SMT користи конвенционална паста за лемење анализа и решение на шуплината за заварување со преточување на воздух (2023 Essence Edition), вие го заслужувате тоа!
1 Вовед
Во склопот на колото, пастата за лемење прво се печати на подлогата за лемење на колото, а потоа се ставаат разни електронски компоненти. Конечно, по репроточната печка, лимените зрна во пастата за лемење се топат и сите видови електронски компоненти и подлогата за лемење на колото се заваруваат заедно за да се реализира склопувањето на електричните подмодули. Технологијата за површинска монтажа (sMT) се повеќе се користи во производи за пакување со висока густина, како што се пакетот на ниво на систем (siP), уредите ballgridarray (BGA) и моќниот гол чип, квадрат, рамен пакет без пинови (quad aatNo-lead, познат како QFN ) уред.
Поради карактеристиките на процесот и материјалите на заварување со паста за лемење, по повторното заварување на овие големи површински уреди за лемење, ќе има дупки во областа за заварување со лемење, што ќе влијае на електричните својства, топлинските својства и механичките својства на производот. дури и да доведе до неуспех на производот, затоа, за да се подобри шуплината за заварување на паста за лемење, стана процес и технички проблем што мора да се реши, некои истражувачи ги анализираа и проучуваа причините за BGA шуплината за заварување со топче за лемење и обезбедија решенија за подобрување, конвенционално лемење Процесот на заварување со паста со обновување на заварување, недостига површина за заварување од QFN поголема од 10 mm2 или површина за заварување поголема од 6 mm2.
Користете заварување со предформулатор и заварување со вакуум рефлуксна печка за да ја подобрите дупката за заварување. Монтажното лемење бара посебна опрема за да го насочи флуксот. На пример, чипот се поместува и сериозно се навалува откако чипот ќе се постави директно на префабрикуваното лемење. Ако чипот за монтирање на флукс е преточен и потоа точка, процесот се зголемува за два преточувања, а цената на монтажното лемење и флуксниот материјал е многу повисока од пастата за лемење.
Опремата за вакуум рефлукс е поскапа, вакуумскиот капацитет на независната вакуумска комора е многу низок, перформансите на трошоците не се високи, а проблемот со прскањето на калај е сериозен, што е важен фактор во примената на висока густина и мал терен производи. Во овој труд, врз основа на конвенционалниот процес на заварување со повторно точење паста за лемење, е развиен и воведен нов процес на секундарно заварување со повторно проток за да се подобри шуплината за заварување и да се решат проблемите со сврзување и пукање на пластичната заптивка предизвикани од шуплината за заварување.
2 Шуплина за заварување и производствен механизам за печатење на паста за лемење
2.1 Шуплина за заварување
По повторното заварување, производот беше тестиран под рендген. Утврдено е 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.
Рендгенско откривање на дупката за меурчиња
2.2 Механизам за формирање на шуплина за заварување
Земајќи ја пастата за лемење sAC305 како пример, главниот состав и функцијата се прикажани во Табела 1. Флуксот и лимените зрна се споени заедно во форма на паста. Тежинскиот сооднос на калај лемење со флукс е околу 9:1, а односот на волуменот е околу 1:1.
Откако ќе се испечати пастата за лемење и ќе се монтира со различни електронски компоненти, пастата за лемење ќе помине низ четири фази на претходно загревање, активирање, рефлукс и ладење кога ќе помине низ рефлуксната печка. 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 повторно лемење
Во фазата на предзагревање и активирање, испарливите компоненти во флуксот во пастата за лемење ќе се испарат во гас кога ќе се загреат. Во исто време, гасовите ќе се произведуваат кога ќе се отстрани оксидот на површината на слојот за заварување. Некои од овие гасови ќе испаруваат и ќе ја напуштат пастата за лемење, а зрната за лемење ќе бидат цврсто кондензирани поради испарувањето на флуксот. Во фазата на рефлукс, преостанатиот флукс во пастата за лемење брзо ќе испари, лимените зрна ќе се стопат, мала количина флукс испарлив гас и поголемиот дел од воздухот помеѓу лимените зрна нема да се распрсне со време, а остатокот во стопениот калај и под напнатоста на стопениот калај се структурата на сендвич за хамбургер и се заробени од плочката за лемење на колото и електронските компоненти, а гасот завиткан во течниот калај е тешко да избега само со нагорна пловност. Горното време на топење е многу краток. Кога растопениот калај се олади и станува цврст калај, се појавуваат пори во слојот за заварување и се формираат дупки за лемење, како што е прикажано на слика 3.
Шематски дијаграм на празнина генерирана со заварување со повторно проток на паста за лемење
Основната причина за шуплината на заварувањето е тоа што воздухот или испарливиот гас завиткан во пастата за лемење по топењето не е целосно испуштен. Влијателните фактори вклучуваат материјал за паста за лемење, форма на печатење на паста за лемење, количина на печатење на паста за лемење, температура на рефлукс, време на рефлукс, големина на заварување, структура и така натаму.
3. Проверка на факторите на влијание на отворите за заварување со печатење на паста за лемење
QFN и тестовите со голи чипови беа користени за да се потврдат главните причини за празнините за заварување со повторно проток и да се изнајдат начини за подобрување на празнините за заварување со репроточе печатени со паста за лемење. Профилот на производот за заварување со паста за лемење со голи чипови е прикажан на слика 4, големината на површината за заварување QFN е 4,4 mmx4,1 mm, површината за заварување е калајиран слој (100% чист калај); Големината на заварувањето на голиот чип е 3,0mmx2,3mm, слојот за заварување е распрскан биметалличен слој од никел-ванадиум, а површинскиот слој е ванадиум. Подлогата за заварување на подлогата беше електробез никел-паладиум со злато, а дебелината беше 0,4μm/0,06μm/0,04μm. Се користи SAC305 паста за лемење, опремата за печатење на паста за лемење е DEK Horizon APix, опремата за рефлуксна печка е BTUPyramax150N, а опремата за рендген е DAGExD7500VR.
QFN и цртежи за заварување со голи чипови
За да се олесни споредбата на резултатите од тестот, беше извршено повторно заварување под условите во Табела 2.
Табела за состојба на заварување со преточување
По завршувањето на површинското монтирање и повторното заварување, слојот за заварување беше откриен со рендген, и беше откриено дека има големи дупки во слојот за заварување на дното на QFN и гол чип, како што е прикажано на слика 5.
QFN и чип холограм (рентген)
Бидејќи големината на лименото зрно, дебелината на челичната мрежа, брзината на површината на отворот, обликот на челичната мрежа, времето на рефлукс и максималната температура на печката, сето тоа ќе влијае на празнините за заварување со повторно точење, има многу фактори кои влијаат, кои директно ќе бидат потврдени со DOE тест и бројот на експериментални групите ќе бидат преголеми. Неопходно е брзо да се прегледаат и да се одредат главните фактори на влијание преку тест за споредба на корелација, а потоа дополнително да се оптимизираат главните фактори на влијание преку DOE.
3.1 Димензии на отвори за лемење и калај мониста од паста за лемење
Со тип 3 (големина на мушка 25-45 μm) SAC305 тест за паста за лемење, другите услови остануваат непроменети. По повторното течење, дупките во слојот за лемење се мерат и споредуваат со паста за лемење тип 4. Откриено е дека дупките во слојот за лемење не се значително различни помеѓу двата вида паста за лемење, што покажува дека пастата за лемење со различна големина на зрно 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 од метален калај во прав со различни големини на честички
3.2 Дебелина на шуплината за заварување и испечатена челична мрежа
По преточувањето, површината на шуплината на заварениот слој беше измерена со испечатена челична мрежа со дебелина од 50 μm, 100 μm и 125 μm, а другите услови останаа непроменети. Откриено е дека ефектот на различна дебелина на челичната мрежа (паста за лемење) на QFN е спореден со оној на печатената челична мрежа со дебелина од 75 μm Како што се зголемува дебелината на челичната мрежа, површината на шуплината постепено полека се намалува. Откако ќе се достигне одредена дебелина (100μm), 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 се зголемува количината на паста за лемење, течниот калај со рефлукс е покриен со чипот, а излезот на преостанатиот воздух е тесен само од четири страни. Кога ќе се смени количината на паста за лемење, се зголемува и излезот на преостанатиот воздух кој излегува, а моменталниот излив на воздух обвиткан во течен калај или испарлив гас што излегува од течен калај ќе предизвика течниот калај да прска околу QFN и чипот.
Тестот покажа дека со зголемување на дебелината на челичната мрежа, пукањето на меурот предизвикано од бегство на воздух или испарлив гас исто така ќе се зголеми, а соодветно ќе се зголеми и веројатноста за прскање на калај околу QFN и чипот.
Споредба на дупки во челична мрежа со различна дебелина
3.3 Однос на површината на шуплината за заварување и отворот на челична мрежа
Испечатената челична мрежа со стапка на отворање од 100%, 90% и 80% беше тестирана, а другите услови останаа непроменети. По повторното течење, површината на шуплината на заварениот слој беше измерена и споредена со испечатената челична мрежа со стапка на отворање од 100%. Утврдено е дека нема значителна разлика во шуплината на заварениот слој во услови на стапка на отворање од 100% и 90% 80%, како што е прикажано на Слика 8.
Споредба на шуплина на различна површина за отворање на различна челична мрежа
3.4 Заварена шуплина и печатена челична мрежа
Со тестот за форма на печатење на пастата за лемење на лентата b и наклонетата решетка c, другите услови остануваат непроменети. По преточувањето, се мери површината на шуплината на слојот за заварување и се споредува со обликот на печатење на решетката a. Утврдено е дека нема значителна разлика во шуплината на слојот за заварување во услови на решетка, лента и наклонета мрежа, како што е прикажано на слика 9.
Споредба на дупки во различни начини на отворање на челична мрежа
3.5 Шуплина на заварување и време на рефлукс
По тестот за продолжено време на рефлукс (70 s, 80 s, 90 s), другите услови остануваат непроменети, дупката во слојот за заварување е измерена по рефлукс, а во споредба со времето на рефлукс од 60 секунди, откриено е дека со зголемувањето на времето на рефлукс, површината на дупката за заварување се намали, но амплитудата на намалување постепено се намалува со зголемувањето 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 растопен течен калај, но откако времето на рефлукс ќе се зголеми до одредено време, воздухот завиткан во течен калај е тешко повторно да се прелее. Времето на рефлукс е еден од факторите кои влијаат на шуплината на заварувањето.
Празнина споредба на различни должини на време на рефлукс
3.6 Шуплина за заварување и максимална температура на печката
Со 240 ℃ и 250 ℃ максимум температурен тест на печката и други услови непроменети, површината на шуплината на заварениот слој беше измерена по повторното протекување и во споредба со 260 ℃ максимална температура на печката, беше откриено дека при различни услови на максимална температура на печката, шуплината на заварениот слој на QFN и чипот не се промени значително, како што е прикажано на слика 11. Тоа покажува дека различната максимална температура на печката нема очигледен ефект врз QFN и дупката во слојот за заварување на чипот, што не е фактор што влијае.
Празнина споредба на различни врвни температури
Горенаведените тестови покажуваат дека значајните фактори кои влијаат на шуплината на заварениот слој на QFN и чипот се времето на рефлукс и дебелината на челичната мрежа.
4 Подобрување на шуплината за заварување со печатење на паста за лемење
4.1 DOE тест за подобрување на шуплината на заварување
Дупката во слојот за заварување на QFN и чипот беше подобрена со наоѓање на оптималната вредност на главните фактори кои влијаат (време на рефлукс и дебелина на челична мрежа). Пастата за лемење беше SAC305 type4, обликот на челичната мрежа беше тип на решетка (100% степен на отворање), максималната температура на печката беше 260 ℃, а другите услови за тестирање беа исти како оние на опремата за тестирање. DOE тестот и резултатите беа прикажани во Табела 3. Влијанијата на дебелината на челичната мрежа и времето на рефлукс врз QFN и дупките за заварување со чип се прикажани на слика 12. Преку анализата на интеракцијата на главните фактори кои влијаат, откриено е дека со користење на дебелина на челична мрежа од 100 μm и времето на рефлукс од 80 секунди може значително да ја намали шуплината за заварување на QFN и чипот. Стапката на шуплината на заварување на QFN е намалена од максималните 27,8% на 16,1%, а стапката на шуплината на заварување на чипот е намалена од максималните 20,5% на 14,5%.
Во тестот, 1000 производи беа произведени под оптимални услови (дебелина на челична мрежа 100 μm, време на рефлукс од 80 секунди), а стапката на шуплината на заварување од 100 QFN и чипот беше случајно измерена. Просечната стапка на шуплина на заварување на QFN беше 16,4%, а просечната стапка на шуплина на заварување на чипот беше 14,7% Стапката на празнина на заварување на чипот и чипот очигледно се намалени.
4.2 Новиот процес ја подобрува шуплината за заварување
Вистинската производствена ситуација и тестот покажуваат дека кога површината на шуплината за заварување на дното на чипот е помала од 10%, проблемот со пукање на позицијата на шуплината на чипот нема да се појави за време на лепењето и обликувањето на оловото. Процесните параметри оптимизирани од DOE не можат да ги задоволат барањата за анализа и решавање на дупките во конвенционалното заварување со повторно проток на паста за лемење, а стапката на површината на шуплината за заварување на чипот треба дополнително да се намали.
Бидејќи чипот покриен на лемењето спречува гасот во лемењето да избега, стапката на дупки на дното на чипот дополнително се намалува со елиминирање или намалување на обложениот гас за лемење. Усвоен е нов процес на повторно заварување со печатење со две паста за лемење: едно печатење на паста за лемење, едно преточување кое не го покрива QFN и гол чип што го испушта гасот во лемењето; Специфичниот процес на секундарно печатење на паста за лемење, лепенка и секундарен рефлукс е прикажан на Слика 13.
Кога за прв пат ќе се испечати пастата за лемење со дебелина од 75 μm, поголемиот дел од гасот во лемењето без капакот на чипот излегува од површината, а дебелината по рефлуксот е околу 50 μm. По завршувањето на примарниот рефлукс, на површината на изладениот зацврстен лем се печатат мали квадрати (со цел да се намали количината на паста за лемење, да се намали количината на излевање на гас, да се намали или елиминира прскањето на лемењето), а пастата за лемење со дебелина од 50 μm (горните резултати од тестот покажуваат дека 100 μm е најдобро, така што дебелината на секундарното печатење е 100 μm.50 μm=50 μm), потоа инсталирајте го чипот, а потоа вратете го низ 80 с. Речиси нема дупка во лемењето по првото печатење и преточување, а пастата за лемење во второто печатење е мала, а дупката за заварување е мала, како што е прикажано на слика 14.
По две отпечатоци на паста за лемење, шуплив цртеж
4.3 Верификација на ефектот на шуплината на заварување
Производство на 2000 производи (дебелината на првата челична мрежа за печатење е 75 μm, дебелината на втората челична мрежа за печатење е 50 μm), други услови непроменети, случајно мерење на 500 QFN и стапка на шуплина за заварување со чип, покажа дека новиот процес по првиот рефлукс нема шуплина, по вториот рефлукс QFN Максималната стапка на шуплина на заварување е 4,8%, а максималната стапка на шуплина на заварување на чипот е 4,1%. Во споредба со оригиналниот процес на заварување со печатење со една паста и оптимизираниот процес DOE, шуплината на заварувањето е значително намалена, како што е прикажано на слика 15. Не беа пронајдени пукнатини на чипови по функционалните тестови на сите производи.
5 Резиме
Оптимизацијата на количината на печатење на паста за лемење и времето на рефлукс може да ја намали областа на шуплината за заварување, но стапката на шуплината за заварување е сè уште голема. Употребата на две техники за заварување со печатење со паста за лемење може ефикасно и да ја максимизира стапката на шуплината на заварувањето. Областа на заварување на голиот чип на колото QFN може да биде 4,4mm x4,1mm и 3,0mm x2,3mm соодветно при масовно производство. Истражувањето во овој труд дава важна референца за подобрување на проблемот со шуплината на заварување на површината за заварување со голема површина.
