SMT koristi konvencionalnu analizu i rješenje za šupljine za zavarivanje reflowom zraka (2023 Essence Edition), zaslužili ste to!
1 Uvod
Prilikom sastavljanja štampane ploče, pasta za lemljenje se prvo štampa na lemnu površinu štampane ploče, a zatim se pričvršćuju različite elektronske komponente. Konačno, nakon reflow peći, limene kuglice u pasti za lemljenje se tope i sve vrste elektronskih komponenti i lemna površina štampane ploče se zavaruju kako bi se ostvarila montaža električnih podmodula. Tehnologija površinske montaže (SMT) se sve više koristi u proizvodima za pakovanje visoke gustine, kao što su sistemska pakovanja (siP), uređaji sa kugličnim mrežastim priključkom (BGA) i uređaji sa golim čipom, kvadratnim ravnim bezpinskim pakovanjem (quad AA/No-lead, nazvanim QFN).
Zbog karakteristika procesa zavarivanja lemnom pastom i materijala, nakon reflow zavarivanja ovih uređaja s velikom površinom lemljenja, u području zavarivanja lemljenjem će se pojaviti rupe, što će utjecati na električna, termička 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 lemljenja 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.
Koristite zavarivanje prefabrikovanim lemom i zavarivanje u vakuumskoj refluksnoj peći za poboljšanje zavarenog otvora. Prefabrikovani lem zahtijeva posebnu opremu za isticanje fluksa. Na primjer, čip je ozbiljno pomaknut i nagnut nakon što se čip postavi direktno na prefabrikovani lem. Ako se čip za montažu fluksa prvo reflow-uje, a zatim se zašilji, proces se udvostručuje, a cijena prefabrikovanog lema i fluksa je mnogo veća od cijene paste za lemljenje.
Oprema za vakuumsko refluksiranje je skuplja, vakuumski kapacitet nezavisne vakuumske komore je vrlo nizak, isplativost nije visoka, a problem prskanja kalaja je ozbiljan, što je važan faktor u primjeni proizvoda visoke gustoće i malog koraka. U ovom radu, na osnovu konvencionalnog postupka zavarivanja reflow pastom za lemljenje, razvijen je i uveden novi postupak sekundarnog reflow zavarivanja kako bi se poboljšala šupljina za zavarivanje i riješili problemi lijepljenja i pucanja plastičnog zaptivanja uzrokovanog šupljinom za zavarivanje.
2 Šupljina za zavarivanje reflow pastom za štampanje i mehanizam proizvodnje
2.1 Šupljina za zavarivanje
Nakon reflow zavarivanja, proizvod je ispitan rendgenskim zracima. Utvrđeno je da su rupe u zoni zavarivanja sa svjetlijom bojom nastale zbog 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 Tabeli 1. Fluks i kalajne kuglice su spojene u oblik paste. Težinski odnos kalajnog lema i fluksa je oko 9:1, a volumenski odnos je oko 1:1.
Nakon što se pasta za lemljenje odštampa i montira s različitim elektronskim komponentama, ona će proći kroz refluksnu peć u četiri faze: predgrijavanje, aktivaciju, refluks i hlađenje. Stanje paste za lemljenje se također 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, isparljive komponente u fluksu u lemnoj pasti će se ispariti u plin prilikom zagrijavanja. Istovremeno, plinovi će se proizvoditi kada se oksid na površini sloja zavarivanja ukloni. Neki od ovih 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, kalajne kuglice će se otopiti, mala količina isparljivog plina fluksa i većina zraka između kalajnih kuglica neće se na vrijeme raspršiti, a ostatak u rastopljenom kalaju i pod naponom rastopljenog kalaja ima strukturu hamburger sendviča i zarobljavaju ga lemna pločica na ploči i elektroničke komponente, a plin obavijen tekućim kalajem teško je izaći samo uzlaznim djelovanjem. Vrijeme gornjeg topljenja je vrlo kratko. Kada se rastopljeni kalaj ohladi i postane čvrsti kalaj, u sloju zavarivanja pojavljuju se pore i formiraju se rupe od lema, kao što je prikazano na slici 3.
Shematski dijagram šupljine nastale zavarivanjem reflow pastom za lemljenje
Osnovni uzrok šupljina u zavarivanju je taj što se zrak ili isparljivi plin obavijen lemnom pastom nakon topljenja ne ispušta u potpunosti. Faktori koji utiču uključuju materijal lemne paste, oblik otisnute lemne paste, količinu otisnute lemne paste, temperaturu refluksa, vrijeme refluksa, veličinu zavara, strukturu i tako dalje.
3. Verifikacija faktora koji utiču na štampanje paste za lemljenje i zavarivanje rupa reflowom
QFN i testovi bez čipa korišteni su za potvrdu glavnih uzroka šupljina nastalih reflow zavarivanjem i za pronalaženje načina za poboljšanje šupljina nastalih reflow zavarivanjem koje je otisnuta pastom za lemljenje. Profil proizvoda za reflow zavarivanje QFN i pastom za lemljenje bez čipa prikazan je na slici 4. Veličina površine zavarivanja QFN-a je 4,4 mm x 4,1 mm, površina zavarivanja je kalajisani sloj (100% čisti kalaj); Veličina zavarivanja bez čipa je 3,0 mm x 2,3 mm, sloj zavarivanja je nanesen raspršenim nikl-vanadijum bimetalnim slojem, a površinski sloj je vanadijum. Podloga za zavarivanje podloge je bila nanesena elektrolitičkim nikl-paladijum uranjanjem u zlato, a debljina je bila 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Korištena je pasta za lemljenje SAC305, oprema za štampanje 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 lakšeg poređenja rezultata ispitivanja, zavarivanje reflowom je izvršeno pod uslovima datim u Tabeli 2.
Tabela uslova za reflow zavarivanje
Nakon što su završeni površinska montaža i reflow zavarivanje, sloj zavara je detektovan rendgenskim zracima i utvrđeno je da postoje velike rupe u sloju zavara na dnu QFN i golog strugotine, kao što je prikazano na slici 5.
QFN i čip hologram (rendgenski)
Budući da veličina kalajne perle, debljina čelične mreže, brzina otvaranja površine, oblik čelične mreže, vrijeme refluksa i vršna temperatura peći utiču na šupljine nastale reflow zavarivanjem, postoji mnogo faktora koji utiču na to, što će biti direktno potvrđeno DOE testom, a broj eksperimentalnih grupa će biti prevelik. Potrebno je brzo pregledati i odrediti glavne faktore uticaja putem testa korelacije i poređenja, a zatim dalje optimizovati glavne faktore uticaja putem DOE testa.
3.1 Dimenzije rupa za lemljenje i kalajnih perli paste za lemljenje
Kod testa paste za lemljenje SAC305 tipa 3 (veličina kuglica 25-45 μm), ostali uslovi ostaju nepromijenjeni. Nakon ponovnog livenja, rupe u sloju lema se mjere i upoređuju sa 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 sa različitom veličinom kuglica nema očigledan uticaj na rupe u sloju lema, što nije faktor uticaja, kao što je prikazano na SLICI 6.
Poređenje rupica metalnog kalajnog praha sa različitim veličinama čestica
3.2 Debljina zavarene šupljine i štampane čelične mreže
Nakon ponovnog zavarivanja, površina šupljine zavarenog sloja izmjerena je s štampanom čeličnom mrežom debljine 50 μm, 100 μm i 125 μm, a ostali uvjeti ostali su nepromijenjeni. Utvrđeno je da je utjecaj različite debljine čelične mreže (pasti za lemljenje) na QFN uspoređen s utjecajem štampane čelične mreže debljine 75 μm. Kako se debljina čelične mreže povećava, površina šupljine se postepeno smanjuje. Nakon dostizanja određene debljine (100 μm), površina šupljine će se preokrenuti i početi povećavati s povećanjem debljine čelične mreže, kao što je prikazano na slici 7.
Ovo pokazuje da kada se količina paste za lemljenje poveća, tekući kalaj s refluksom je prekriven čipom, a izlaz za preostalo puštanje zraka je uzak samo sa četiri strane. Kada se količina paste za lemljenje promijeni, izlaz za preostalo puštanje zraka se također povećava, a trenutni izljev zraka obavijenog tekućim kalajem ili isparljivog plina koji izlazi iz tekućeg kalaja uzrokovat će prskanje tekućeg kalaja oko QFN-a i čipa.
Test je pokazao da se s povećanjem debljine čelične mreže povećava i pucanje mjehurića uzrokovano izlaskom zraka ili isparljivog plina, a shodno tome povećava i vjerojatnost prskanja kalaja oko QFN-a i čipa.
Poređenje rupa u čeličnoj mreži različite debljine
3.3 Odnos površina zavarivačke šupljine i otvora čelične mreže
Testirana je štampana čelična mreža sa stopom otvaranja od 100%, 90% i 80%, a ostali uslovi su ostali nepromijenjeni. Nakon ponovnog punjenja, 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 pod uslovima stope otvaranja od 100% i 90% 80%, kao što je prikazano na slici 8.
Poređenje šupljina različitih površina otvora kod različitih čeličnih mreža
3.4 Zavarena šupljina i oblik štampane čelične mreže
Kod ispitivanja oblika štampanja paste za lemljenje trake b i nagnute mreže c, ostali uslovi ostaju nepromijenjeni. Nakon ponovnog punjenja, površina šupljine zavarenog sloja se mjeri i upoređuje sa oblikom štampanja mreže a. Utvrđeno je da nema značajne razlike u šupljini zavarenog sloja pod uslovima mreže, trake i nagnute mreže, kao što je prikazano na slici 9.
Poređenje rupa u različitim načinima otvaranja čelične mreže
3.5 Šupljina zavarivanja i vrijeme refluksa
Nakon produženog vremena refluksa (70 s, 80 s, 90 s), ostali uslovi su ostali nepromijenjeni. Otvor u sloju zavara je izmjeren nakon refluksa i, u poređenju sa vremenom refluksa od 60 s, utvrđeno je da se sa povećanjem vremena refluksa površina otvora za zavarivanje smanjuje, ali se amplituda smanjenja postepeno smanjuje sa povećanjem vremena, kao što je prikazano na slici 10. Ovo pokazuje da u slučaju nedovoljnog vremena refluksa, povećanje vremena refluksa pogoduje potpunom prelivanju vazduha obavijenog rastopljenim tečnim kalajem, ali nakon što se vrijeme refluksa poveća na određeno vrijeme, vazduh obavijen tečnim kalajem se teško ponovo preliva. Vrijeme refluksa je jedan od faktora koji utiču na šupljinu zavarivanja.
Nevažeće poređenje različitih dužina vremena refluksa
3.6 Šupljina za zavarivanje i vršna temperatura peći
S vršnom temperaturom peći od 240 ℃ i 250 ℃ i ostalim nepromijenjenim uvjetima, površina šupljine zavarenog sloja izmjerena je nakon ponovnog topljenja i, u poređenju s vršnom temperaturom peći od 260 ℃, utvrđeno je da se pod različitim uvjetima vršne temperature peći, šupljina zavarenog sloja QFN i čipa 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 čipa, što nije faktor utjecaja.
Nevažeće poređenje različitih vršnih temperatura
Gore navedeni testovi pokazuju da su značajni faktori koji utiču na šupljinu zavarenog sloja QFN-a i strugotinu vrijeme refluksa i debljina čelične mreže.
4 Poboljšanje šupljine za zavarivanje reflowom i štampanjem paste za lemljenje
4.1 DOE test za poboljšanje zavarivačke šupljine
Rupa u sloju zavarivanja QFN-a i čipa poboljšana je pronalaženjem optimalne vrijednosti glavnih faktora utjecaja (vrijeme refluksa i debljina čelične mrežice). Pasta za lemljenje bila je SAC305 tip 4, oblik čelične mrežice bio je tipa rešetke (100% stepen otvaranja), vršna temperatura peći bila je 260 ℃, a ostali uslovi ispitivanja bili su isti kao i kod ispitne opreme. DOE test i rezultati prikazani su u Tabeli 3. Utjecaji debljine čelične mrežice i vremena refluksa na QFN i rupe za zavarivanje čipa prikazani su na Slici 12. Analizom interakcije glavnih faktora utjecaja utvrđeno je da korištenje debljine čelične mrežice od 100 μm i vremena refluksa od 80 s može značajno smanjiti šupljinu zavarivanja QFN-a i čipa. Stopa šupljine zavarivanja QFN-a smanjena je sa maksimalnih 27,8% na 16,1%, a stopa šupljine zavarivanja čipa smanjena je sa maksimalnih 20,5% na 14,5%.
U testu je proizvedeno 1000 proizvoda pod optimalnim uslovima (debljina čelične mreže 100 μm, vrijeme refluksa 80 s), a stopa šupljina zavarivanja od 100 QFN i strugotine je nasumično mjerena. 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 očigledno smanjena.
4.2 Novi proces poboljšava zavarivačku šupljinu
Stvarna proizvodna situacija i testiranje pokazuju da kada je površina šupljine za zavarivanje na dnu čipa manja od 10%, problem pucanja položaja šupljine čipa neće se pojaviti tokom spajanja i oblikovanja elektroda. Parametri procesa koje je optimizirao DOE ne mogu ispuniti zahtjeve analize i rješavanja problema s rupama kod konvencionalnog reflow zavarivanja pastom za lemljenje, te je potrebno dodatno smanjiti površinu šupljine za zavarivanje čipa.
Budući da čip prekriven lemom sprječava izlazak plina iz lema, stopa stvaranja rupa na dnu čipa dodatno se smanjuje eliminacijom ili smanjenjem plina prekrivenog lemom. Usvojen je novi proces reflow zavarivanja s dva načina ispisa paste za lem: jedno ispisivanje paste za lem, jedno reflow zavarivanje koje ne pokriva QFN i goli čip koji ispušta plin u lem; Specifičan proces sekundarnog ispisivanja paste za lem, zakrpe i sekundarnog refluksa prikazan je na slici 13.
Kada se prvi put štampa pasta za lem debljine 75 μm, većina gasa u lemljenju bez poklopca čipa izlazi sa površine, a debljina nakon refluksa je oko 50 μm. Nakon završetka primarnog refluksa, na površinu ohlađenog očvrslog lema štampaju se mali kvadrati (kako bi se smanjila količina paste za lemljenje, smanjilo prelivanje gasa, smanjilo ili eliminisalo prskanje lema), i pasta za lemljenje debljine 50 μm (gore navedeni rezultati ispitivanja pokazuju da je 100 μm najbolja debljina, tako da je debljina sekundarnog štampanja 100 μm. 50 μm = 50 μm), zatim se instalira čip, a zatim se vraća nakon 80 sekundi. Nakon prvog štampanja i ponovnog punjenja gotovo da nema rupa u lemljenju, a pasta za lemljenje u drugom štampanju je mala, a rupa za zavarivanje je mala, kao što je prikazano na slici 14.
Nakon dva otisaka paste za lemljenje, šuplji crtež
4.3 Verifikacija efekta zavarivačke šupljine
Proizvodnja 2000 proizvoda (debljina prve štamparske čelične mreže je 75 μm, debljina druge štamparske čelične mreže je 50 μm), ostali uslovi 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 poređenju sa originalnim procesom štampanja s jednom pastom i DOE optimizovanim 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 štampanja lemne paste i vremena refluksa može smanjiti površinu šupljine za zavarivanje, ali je stopa šupljine za zavarivanje i dalje velika. Korištenjem dvije tehnike štampanja lemne paste i zavarivanja reflowom može se efikasno maksimizirati stopa šupljine 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 respektivno u masovnoj proizvodnji. Stopa šupljine reflowom se kontroliše ispod 5%, što poboljšava kvalitet i pouzdanost reflow zavarivanja. Istraživanje u ovom radu pruža važnu referencu za poboljšanje problema šupljine za zavarivanje kod velike površine zavarivanja.
