1 Innledning
I kretskortmonteringen trykkes loddepasta først på kretskortets loddepute, og deretter festes ulike elektroniske komponenter. Til slutt, etter reflowovnen, smeltes tinnperlene i loddepastaen, og alle typer elektroniske komponenter og loddeputen på kretskortet sveises sammen for å realisere monteringen av elektriske undermoduler. Surfacemount-teknologi (sMT) brukes i økende grad i høydensitetsemballasjeprodukter, for eksempel systemnivåpakker (siP), ballgridarray-enheter (BGA) og Power Bare Chip, firkantede flate pinløse pakker (Quad AATNo-Lead, referert til som QFN)-enheter.
På grunn av egenskapene til loddepasta-sveiseprosessen og materialene, vil det etter reflow-sveising av disse store loddeflateinnretningene være hull i loddingsveiseområdet. Dette vil påvirke produktets elektriske, termiske og mekaniske egenskaper og til og med føre til produktfeil. Derfor har det å forbedre loddepastens reflow-sveisehulrom blitt et prosess- og teknisk problem som må løses. Noen forskere har analysert og studert årsakene til BGA-loddekule-sveisehulrom og gitt forbedringsløsninger. Det mangler en løsning for bare chip-løsninger i konvensjonelle loddepastens reflow-sveiseprosesser med et QFN-sveiseområde på over 10 mm2 eller et sveiseområde på over 6 mm2.
Bruk preformsoldersveising og vakuumreflukssveising i ovn for å forbedre sveisehullet. Prefabrikert lodding krever spesialutstyr for å punktere fluks. For eksempel blir brikken forskjøvet og vippet kraftig etter at brikken er plassert direkte på det prefabrikerte loddet. Hvis fluksmonteringsbrikken reflowes og deretter punkteres, økes prosessen med to reflow, og kostnaden for prefabrikert lodding og fluksmateriale er mye høyere enn for loddepasta.
Vakuumrefluksutstyr er dyrere, vakuumkapasiteten til det uavhengige vakuumkammeret er svært lav, kostnadsytelsen er ikke høy, og problemet med tinnsprut er alvorlig, noe som er en viktig faktor ved bruk av produkter med høy tetthet og liten stigning. I denne artikkelen, basert på den konvensjonelle loddepaste-reflow-sveiseprosessen, utvikles og introduseres en ny sekundær reflow-sveiseprosess for å forbedre sveisekaviteten og løse problemene med binding og sprekker i plastforseglingen forårsaket av sveisekaviteten.
2 Loddepastetrykk reflow sveisekavitet og produksjonsmekanisme
2.1 Sveisehulrom
Etter reflow-sveising ble produktet testet under røntgen. Hullene i sveisesonen med lysere farge viste seg å skyldes utilstrekkelig loddetinn i sveiselaget, som vist i figur 1.
Røntgendeteksjon av boblehullet
2.2 Dannelsesmekanisme for sveisekavitet
Hvis vi tar sAC305 loddepasta som eksempel, vises hovedsammensetningen og funksjonen i tabell 1. Flussmiddelet og tinnkulene er bundet sammen i pastaform. Vektforholdet mellom tinnloddetinn og flussmiddel er omtrent 9:1, og volumforholdet er omtrent 1:1.
Etter at loddepastaen er trykt og montert med ulike elektroniske komponenter, vil loddepastaen gjennomgå fire trinn med forvarming, aktivering, tilbakeløp og avkjøling når den passerer gjennom tilbakeløpsovnen. Tilstanden til loddepastaen varierer også med ulike temperaturer i ulike trinn, som vist i figur 2.
Profilreferanse for hvert område av reflow-lodding
I forvarmings- og aktiveringsfasen vil de flyktige komponentene i fluksen i loddepastaen fordampe til gass når den varmes opp. Samtidig vil det produseres gasser når oksidet på overflaten av sveiselaget fjernes. Noen av disse gassene vil fordampe og forlate loddepastaen, og loddekulene vil bli tett kondensert på grunn av fordampningen av fluksen. I tilbakeløpsfasen vil den gjenværende fluksen i loddepastaen fordampe raskt, tinnkulene vil smelte, en liten mengde fluksflyktig gass og mesteparten av luften mellom tinnkulene vil ikke bli spredt i tide, og restene i det smeltede tinnet og under spenningen i det smeltede tinnet danner en hamburger-sandwichstruktur og fanges opp av loddeputen på kretskortet og elektroniske komponenter, og gassen som er pakket inn i det flytende tinnet er vanskelig å unnslippe, bare på grunn av den oppadgående oppdriften. Den øvre smeltetiden er svært kort. Når det smeltede tinnet avkjøles og blir til fast tinn, oppstår det porer i sveiselaget og loddehull, som vist i figur 3.
Skjematisk diagram av hulrom generert av loddepastasveising med reflow
Den grunnleggende årsaken til sveisehulrommet er at luften eller den flyktige gassen som er pakket inn i loddepastaen etter smelting ikke slippes ut fullstendig. De påvirkende faktorene inkluderer loddepastamaterialet, formen på loddepastaen, mengden loddepasta som trykkes, tilbakeløpstemperaturen, tilbakeløpstiden, sveisestørrelsen og -strukturen, og så videre.
3. Verifisering av påvirkningsfaktorer for loddepastetrykking med reflow-sveisehull
QFN- og barechip-tester ble brukt for å bekrefte hovedårsakene til reflow-sveisehulrom, og for å finne måter å forbedre reflow-sveisehulromene som trykkes av loddepasta. Produktprofilen for QFN- og barechip-loddepasta-reflow-sveising er vist i figur 4. QFN-sveiseoverflatens størrelse er 4,4 mm x 4,1 mm, sveiseoverflaten er et fortinnet lag (100 % rent tinn); sveisestørrelsen på den bare brikken er 3,0 mm x 2,3 mm, sveiselaget er et forstøvet nikkel-vanadium bimetallisk lag, og overflatelaget er vanadium. Sveiseplaten på substratet var elektroløs nikkel-palladium gulldyppet, og tykkelsen var 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. SAC305 loddepasta brukes, loddepastatrykkutstyret er DEK Horizon APix, refluksovnsutstyret er BTUPyramax150N, og røntgenutstyret er DAGExD7500VR.
QFN- og bare chip-sveisetegninger
For å gjøre det enklere å sammenligne testresultatene ble reflow-sveising utført under forholdene i tabell 2.
Tabell for reflow-sveisetilstander
Etter at overflatemontering og reflow-sveising var fullført, ble sveiselaget detektert med røntgen, og det ble funnet store hull i sveiselaget nederst på QFN og den barbrikken, som vist i figur 5.
QFN og chiphologram (røntgen)
Siden tinnperlestørrelse, stålnetttykkelse, åpningsarealhastighet, stålnettform, reflukstid og toppovnstemperatur alle vil påvirke omstrømningssveisehulrom, er det mange påvirkningsfaktorer som vil bli direkte verifisert av DOE-testen, og antallet eksperimentelle grupper vil være for stort. Det er nødvendig å raskt screene og bestemme de viktigste påvirkningsfaktorene gjennom korrelasjonssammenligningstest, og deretter optimalisere de viktigste påvirkningsfaktorene ytterligere gjennom DOE.
3.1 Dimensjoner på loddehull og tinnperler for loddepasta
Med type 3 (perlestørrelse 25–45 μm) SAC305 loddepastetest forblir andre forhold uendret. Etter reflow måles hullene i loddelaget og sammenlignes med type 4 loddepaste. Det er funnet at hullene i loddelaget ikke er signifikant forskjellige mellom de to typene loddepaste, noe som indikerer at loddepasten med ulik perlestørrelse ikke har noen åpenbar innflytelse på hullene i loddelaget, noe som ikke er en påvirkende faktor, som vist i FIG. 6.
Sammenligning av metalliske tinnpulverhull med forskjellige partikkelstørrelser
3.2 Tykkelse på sveisekavitet og trykt stålnett
Etter reflow ble hulromsarealet til det sveisede laget målt med det trykte stålnettet med tykkelser på 50 μm, 100 μm og 125 μm, og andre forhold forble uendret. Det ble funnet at effekten av ulik tykkelse på stålnettet (loddepasta) på QFN ble sammenlignet med effekten av det trykte stålnettet med tykkelser på 75 μm. Etter hvert som tykkelsen på stålnettet øker, reduseres hulromsarealet gradvis. Etter å ha nådd en viss tykkelse (100 μm), vil hulromsarealet reverseres og begynne å øke med økende tykkelse på stålnettet, som vist i figur 7.
Dette viser at når mengden loddepasta økes, dekkes den flytende tinnen med refluks av brikken, og utløpet for gjenværende luft er bare smalt på fire sider. Når mengden loddepasta endres, økes også utløpet for gjenværende luft, og den umiddelbare luftutbruddet innpakket i flytende tinn eller flyktig gass som slipper ut flytende tinn, vil føre til at flytende tinn spruter rundt QFN og brikken.
Testen viste at med økende tykkelse på stålnettet, vil også boblesprekken forårsaket av utslipp av luft eller flyktig gass øke, og sannsynligheten for at tinn spruter rundt QFN og brikken vil også øke tilsvarende.
Sammenligning av hull i stålnett med ulik tykkelse
3.3 Arealforhold mellom sveisekam og stålnettåpning
Det trykte stålnettet med åpningshastigheter på 100 %, 90 % og 80 % ble testet, og andre forhold forble uendret. Etter omsveising ble hulromsarealet til det sveisede laget målt og sammenlignet med det trykte stålnettet med åpningshastighet på 100 %. Det ble funnet at det ikke var noen signifikant forskjell i hulrommet til det sveisede laget under forholdene med åpningshastigheter på 100 % og 90 % og 80 %, som vist i figur 8.
Hulromssammenligning av forskjellige åpningsarealer av forskjellige stålnett
3.4 Sveiset hulrom og trykt stålnettform
Med trykkformtesten av loddepastaen til strimmel b og skråstilt rutenett c forblir andre forhold uendret. Etter omlegging måles hulromsarealet til sveiselaget og sammenlignes med trykkformen til rutenett a. Det er funnet at det ikke er noen signifikant forskjell i hulrommet til sveiselaget under forholdene for rutenett, strimmel og skråstilt rutenett, som vist i figur 9.
Sammenligning av hull i forskjellige åpningsmåter for stålnett
3.5 Sveisehulrom og reflukstid
Etter testen med forlenget tilbakeløpstid (70 s, 80 s, 90 s), forble andre forhold uendret. Hullet i sveisesjiktet ble målt etter tilbakeløp, og sammenlignet med tilbakeløpstiden på 60 s, ble det funnet at med økningen av tilbakeløpstiden, minket sveisehullarealet, men reduksjonsamplituden minket gradvis med økningen av tiden, som vist i figur 10. Dette viser at i tilfelle utilstrekkelig tilbakeløpstid, bidrar økning av tilbakeløpstiden til full overløp av luft pakket inn i smeltet flytende tinn, men etter at tilbakeløpstiden har økt til en viss tid, er det vanskelig for luften pakket inn i flytende tinn å renne over igjen. Tilbakeløpstid er en av faktorene som påvirker sveisehulrommet.
Ugyldig sammenligning av forskjellige reflukstidslengder
3.6 Sveisehulrom og toppovnstemperatur
Med 240 ℃ og 250 ℃ toppovnstemperaturtest og andre forhold uendret, ble hulromsarealet til det sveisede laget målt etter reflow, og sammenlignet med 260 ℃ toppovnstemperatur, ble det funnet at under forskjellige toppovnstemperaturforhold endret ikke hulrommet i det sveisede laget av QFN og brikken seg vesentlig, som vist i figur 11. Det viser at ulik toppovnstemperatur ikke har noen åpenbar effekt på QFN og hullet i brikkens sveisede lag, noe som ikke er en påvirkende faktor.
Ugyldig sammenligning av forskjellige topptemperaturer
Testene ovenfor indikerer at de viktigste faktorene som påvirker sveisesjikthurommet til QFN og spon er tilbakeløpstid og stålnetttykkelse.
4 Forbedring av sveisehulrommet ved reflow av loddetinntrykk
4.1 DOE-test for å forbedre sveisehulrommet
Hullet i sveisesjiktet mellom QFN og brikken ble forbedret ved å finne den optimale verdien av de viktigste påvirkningsfaktorene (refluks-tid og stålnetttykkelse). Loddepastaen var SAC305 type 4, stålnettformen var av rutenetttypen (100 % åpningsgrad), toppovnstemperaturen var 260 ℃, og andre testforhold var de samme som for testutstyret. DOE-test og resultater ble vist i tabell 3. Påvirkningen av stålnetttykkelse og reflukstid på QFN- og brikkens sveisehull er vist i figur 12. Gjennom interaksjonsanalyse av de viktigste påvirkningsfaktorene er det funnet at bruk av 100 μm stålnetttykkelse og 80 sekunders reflukstid kan redusere sveisekaviteten til QFN og brikken betydelig. Sveisekavitetsraten til QFN reduseres fra maksimalt 27,8 % til 16,1 %, og sveisekavitetsraten til brikken reduseres fra maksimalt 20,5 % til 14,5 %.
I testen ble 1000 produkter produsert under optimale forhold (100 μm stålnetttykkelse, 80 s tilbakeløpstid), og sveisekavitetsraten for 100 QFN og spon ble tilfeldig målt. Den gjennomsnittlige sveisekavitetsraten for QFN var 16,4 %, og den gjennomsnittlige sveisekavitetsraten for spon var 14,7 %. Sveisesekavitetsraten for sponen og sponen er tydelig redusert.
4.2 Den nye prosessen forbedrer sveisehulrommet
Den faktiske produksjonssituasjonen og testen viser at når sveisekavitetsarealet nederst på brikken er mindre enn 10 %, vil det ikke oppstå problemer med sprekkdannelser i brikkehulrommet under binding og støping av bly. Prosessparametrene som er optimalisert av DOE, kan ikke oppfylle kravene til analyse og løsning av hullene i konvensjonell loddepastasveising med reflow, og sveisekavitetsarealet til brikken må reduseres ytterligere.
Siden brikken som er dekket av loddet hindrer gassen i loddet fra å slippe ut, reduseres hullhastigheten i bunnen av brikken ytterligere ved å eliminere eller redusere den loddebelagte gassen. En ny prosess for reflow-sveising med to loddepasta-trykk er tatt i bruk: én loddepasta-trykking, én reflow som ikke dekker QFN, og bar brikk som slipper ut gassen i loddet. Den spesifikke prosessen for sekundær loddepasta-trykking, patch og sekundær refluks er vist i figur 13.
Når den 75 μm tykke loddepastaen trykkes for første gang, slipper mesteparten av gassen i loddet uten chipdeksel ut av overflaten, og tykkelsen etter refluks er omtrent 50 μm. Etter fullført primær refluks trykkes små firkanter på overflaten av det avkjølte, størknede loddet (for å redusere mengden loddepasta, redusere mengden gasssøl, redusere eller eliminere loddsprut), og loddepastaen med en tykkelse på 50 μm (testresultatene ovenfor viser at 100 μm er best, så tykkelsen på sekundærtrykket er 100 μm.50 μm = 50 μm), deretter installeres brikken, og deretter returneres gjennom 80 sekunder. Det er nesten ikke noe hull i loddet etter første trykk og reflow, og loddepastaen i andre trykk er liten, og sveisehullet er lite, som vist i figur 14.
Etter to utskrifter av loddepasta, hul tegning
4.3 Verifisering av sveisekavitetseffekt
Produksjon av 2000 produkter (tykkelsen på det første stålnettet i trykk er 75 μm, tykkelsen på det andre stålnettet i trykk er 50 μm), andre forhold uendret, tilfeldig måling av 500 QFN og spon-sveisekavitetshastighet, fant at den nye prosessen etter den første refluksingen ikke har noe hulrom, etter den andre refluksingen av QFN. Maksimal sveisekavitetshastighet for brikken er 4,8 %, og maksimal sveisekavitetshastighet for brikken er 4,1 %. Sammenlignet med den opprinnelige sveiseprosessen med enkeltpasta-trykk og den DOE-optimaliserte prosessen, er sveisekaviteten betydelig redusert, som vist i figur 15. Ingen sponsprekker ble funnet etter funksjonstester av alle produktene.
5 Sammendrag
Optimalisering av loddepastatrykkmengde og reflukstid kan redusere sveisehulromsarealet, men sveisehulromshastigheten er fortsatt stor. Bruk av to loddepastatrykk-reflow-sveiseteknikker kan effektivt maksimere sveisehulromshastigheten. Sveiseområdet til en QFN-kretsbar brikke kan være henholdsvis 4,4 mm x 4,1 mm og 3,0 mm x 2,3 mm i masseproduksjon. Hulromshastigheten for reflow-sveising kontrolleres under 5 %, noe som forbedrer kvaliteten og påliteligheten til reflow-sveising. Forskningen i denne artikkelen gir en viktig referanse for å forbedre sveisehulromsproblemet ved store sveiseflater.
Publisert: 05.07.2023
