0 mm x 2,3 mm, sloj za zavarivanje je raspršeni nikl-vanadijum bimetalni sloj, a površinski sloj je vanadijum. Podloga za zavarivanje podloge bila je elektrobez nikl-paladij utapana u zlato, a debljina je bila 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Koristi se pasta za lemljenje SAC305, oprema za štampanje paste za lemljenje je DEK Horizon APix, oprema za refluks peći je BTUPyramax150N, a rendgenska oprema je DAGExD7500VR.
QFN i crteži zavarivanja golim čipom
Kako bi se olakšalo poređenje rezultata ispitivanja, zavarivanje povratnim strujanjem izvedeno je pod uslovima iz Tabele 2.
Tabela stanja zavarivanja povratnim strujanjem
Nakon što je završena površinska montaža i zavarivanje povratnim strujanjem, sloj zavarivanja je detektovan rendgenskim zračenjem i ustanovljeno je da postoje velike rupe u sloju za zavarivanje na dnu QFN-a i goli čip, kao što je prikazano na slici 5.
QFN i Chip Hologram (rendgenski snimak)
Budući da će veličina limene perle, debljina čelične mreže, brzina otvaranja, oblik čelične mreže, vrijeme refluksa i vršna temperatura peći utjecati na šupljine zavarivanja povratnim strujanjem, postoji mnogo faktora koji utječu, koji će biti direktno potvrđeni DOE testom, i broj eksperimentalnih grupe će biti prevelike. Potrebno je brzo pregledati i odrediti glavne faktore uticaja kroz test poređenja korelacije, a zatim dalje optimizovati glavne faktore uticaja kroz DOE.
3.1 Dimenzije rupa za lemljenje i limenih perli od paste za lemljenje
Kod tipa 3 (veličina kuglice 25-45 μm) SAC305 test paste za lemljenje, ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni. Nakon reflow, rupe u sloju lemljenja se mjere i upoređuju sa pastom za lemljenje tipa 4. Utvrđeno je da se rupe u sloju lemljenja ne razlikuju značajno između dvije vrste paste za lemljenje, što ukazuje da pasta za lemljenje različite veličine zrna nema očitog utjecaja na rupe u sloju lemljenja, što nije utjecajni faktor, kao što je prikazano na Sl. 6 Kao što je prikazano.
Poređenje rupa od metalnog limenog praha s različitim veličinama čestica
3.2 Debljina šupljine za zavarivanje i štampane čelične mreže
Nakon reflow, površina šupljine zavarenog sloja je mjerena štampanom čeličnom mrežom debljine 50 μm, 100 μm i 125 μm, a ostali uvjeti su ostali nepromijenjeni. Utvrđeno je da je učinak različite debljine čelične mreže (lemne paste) na QFN uspoređen s efektom 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 preokrenuti i početi se povećavati s povećanjem debljine čelične mreže, kao što je prikazano na slici 7.
Ovo pokazuje da kada se poveća količina paste za lemljenje, tekući kalaj sa refluksom je prekriven čipom, a izlaz zaostalog vazduha je uzak samo sa četiri strane. Kada se promijeni količina paste za lemljenje, izlaz preostalog zraka za bijeg se također povećava, a trenutni nalet zraka umotanog u tečni kalaj ili isparljivi plin koji izlazi iz tekućeg kalaja će uzrokovati da tečni kalaj prska oko QFN-a i čipa.
Test je utvrdio da će se povećanjem debljine čelične mrežice povećati i pucanje mjehurića uzrokovano izlaskom zraka ili isparljivog plina, a shodno tome će se povećati i vjerovatnoća prskanja kalaja oko QFN-a i strugotine.
Usporedba rupa u čeličnoj mreži različite debljine
3.3 Odnos površina šupljine za zavarivanje i otvora čelične mreže
Testirana je štampana čelična mreža sa stepenom otvaranja od 100%, 90% i 80%, a ostali uslovi su ostali nepromenjeni. Nakon reflow, površina šupljine zavarenog sloja je izmjerena i upoređena sa štampanom čeličnom mrežom sa stopom otvaranja od 100%. Utvrđeno je da nema značajne razlike u šupljini zavarenog sloja u uslovima brzine otvaranja od 100% i 90% 80%, kao što je prikazano na slici 8.
Poređenje šupljina različitih površina otvora različitih čeličnih mreža
3.4 Zavarena šupljina i štampani oblik čelične mreže
Sa testom oblika štampanja paste za lemljenje trake b i nagnute mreže c, ostali uslovi ostaju nepromenjeni. Nakon reflow, površina šupljine sloja za zavarivanje se mjeri i upoređuje sa štampanim oblikom mreže a. Utvrđeno je da nema značajne razlike u šupljini zavarenog sloja u uslovima rešetke, trake i kosih rešetki, kao što je prikazano na slici 9.
Usporedba rupa u različitim načinima otvaranja čelične mreže
3.5 Šupljina zavarivanja i vrijeme refluksa
Nakon produženog refluksnog testa (70 s, 80 s, 90 s), ostali uvjeti ostaju nepromijenjeni, rupa u sloju zavarivanja je izmjerena nakon refluksa, a u poređenju sa vremenom refluksa od 60 s, utvrđeno je da s povećanjem vrijeme refluksa, površina rupe za zavarivanje se smanjila, ali se amplituda redukcije postepeno smanjivala s produžavanjem vremena, kao što je prikazano na slici 10. Ovo pokazuje da u slučaju nedovoljnog vremena refluksa, povećanje vremena refluksa pogoduje potpunom prelivu zraka umotan u rastopljeni tečni kalaj, ali nakon što se vrijeme refluksa poveća na određeno vrijeme, zrak umotan u tekući kalaj teško se ponovo prelijeva. Vrijeme refluksa je jedan od faktora koji utječu na šupljinu zavarivanja.
Neispravno poređenje različitih dužina vremena refluksa
3.6 Šupljina zavarivanja i vršna temperatura peći
Sa testom vršne temperature peći od 240 ℃ i 250 ℃ i ostalim uslovima nepromijenjenim, površina šupljine zavarenog sloja je izmjerena nakon povratnog toka, a u poređenju sa vršnom temperaturom peći od 260 ℃, utvrđeno je da pod različitim vršnim temperaturnim uvjetima peći, šupljina zavareni sloj QFN i strugotine nije se značajno promijenio, kao što je prikazano na slici 11. To pokazuje da različita vršna temperatura peći nema očigledan utjecaj na QFN i rupu u sloju za zavarivanje strugotine, što nije utjecajni faktor.
Neispravno poređenje različitih vršnih temperatura
Gore navedeni testovi pokazuju da su značajni faktori koji utiču na šupljinu zavarenog sloja QFN-a i strugotine vrijeme refluksa i debljina čelične mreže.
4 Poboljšanje šupljine za zavarivanje zavarivanjem pomoću paste za lemljenje
4.1DOE test za poboljšanje šupljine zavarivanja
Otvor u sloju za zavarivanje QFN-a i strugotine poboljšan je pronalaženjem optimalne vrijednosti glavnih faktora utjecaja (vrijeme refluksa i debljina čelične mreže). Pasta za lemljenje je bila SAC305 tip 4, oblik čelične mreže je bio rešetkastog tipa (100% stepen otvaranja), vršna temperatura peći je bila 260 ℃, a ostali uslovi ispitivanja bili su isti kao oni za ispitnu opremu. DOE test i rezultati prikazani su u Tabeli 3. Utjecaji debljine čelične mreže i vremena refluksa na QFN i rupe za zavarivanje strugotine prikazani su na slici 12. Analizom interakcija glavnih faktora utjecaja, utvrđeno je da korištenjem debljine čelične mreže od 100 μm i vrijeme refluksa od 80 s može značajno smanjiti zavarenu šupljinu QFN-a i čipa. Stopa zavarenih šupljina QFN je smanjena sa maksimalnih 27,8% na 16,1%, a stopa zavarenih šupljina čipa je smanjena sa maksimalnih 20,5% na 14,5%.
U testu je proizvedeno 1000 proizvoda u optimalnim uvjetima (debljina čelične mreže 100 μm, vrijeme refluksa 80 s), a nasumično je mjerena brzina šupljine zavarivanja od 100 QFN i strugotine. Prosječna stopa zavarenih šupljina QFN bila je 16,4%, a prosječna stopa šupljine za zavarivanje čipa je bila 14,7%.
4.2 Novi proces poboljšava šupljinu zavarivanja
Stvarna proizvodna situacija i test pokazuju da kada je površina šupljine za zavarivanje na dnu čipa manja od 10%, problem pucanja u položaju šupljine čipa neće se pojaviti tokom spajanja olova i oblikovanja. Parametri procesa optimizovani od strane DOE ne mogu da zadovolje zahteve analize i rešavanja rupa u konvencionalnom zavarivanju pastom za lemljenje povratnim tokom, a stopa površine šupljine za zavarivanje čipa treba dodatno da se smanji.
Budući da čip prekriven lemom sprječava izlazak plina iz lema, brzina otvora na dnu čipa se dodatno smanjuje eliminacijom ili smanjenjem plina obloženog lemom. Usvojen je novi proces zavarivanja povratnim tokom sa dva štampanja paste za lemljenje: jedno štampanje pastom za lemljenje, jedno reflow koji ne pokriva QFN i goli čip koji ispušta gas u lemu; Specifičan proces štampanja sekundarne paste za lemljenje, zakrpa i sekundarnog refluksa prikazan je na slici 13.
Kada se prvi put štampa pasta za lemljenje debljine 75 μm, većina gasa u lemu bez poklopca čipa izlazi sa površine, a debljina nakon refluksa je oko 50 μm. Nakon završenog primarnog refluksa, na površinu ohlađenog očvrslog lema štampaju se mali kvadrati (kako bi se smanjila količina paste za lemljenje, smanjila količina prelivanja gasa, smanjila ili eliminisala prskanje lema), a pasta za lemljenje sa debljine 50 μm (gore navedeni rezultati ispitivanja pokazuju da je 100 μm najbolje, pa je debljina sekundarnog otiska 100 μm.50 μm=50 μm), zatim ugradite čip, a zatim vratite kroz 80 s. Gotovo da nema rupe u lemu nakon prvog štampanja i ponovnog prelijevanja, a pasta za lemljenje u drugom ispisu je mala, a rupa za zavarivanje je mala, kao što je prikazano na slici 14.
Nakon dva otiska paste za lemljenje, šuplji crtež
4.3 Provjera efekta šupljine zavarivanja
Proizvodnja 2000 proizvoda (debljina prve tiskarske čelične mreže je 75 μm, debljina druge tiskarske čelične mreže je 50 μm), ostali uvjeti nepromijenjeni, nasumično mjerenje 500 QFN i brzina zavarivanja čipova, utvrdilo je da je novi proces nakon prvog refluksa nema šupljine, nakon drugog refluksa QFN Maksimalna stopa zavarenih šupljina je 4,8%, a maksimalna stopa šupljine za zavarivanje čipa je 4,1%. U poređenju sa originalnim procesom zavarivanja sa štampanjem sa jednom pastom i postupkom optimizovanim za DOE, šupljina za zavarivanje je značajno smanjena, kao što je prikazano na slici 15. Nakon funkcionalnih testova svih proizvoda nisu pronađene pukotine od strugotine.
5 Rezime
Optimizacija količine ispisa paste za lemljenje i vremena refluksa može smanjiti površinu šupljine za zavarivanje, ali je stopa šupljine za zavarivanje i dalje velika. Korištenje dvije tehnike zavarivanja povratnim zavarivanjem pomoću paste za lemljenje može efikasno i maksimalno povećati stopu šupljina za zavarivanje. Površina zavarivanja golog čipa QFN kola može biti 4,4 mm x 4,1 mm i 3,0 mm x 2,3 mm u masovnoj proizvodnji. Stopa šupljina zavarivanja povratnim strujanjem je kontrolirana ispod 5%, što poboljšava kvalitet i pouzdanost zavarivanja povratnim strujanjem. Istraživanje u ovom radu daje važnu referencu za poboljšanje problema šupljina zavarivanja velike površine zavarivanja.
Vrijeme objave: Jul-05-2023
