SMT bruker konvensjonell loddepasta luftreflow-sveisehulromsanalyse og løsning (2023 Essence Edition), du fortjener det!
1. Introduksjon
I kretskortenheten trykkes loddepasta først på kretskortets loddepute, og deretter festes ulike elektroniske komponenter.Til slutt, etter omstrømningsovnen, smeltes tinnkulene i loddepastaen og alle slags elektroniske komponenter og loddeputen på kretskortet sveises sammen for å realisere sammenstillingen av elektriske undermoduler.overflatemonteringsteknologi (sMT) brukes i økende grad i emballasjeprodukter med høy tetthet, som systemnivåpakke (siP), ballgridarray (BGA)-enheter og power bare Chip, firkantet flat pinneløs pakke (quad aatNo-lead, referert til som QFN ) enhet.
På grunn av egenskapene til loddepasta sveiseprosessen og materialene, etter omstrømningssveising av disse store loddeoverflateenhetene, vil det være hull i loddesveiseområdet, noe som vil påvirke de elektriske egenskapene, termiske egenskapene og de mekaniske egenskapene til produktet Ytelse, og til og med føre til produktsvikt, derfor, for å forbedre loddepasta reflow sveisehulrom har blitt en prosess og teknisk problem som må løses, noen forskere har analysert og studert årsakene til BGA lodde ball sveisehulrom, og gitt forbedringsløsninger, konvensjonell loddemetall paste reflow sveiseprosess sveiseareal på QFN større enn 10mm2 eller sveiseareal større enn 6 mm2s bare chip løsning mangler.
Bruk Preformsolder sveising og vakuum refluks ovn sveising for å forbedre sveisehullet.Prefabrikkert loddemetall krever spesialutstyr for å peke fluks.For eksempel er brikken forskjøvet og tiltet alvorlig etter at brikken er plassert direkte på det prefabrikerte loddetinn.Hvis fluksmonteringsbrikken er reflow og deretter peker, økes prosessen med to reflow, og kostnadene for prefabrikkert loddemetall og flussmateriale er mye høyere enn loddepastaen.
Vakuumtilbakeløpsutstyr er dyrere, vakuumkapasiteten til det uavhengige vakuumkammeret er veldig lav, kostnadsytelsen er ikke høy, og tinnsprutproblemet er alvorlig, noe som er en viktig faktor i bruken av høy tetthet og liten tonehøyde Produkter.I denne artikkelen, basert på den konvensjonelle loddepasta-reflow-sveiseprosessen, er en ny sekundær reflow-sveiseprosess utviklet og introdusert for å forbedre sveisehulrommet og løse problemene med binding og plastforseglingssprekker forårsaket av sveisehulrom.
2 Loddepasta utskrift reflow sveisehulrom og produksjonsmekanisme
2.1 Sveisehulrom
Etter reflow-sveising ble produktet testet under røntgen.Hullene i sveisesonen med lysere farge ble funnet å skyldes utilstrekkelig loddemetall i sveiselaget, som vist i figur 1
Røntgendeteksjon av boblehullet
2.2 Formasjonsmekanisme for sveisehulrom
Med sAC305 loddepasta som et eksempel, er hovedsammensetningen og funksjonen vist i tabell 1. Flussmiddel- og tinnkulene er bundet sammen i pastaform.Vektforholdet mellom tinnloddemiddel 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 stadier med forvarming, aktivering, tilbakeløp og avkjøling når den passerer gjennom tilbakeløpsovnen.Tilstanden til loddepastaen er også forskjellig med forskjellige temperaturer i forskjellige stadier, som vist i figur 2.
Profilreferanse for hvert område for reflow-lodding
I forvarmings- og aktiveringstrinnet vil de flyktige komponentene i flussen i loddepastaen fordampes til gass ved oppvarming.Samtidig vil det dannes gasser når oksidet på overflaten av sveiselaget fjernes.Noen av disse gassene vil fordampe og forlate loddepastaen, og loddeperlene vil bli tett kondensert på grunn av fordampning av fluks.I reflukstrinnet vil den gjenværende flussen i loddepastaen fordampe raskt, tinnkulene vil smelte, en liten mengde fluks flyktig gass og mesteparten av luften mellom tinnkulene vil ikke bli spredt i tide, og resten i smeltet tinn og under spenningen til det smeltede tinn er hamburger sandwich-struktur og fanges opp av kretskortets loddepute og elektroniske komponenter, og gassen pakket inn i det flytende tinn er vanskelig å unnslippe bare av den oppadgående oppdriften. Den øvre smeltetiden er veldig kort.Når det smeltede tinnet avkjøles og blir til fast tinn, oppstår det porer i sveiselaget og det dannes loddehull, som vist i figur 3.
Skjematisk diagram av tomrom generert av loddepasta-reflow-sveising
Grunnårsaken til sveisehulrom er at luften eller den flyktige gassen som er pakket inn i loddepastaen etter smelting, ikke er fullstendig uttømt.Påvirkningsfaktorene inkluderer loddepastamateriale, loddepasta-utskriftsform, loddepasta-utskriftsmengde, tilbakeløpstemperatur, tilbakeløpstid, sveisestørrelse, struktur og så videre.
3. Verifikasjon av påvirkningsfaktorer for loddepasta utskrift reflow sveisehull
QFN og bare chip-tester ble brukt for å bekrefte hovedårsakene til reflow-sveisehull, og for å finne måter å forbedre reflow-sveisehullene som ble skrevet ut med loddepasta.QFN og bare chip loddepasta reflow sveiseproduktprofil er vist i figur 4, QFN-sveiseoverflatestørrelsen er 4,4 mmx4,1 mm, sveiseoverflaten er fortinnet lag (100 % rent tinn);Sveisestørrelsen på den nakne brikken er 3,0 mm x 2,3 mm, sveiselaget er sputteret nikkel-vanadium bimetallisk lag, og overflatelaget er vanadium.Sveiseputen til substratet var strømløs nikkel-palladium gull-dypping, og tykkelsen var 0,4μm/0,06μm/0,04μm.SAC305 loddepasta brukes, loddepasta-utskriftsutstyret er DEK Horizon APix, refluksovnsutstyret er BTUPyramax150N, og røntgenutstyret er DAGExD7500VR.
QFN og bare chip sveisetegninger
For å forenkle sammenligning av testresultater ble reflow-sveising utført under forholdene i tabell 2.
Tilstandstabell for reflow sveising
Etter at overflatemontering og reflow-sveising var fullført, ble sveiselaget oppdaget ved røntgen, og det ble funnet at det var store hull i sveiselaget i bunnen av QFN og bar spon, som vist i figur 5.
QFN og Chip Hologram (røntgen)
Siden tinnperlestørrelse, stålmasketykkelse, åpningsarealhastighet, stålnettform, tilbakeløpstid og topp ovnstemperatur alle vil påvirke reflow sveisehull, er det mange påvirkningsfaktorer, som vil bli direkte verifisert av DOE-test, og antall eksperimentelle gruppene blir for store.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 loddepasta tinnperler
Med type3 (perlestørrelse 25-45 μm) SAC305 loddepasta test, forblir andre forhold uendret.Etter reflow måles hullene i loddelaget og sammenlignes med type4 loddepasta.Det er funnet at hullene i loddelaget ikke er vesentlig forskjellig mellom de to typene loddepasta, noe som indikerer at loddepasta med forskjellig perlestørrelse ikke har noen åpenbar innflytelse på hullene i loddelaget, noe som ikke er en påvirkningsfaktor, som vist i fig.6 Som vist.
Sammenligning av metalliske tinnpulverhull med forskjellige partikkelstørrelser
3.2 Tykkelse av sveisehulrom og trykt stålnett
Etter reflow ble hulromsarealet til det sveisede laget målt med det trykte stålnettet med tykkelsen 50 μm, 100 μm og 125 μm, og andre forhold forble uendret.Det ble funnet at effekten av forskjellig tykkelse på stålnettet (loddepasta) på QFN ble sammenlignet med effekten av det trykte stålnettet med tykkelsen 75 μm Ettersom tykkelsen på stålnettet øker, avtar hulromsarealet gradvis sakte.Etter å ha nådd en viss tykkelse (100μm), vil hulromsområdet reversere og begynne å øke med økningen av tykkelsen på stålnettet, som vist i figur 7.
Dette viser at når mengden loddepasta økes, dekkes det flytende tinnet med tilbakeløp av brikken, og utløpet av gjenværende luftutslipp er bare smalt på fire sider.Når mengden loddepasta endres, økes også utløpet av gjenværende luftutslipp, og den umiddelbare luftutbruddet pakket inn i flytende tinn eller flyktig gass som slipper ut flytende tinn vil føre til at flytende tinn spruter rundt QFN og brikken.
Testen fant at med økningen av tykkelsen på stålnettet, vil boblesprengningen forårsaket av utslipp av luft eller flyktig gass også øke, og sannsynligheten for tinnsprut rundt QFN og spon vil også øke tilsvarende.
Sammenligning av hull i stålnett av ulik tykkelse
3.3 Arealforhold mellom sveisehulrom og stålnettåpning
Det trykte stålnettet med åpningshastighet på 100 %, 90 % og 80 % ble testet, og andre forhold forble uendret.Etter reflow ble hulromsarealet til det sveisede laget målt og sammenlignet med det trykte stålnettet med 100 % åpningshastighet.Det ble funnet at det ikke var noen signifikant forskjell i hulrommet til det sveisede laget under betingelsene for åpningshastigheten på 100 % og 90 % 80 %, som vist i figur 8.
Kavitetssammenligning av forskjellige åpningsarealer for forskjellige stålnett
3.4 Sveiset hulrom og trykt stålnettform
Med trykkformtesten av loddepasta av strimmel b og skrågitter c, forblir andre forhold uendret.Etter reflow måles hulrommet til sveiselaget og sammenlignes med trykkformen til rutenettet a.Det er funnet at det ikke er noen signifikant forskjell i hulrommet til sveiselaget under forholdene med gitter, stripe og skrågitter, som vist i figur 9.
Sammenligning av hull i forskjellige åpningsmoduser av stålnett
3.5 Sveisehulrom og tilbakeløpstid
Etter forlenget tilbakeløpstid (70 s, 80 s, 90 s) test forblir andre forhold uendret, hullet i sveiselaget ble målt etter tilbakeløp, og sammenlignet med tilbakeløpstiden på 60 s, ble det funnet at med økningen av tilbakeløpstid, ble sveisehullsarealet redusert, men reduksjonsamplituden avtok gradvis med tidens økning, som vist i figur 10. Dette viser at i tilfelle utilstrekkelig tilbakeløpstid, vil økning av tilbakeløpstiden bidra til fullt overløp av luft pakket inn i smeltet flytende tinn, men etter at tilbakeløpstiden øker til en viss tid, er luften pakket inn i flytende tinn vanskelig å renne over igjen.Tilbakeløpstid er en av faktorene som påvirker sveisehulrommet.
Ugyldig sammenligning av forskjellige reflukstidslengder
3.6 Sveisehulrom og topp ovnstemperatur
Med 240 ℃ og 250 ℃ topp ovnstemperaturtest og andre forhold uendret, ble hulromsarealet til det sveisede laget målt etter reflow, og sammenlignet med 260 ℃ topp ovnstemperatur, ble det funnet at under forskjellige topp ovnstemperaturforhold, ble hulrommet på det sveisede laget av QFN og chip endret seg ikke nevneverdig, som vist i figur 11. Den viser at forskjellig topp ovnstemperatur ikke har noen åpenbar effekt på QFN og hullet i sveiselaget til chipen, som ikke er en påvirkningsfaktor.
Ugyldig sammenligning av forskjellige topptemperaturer
Testene ovenfor indikerer at de vesentlige faktorene som påvirker sveiselagets hulrom til QFN og spon er tilbakeløpstid og stålnetttykkelse.
4 Loddepasta utskrift reflow sveisehulrom forbedring
4.1DOE-test for å forbedre sveisehulrommet
Hullet i sveiselaget av QFN og chip ble forbedret ved å finne den optimale verdien av de viktigste påvirkningsfaktorene (tilbakeløpstid og stålmasketykkelse).Loddepastaen var SAC305 type4, stålnettformen var gittertype (100 % åpningsgrad), toppovnstemperaturen var 260 ℃, og andre testforhold var de samme som testutstyret.DOE-test og resultater ble vist i tabell 3. Påvirkningene av stålnettingstykkelse og tilbakeløpstid på QFN og sponsveisehull er vist i figur 12. Gjennom interaksjonsanalysen av hovedpåvirkningsfaktorer er det funnet at bruk av 100 μm stålnetttykkelse og 80 s tilbakeløpstid kan redusere sveisehulrommet til QFN og chip betydelig.Sveisehulromsraten for QFN reduseres fra maksimalt 27,8 % til 16,1 %, og sveisehulromsgraden for chip reduseres fra maksimalt 20,5 % til 14,5 %.
I testen ble 1000 produkter produsert under optimale forhold (100 μm stålmasketykkelse, 80 s tilbakeløpstid), og sveisehulromshastigheten på 100 QFN og chip ble målt tilfeldig.Den gjennomsnittlige sveisehulromsraten for QFN var 16,4 %, og den gjennomsnittlige sveisehulromsraten for chip var 14,7 %. Sveisehulromsraten til chipen og chipen er åpenbart redusert.
4.2 Den nye prosessen forbedrer sveisehulrommet
Den faktiske produksjonssituasjonen og testen viser at når sveisehulområdet i bunnen av brikken er mindre enn 10 %, vil ikke sponhulrommets posisjonssprekkeproblem oppstå under blybindingen og støpingen.Prosessparametrene optimalisert av DOE kan ikke oppfylle kravene til å analysere og løse hullene i den konvensjonelle loddepasta-reflow-sveisingen, og sveisehulromsarealhastigheten til brikken må reduseres ytterligere.
Siden brikken som er dekket på loddetinn hindrer gassen i loddetinn fra å unnslippe, reduseres hullhastigheten i bunnen av brikken ytterligere ved å eliminere eller redusere den loddebelagte gassen.En ny prosess med reflow-sveising med to loddepasta-utskrift er tatt i bruk: en loddepasta-utskrift, en reflow som ikke dekker QFN og bare chip som slipper ut gassen i loddetinn;Den spesifikke prosessen med utskrift av sekundær loddepasta, patch og sekundær refluks er vist i figur 13.
Når den 75μm tykke loddepastaen skrives ut for første gang, slipper mesteparten av gassen i loddetinn uten spondeksel fra overflaten, og tykkelsen etter tilbakeløp er ca. 50μm.Etter fullføringen av den primære refluksen, trykkes små firkanter på overflaten av det avkjølte størknede loddetinnet (for å redusere mengden loddepasta, redusere mengden gassspill, redusere eller eliminere loddesprut), og loddepastaen med en tykkelse på 50 μm (testresultatene ovenfor viser at 100 μm er best, så tykkelsen på sekundærutskriften er 100 μm.50 μm=50 μm), installer deretter brikken, og returner deretter gjennom 80 s.Det er nesten ikke noe hull i loddetinn etter den første utskriften og reflowen, og loddepastaen i den andre utskriften er liten, og sveisehullet er lite, som vist i figur 14.
Etter to trykk av loddepasta, hultegning
4.3 Verifikasjon av sveisehulromeffekt
Produksjon av 2000 produkter (tykkelsen på det første utskriftsstålnettet er 75 μm, tykkelsen på det andre utskriftsstålnettet er 50 μm), andre forhold uendret, tilfeldig måling av 500 QFN og sponsveising hulromhastighet, fant ut at den nye prosessen etter den første refluksen ingen hulrom, etter den andre refluksen QFN Maksimal sveisehulromsgrad er 4,8 %, og maksimal sveisehulromsrate for brikken er 4,1 %.Sammenlignet med den originale single-paste trykksveiseprosessen og den DOE-optimaliserte prosessen, er sveisehulrommet betydelig redusert, som vist i figur 15. Det ble ikke funnet sponsprekker etter funksjonstester av alle produktene.
5 Sammendrag
Optimalisering av loddepasta-utskriftsmengde og tilbakeløpstid kan redusere sveisehulromsområdet, men sveisehulromsraten er fortsatt stor.Ved å bruke to loddepasta-utskrift kan reflow-sveiseteknikker effektivt og maksimere sveisehulromshastigheten.Sveiseområdet til QFN-krets bare chip kan være henholdsvis 4,4 mm x 4,1 mm og 3,0 mm x 2,3 mm i masseproduksjon. Kavitetshastigheten 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 problemet med sveisehulrom med store sveiseflater.