1 Вовед
Во склопот на печатеното коло, прво се печати паста за лемење на плочката за лемење, а потоа се прицврстуваат разни електронски компоненти. Конечно, по печката за повторно проточење, калајните зрнца во пастата за лемење се топат и сите видови електронски компоненти и плочката за лемење на печатеното коло се заваруваат заедно за да се реализира склопувањето на електричните подмодули. Технологијата за површинско монтирање (sMT) се користи сè повеќе во производи за пакување со висока густина, како што се пакувања на системско ниво (siP), уреди со топчеста мрежа (BGA) и уреди со голи чипови за напојување, квадратни рамни пакувања без пинови (четири аатБез олово, познати како QFN).
Поради карактеристиките на процесот на заварување со лемна паста и материјалите, по рефлуксното заварување на овие големи површински уреди за лемење, ќе има дупки во областа на заварувањето со лемување, што ќе влијае на електричните својства, термичките својства и механичките својства на производот, па дури и ќе доведе до дефект на производот. Затоа, за да се подобри празнината за рефлуксно заварување со лемна паста, која стана процесен и технички проблем што мора да се реши, некои истражувачи ги анализирале и проучиле причините за празнината за заварување со топка за лемење BGA и понудиле решенија за подобрување, но недостасува конвенционално решение за рефлуксно заварување со лемна паста со површина од QFN поголема од 10 mm2 или површина за заварување поголема од 6 mm2.
За подобрување на дупката за заварување, користете заварување со преформалемење и заварување во вакуумска рефлуксна печка. Префабрикуваниот лем бара посебна опрема за насочен флукс. На пример, чипот е поместен и навален сериозно откако чипот ќе се постави директно на префабрикуваниот лем. Ако чипот за монтирање на флукс е преточен, а потоа насочен, процесот се зголемува за два преточени леми, а цената на префабрикуваниот лем и материјалот за флукс е многу повисока од пастата за лемење.
Опремата за вакуумски рефлукс е поскапа, вакуумскиот капацитет на независната вакуумска комора е многу низок, трошковната ефикасност не е висока, а проблемот со прскање на калај е сериозен, што е важен фактор во примената на производи со висока густина и мал наклон. Во овој труд, врз основа на конвенционалниот процес на рефлуксно заварување со паста за лемење, развиен е и воведен нов процес на секундарно рефлуксно заварување за да се подобри празнината за заварување и да се решат проблемите со лепење и пукање на пластичните заптивки предизвикани од празнината за заварување.
2 Шуплина за заварување со рефлукс за печатење со паста за лемење и механизам за производство
2.1 Шуплина за заварување
По повторното заварување, производот беше тестиран под рендгенска снимка. Се покажа дека дупките во зоната на заварување со посветла боја се должат на недоволно лемење во слојот за заварување, како што е прикажано на Слика 1.
Рентгенско откривање на дупката од меурче
2.2 Механизам на формирање на заварувачка празнина
Земајќи ја како пример пастата за лемење sAC305, главниот состав и функција се прикажани во Табела 1. Флуксните и калајните зрна се споени заедно во форма на паста. Тежинскиот однос на калајниот лем и флуксот е околу 9:1, а волуменскиот однос е околу 1:1.
Откако пастата за лемење ќе се испечати и монтира со разни електронски компоненти, таа ќе помине низ четири фази на претходно загревање, активирање, рефлукс и ладење кога ќе помине низ печката за рефлукс. Состојбата на пастата за лемење е исто така различна со различни температури во различни фази, како што е прикажано на Слика 2.
Референца на профилот за секоја област на репродуктивно лемење
Во фазата на претходно загревање и активирање, испарливите компоненти во флуксот во пастата за лемење ќе испарат во гас кога ќе се загреат. Во исто време, ќе се создадат гасови кога ќе се отстрани оксидот на површината на слојот за заварување. Некои од овие гасови ќе испарат и ќе ја напуштат пастата за лемење, а лемените зрнца ќе бидат цврсто кондензирани поради испарувањето на флуксот. Во фазата на рефлукс, преостанатиот флукс во пастата за лемење брзо ќе испари, калајните зрнца ќе се стопат, мала количина на испарлив гас од флукс и поголемиот дел од воздухот помеѓу калајните зрнца нема да се дисперзираат со текот на времето, а остатоците во стопениот калај и под напнатоста на стопениот калај се во форма на хамбургер сендвич структура и се заробуваат од лемената подлога на печатеното коло и електронските компоненти, а гасот завиткан во течниот калај е тешко да се излезе само поради нагорната пловност. Горното време на топење е многу кратко. Кога стопениот калај ќе се олади и ќе стане цврст калај, во слојот за заварување се појавуваат пори и се формираат дупки за лемење, како што е прикажано на Слика 3.
Шематски дијаграм на празнина генерирана со заварување со рефлукс со лемна паста
Основната причина за празнината на заварувањето е тоа што воздухот или испарливиот гас завиткан во пастата за лемење по топењето не се испразнува целосно. Влијателните фактори вклучуваат материјал на пастата за лемење, облик на печатење на пастата за лемење, количина на печатење на пастата за лемење, температура на рефлукс, време на рефлукс, големина на заварување, структура и така натаму.
3. Верификација на факторите што влијаат на дупките за заварување со рефлукс за печатење со паста за лемење
QFN тестови и тестови со голи струготини беа користени за да се потврдат главните причини за празнините на повторното заварување и да се пронајдат начини за подобрување на празнините на повторното заварување отпечатени со паста за лемење. Профилот на производот за повторно заварување со QFN и паста за лемење со голи струготини е прикажан на Слика 4, големината на површината за заварување QFN е 4,4mmx4,1mm, површината за заварување е калаиран слој (100% чист калај); големината на заварувањето на голиот струготин е 3,0mmx2,3mm, слојот за заварување е распрскан биметален слој од никел-ванадиум, а површинскиот слој е ванадиум. Заварувачката подлога на подлогата беше безелектрично потопена во никел-паладиумско злато, а дебелината беше 0,4μm/0,06μm/0,04μm. Користена е паста за лемење SAC305, опремата за печатење со паста за лемење е DEK Horizon APix, опремата за рефлуксна печка е BTUPyramax150N, а рендгенската опрема е DAGExD7500VR.
Цртежи со QFN и заварување со голи струготини
За да се олесни споредбата на резултатите од тестот, заварувањето со рефлукс беше извршено под условите во Табела 2.
Табела со услови за репродуктивно заварување
Откако беа завршени површинската монтажа и рефлуксното заварување, слојот за заварување беше детектиран со рендген и беше откриено дека има големи дупки во слојот за заварување на дното на QFN и гол струготин, како што е прикажано на Слика 5.
QFN и чип холограм (рентген)
Бидејќи големината на калајните перли, дебелината на челичната мрежа, брзината на отворање, обликот на челичната мрежа, времето на рефлукс и врвната температура на печката ќе влијаат на празнините за рефлуксно заварување, постојат многу фактори на влијание, кои ќе бидат директно потврдени со DOE тест, а бројот на експериментални групи ќе биде преголем. Потребно е брзо да се испитаат и утврдат главните фактори на влијание преку тест за корелација и споредба, а потоа дополнително да се оптимизираат главните фактори на влијание преку DOE.
3.1 Димензии на отворите за лемење и лимените монистра од паста за лемење
Со тестот со паста за лемење тип 3 (големина на зрната 25-45 μm) SAC305, другите услови остануваат непроменети. По повторното протокување, дупките во слојот за лемење се мерат и се споредуваат со пастата за лемење тип 4. Утврдено е дека дупките во слојот за лемење не се разликуваат значително помеѓу двата вида паста за лемење, што укажува дека пастата за лемење со различна големина на зрната нема очигледно влијание врз дупките во слојот за лемење, што не е фактор на влијание, како што е прикажано на Сл. 6. Како што е прикажано.
Споредба на дупки во прав од метален калај со различни големини на честички
3.2 Дебелина на заварувачката празнина и печатената челична мрежа
По повторното прелевање, површината на шуплината на заварениот слој беше измерена со печатена челична мрежа со дебелина од 50 μm, 100 μm и 125 μm, а другите услови останаа непроменети. Утврдено е дека ефектот на различна дебелина на челичната мрежа (лемна паста) врз QFN беше спореден со оној на печатената челична мрежа со дебелина од 75 μm. Како што се зголемува дебелината на челичната мрежа, површината на шуплината постепено се намалува бавно. По достигнување на одредена дебелина (100 μm), површината на шуплината ќе се промени и ќе почне да се зголемува со зголемувањето на дебелината на челичната мрежа, како што е прикажано на Слика 7.
Ова покажува дека кога количината на паста за лемење се зголемува, течниот калај со рефлукс е покриен со чипот, а излезот за излез на преостанатиот воздух е тесен само од четири страни. Кога количината на паста за лемење се менува, излезот за излез на преостанатиот воздух исто така се зголемува, а моменталниот наплив на воздух завиткан во течен калај или испарлив гас што излегува од течен калај ќе предизвика течен калај да се прска околу QFN и чипот.
Тестот покажа дека со зголемување на дебелината на челичната мрежа, пукањето на меурчиња предизвикано од истекување на воздух или испарлив гас исто така ќе се зголеми, а веројатноста за прскање на калај околу QFN и струготини исто така ќе се зголеми соодветно.
Споредба на дупки во челична мрежа со различна дебелина
3.3 Однос на површината на заварувачката празнина и отворот на челичната мрежа
Беше тестирана печатената челична мрежа со стапка на отворање од 100%, 90% и 80%, а другите услови останаа непроменети. По повторното пролевање, површината на шуплината на заварениот слој беше измерена и споредена со печатената челична мрежа со стапка на отворање од 100%. Беше откриено дека нема значајна разлика во шуплината на заварениот слој под услови на стапка на отворање од 100% и 90% 80%, како што е прикажано на Слика 8.
Споредба на шуплини на различна површина на отворање на различна челична мрежа
3.4 Заварена празнина и облик на печатена челична мрежа
Со тестот за облик на печатење на пастата за лемење на лентата b и наклонетата решетка c, другите услови остануваат непроменети. По повторното прелевање, површината на шуплината на заварувачкиот слој се мери и се споредува со обликот на печатење на мрежата a. Утврдено е дека нема значајна разлика во шуплината на заварувачкиот слој под условите на решетка, лента и наклонета решетка, како што е прикажано на Слика 9.
Споредба на дупки во различни начини на отворање на челична мрежа
3.5 Шуплина за заварување и време на рефлукс
По продолжено време на рефлукс (70 s, 80 s, 90 s) тест, другите услови останаа непроменети, дупката во слојот за заварување беше измерена по рефлуксот, и во споредба со времето на рефлукс од 60 s, беше откриено дека со зголемување на времето на рефлукс, површината на дупката за заварување се намалува, но амплитудата на редукција постепено се намалува со зголемување на времето, како што е прикажано на Слика 10. Ова покажува дека во случај на недоволно време на рефлукс, зголемувањето на времето на рефлукс е погодно за целосно прелевање на воздухот завиткан во стопен течен калај, но откако времето на рефлукс се зголемува до одредено време, воздухот завиткан во течен калај е тешко повторно да се прелее. Времето на рефлукс е еден од факторите што влијаат на празнината за заварување.
Неважечка споредба на различни должини на време на рефлукс
3.6 Заварувачка празнина и врвна температура на печката
Со тест на врвна температура на печката од 240 ℃ и 250 ℃ и други услови непроменети, површината на шуплината на заварениот слој беше измерена по повторното прелевање и во споредба со врвната температура на печката од 260 ℃, беше откриено дека под различни услови на врвна температура на печката, шуплината на заварениот слој од QFN и чипот не се промени значително, како што е прикажано на Слика 11. Покажува дека различната врвна температура на печката нема очигледен ефект врз QFN и дупката во заварувачкиот слој на чипот, што не е фактор на влијание.
Неважечка споредба на различни врвни температури
Горенаведените тестови покажуваат дека значајните фактори што влијаат на празнината на заварскиот слој на QFN и чипот се времето на рефлукс и дебелината на челичната мрежа.
4 Подобрување на празнината за заварување со рефлукс за печатење со паста за лемење
4.1 DOE тест за подобрување на заварувачката празнина
Дупката во слојот за заварување на QFN и струготини беше подобрена со наоѓање на оптималната вредност на главните фактори на влијание (време на рефлукс и дебелина на челичната мрежа). Лемената паста беше SAC305 тип 4, обликот на челичната мрежа беше од тип на мрежа (100% степен на отворање), врвната температура на печката беше 260 ℃, а другите услови за тестирање беа исти како оние на опремата за тестирање. DOE тестот и резултатите се прикажани во Табела 3. Влијанијата на дебелината на челичната мрежа и времето на рефлукс врз дупките за заварување на QFN и струготини се прикажани на Слика 12. Преку анализа на интеракцијата на главните фактори на влијание, се покажа дека употребата на дебелина на челичната мрежа од 100 μm и време на рефлукс од 80 секунди може значително да ја намали празнината за заварување на QFN и струготини. Стапката на празнина за заварување на QFN е намалена од максималните 27,8% на 16,1%, а стапката на празнина за заварување на струготини е намалена од максималните 20,5% на 14,5%.
Во тестот, 1000 производи беа произведени под оптимални услови (дебелина на челична мрежа од 100 μm, време на рефлукс од 80 s), а стапката на заварување на шуплината на 100 QFN и струготини беше случајно измерена. Просечната стапка на заварување на шуплината на QFN беше 16,4%, а просечната стапка на заварување на шуплината на струготините беше 14,7%. Стапката на заварување на шуплината на струготините и струготините е очигледно намалена.
4.2 Новиот процес ја подобрува празнината за заварување
Фактичката производствена ситуација и тестовите покажуваат дека кога површината на заварувачката празнина на дното на чипот е помала од 10%, проблемот со пукање на положбата на празнината на чипот нема да се појави за време на лепењето и обликувањето на оловото. Параметрите на процесот оптимизирани од DOE не можат да ги задоволат барањата за анализа и решавање на дупките при конвенционалното заварување со рефлуксна паста за лемење, а стапката на површина на заварувачката празнина на чипот треба дополнително да се намали.
Бидејќи чипот покриен со лемот спречува излегување на гасот во лемот, стапката на дупки на дното на чипот дополнително се намалува со елиминирање или намалување на гасот обложен со лем. Се усвојува нов процес на повторно заварување со две печатени пасти за лемување: едно печатење со паста за лемување, едно повторно заварување кое не го покрива QFN и гол чип кој го испушта гасот во лемот; Специфичниот процес на секундарно печатење со паста за лемување, крпеница и секундарен рефлукс е прикажан на Слика 13.
Кога пастата за лемење со дебелина од 75 μm се печати за прв пат, поголемиот дел од гасот во лемењето без капак од струготини излегува од површината, а дебелината по рефлуксот е околу 50 μm. По завршувањето на примарниот рефлукс, на површината на оладениот стврднат лемење се печатат мали квадрати (со цел да се намали количината на паста за лемење, да се намали количината на прелевање на гас, да се намали или елиминира прскањето од лемење), и пастата за лемење се печати со дебелина од 50 μm (гореспоменатите резултати од тестовите покажуваат дека 100 μm е најдобра, па дебелината на секундарното печатење е 100 μm.50 μm = 50 μm), потоа се инсталира чипот, а потоа се враќа по 80 секунди. Речиси и да нема дупка во лемењето по првото печатење и повторното прелевање, а пастата за лемење при второто печатење е мала, а дупката за заварување е мала, како што е прикажано на Слика 14.
По две печатења на паста за лемење, шуплив цртеж
4.3 Верификација на ефектот на заварувачката празнина
Производство на 2000 производи (дебелината на првата челична мрежа за печатење е 75 μm, дебелината на втората челична мрежа за печатење е 50 μm), другите услови непроменети, случајно мерење на 500 QFN и стапката на празнина на заварување на чипови, покажа дека новиот процес по првиот рефлукс нема празнина, по вториот рефлукс QFN максималната стапка на празнина на заварување е 4,8%, а максималната стапка на празнина на заварување на чипот е 4,1%. Во споредба со оригиналниот процес на заварување со печатење со една паста и оптимизираниот процес на DOE, празнината на заварување е значително намалена, како што е прикажано на Слика 15. По функционалните тестови на сите производи не се пронајдени пукнатини на чипови.
5 Резиме
Оптимизацијата на количината на печатење со лемна паста и времето на рефлукс може да ја намали површината на заварувачката празнина, но стапката на заварување на празнината е сè уште голема. Употребата на две техники на рефлуксно заварување со печатење со лемна паста може ефикасно да ја максимизира стапката на заварување на празнината. Површината на заварување на голиот чип на QFN колото може да биде 4,4 mm x 4,1 mm и 3,0 mm x 2,3 mm, соодветно, при масовно производство. Стапката на празнина на рефлуксното заварување е контролирана под 5%, што го подобрува квалитетот и сигурноста на рефлуксното заварување. Истражувањето во овој труд обезбедува важна референца за подобрување на проблемот со заварувачките празнини на површините за заварување со голема површина.
Време на објавување: 05 јули 2023
