1 Уводзіны
Пры зборцы друкаванай платы спачатку на паяльную пляцоўку наносіцца паяльная паста, а затым мацуюцца розныя электронныя кампаненты. Нарэшце, пасля печы аплаўлення, алавяныя шарыкі ў паяльнай пасце плавяцца, і ўсе віды электронных кампанентаў і паяльная пляцоўка друкаванай платы зварваюцца разам для зборкі электрычных падмодуляў. Тэхналогія павярхоўнага мантажу (SMT) усё часцей выкарыстоўваецца ў вырабах з высокай шчыльнасцю ўпакоўкі, такіх як сістэмныя корпусы (SIP), прылады з шарыкавай рашоткай (BGA) і прылады з голым чыпам, квадратным плоскім безвыводным корпусам (QFN).
З-за асаблівасцей працэсу зваркі паяльнай пастай і матэрыялаў, пасля зваркі паяннем гэтых прылад з вялікай паверхняй прыпою ў зоне зваркі паяннем будуць адтуліны, якія паўплываюць на электрычныя, цеплавыя і механічныя ўласцівасці вырабу і нават прывядуць да яго паломкі. Такім чынам, паляпшэнне паражніны для зваркі паяльнай пастай паяннем стала тэхнічнай праблемай, якую неабходна вырашыць. Некаторыя даследчыкі прааналізавалі і вывучылі прычыны паражніны для зваркі шарыкаў прыпою BGA і прапанавалі рашэнні для паляпшэння. Традыцыйныя рашэнні для зваркі паяльнай пастай паяннем з плошчай QFN большай за 10 мм2 або зваркі большай за 6 мм2 не маюць рашэнняў для голых чыпаў.
Для паляпшэння зварной адтуліны выкарыстоўвайце зварку папярэдне вырабленым прыпоем і зварку ў вакуумнай печы з рэфлюксам. Для падрыхтоўкі прыпою патрабуецца спецыяльнае абсталяванне для нанясення флюсу. Напрыклад, пасля таго, як чып размяшчаецца непасрэдна на гатовым прыпоі, чып значна зрушваецца і нахіляецца. Калі чып для мацавання флюсу спачатку аплаўляецца, а потым аплаўляецца, працэс павялічваецца ўдвая, а кошт гатовых прыпояў і флюса значна вышэйшы, чым кошт паяльнай пасты.
Абсталяванне для вакуумнага рэфлюксу каштуе даражэй, вакуумная магутнасць незалежнай вакуумнай камеры вельмі нізкая, эканамічная эфектыўнасць невысокая, а праблема разбрызгвання волава сур'ёзная, што з'яўляецца важным фактарам пры ўжыванні вырабаў з высокай шчыльнасцю і малым крокам. У гэтай працы, на аснове традыцыйнага працэсу зваркі паяльнай пасты, распрацаваны і ўкаранёны новы другасны працэс зваркі паяльнай пастай для паляпшэння зварачнай поласці і вырашэння праблем злучэння і расколін пластыкавых ушчыльненняў, выкліканых зварачнай поласці.
2 Друк паяльнай пасты, зварка паяннем, паражніна і механізм вытворчасці
2.1 Зварачная поласць
Пасля зваркі паплаўленнем выраб быў правераны пад рэнтгенаўскім даследаваннем. Адтуліны ў зоне зваркі больш светлага колеру былі выкліканы недастатковай колькасцю прыпою ў зварачным пласце, як паказана на малюнку 1.
Рэнтгенаўскае выяўленне адтуліны ў бурбалцы
2.2 Механізм утварэння зварачнай поласці
У якасці прыкладу возьмем паяльную пасту sAC305, асноўны склад і функцыі якой паказаны ў табліцы 1. Флюс і алавяныя шарыкі злучаны разам у пасту. Вагавае суадносіны алавянага прыпою і флюсу складае каля 9:1, а аб'ёмнае суадносіны — каля 1:1.
Пасля таго, як паяльная паста надрукавана і змантавана з рознымі электроннымі кампанентамі, яна праходзіць праз печ з зваротным зваротам чатыры этапы: папярэдняе награванне, актывацыя, тэрмаўтварэнне і астуджэнне. Стан паяльнай пасты таксама адрозніваецца пры розных тэмпературах на розных этапах, як паказана на малюнку 2.
Спасылка на профіль для кожнай зоны паяння аплаўленнем
На стадыі папярэдняга нагрэву і актывацыі лятучыя кампаненты флюсу ў прыпойнай пасце пры награванні ператвараюцца ў газ. Адначасова пры выдаленні аксіду з паверхні зварачнага пласта будуць выпрацоўвацца газы. Частка гэтых газаў выпараецца і пакідае прыпойную пасту, а шарыкі прыпою шчыльна кандэнсуюцца з-за выпарэння флюсу. На стадыі кіпення флюс, які застаўся ў прыпойнай пасце, хутка выпараецца, шарыкі волава расплавяцца, невялікая колькасць лятучага газу флюсу і большая частка паветра паміж шарыкамі волава не рассейваюцца своечасова, і рэшткі ў расплаўленым волове і пад нацяжэннем расплаўленага волава ўтвараюць структуру гамбургера-сэндвіча і захопліваюцца прыпойнай пляцоўкай друкаванай платы і электроннымі кампанентамі, і газ, ахінуты вадкім волавам, цяжка выйсці толькі дзякуючы ўзыходзячай плыўнасці. Час плаўлення верхняй часткі вельмі кароткі. Калі расплаўленае волава астывае і становіцца цвёрдым, у зварачным пласце з'яўляюцца поры і ўтвараюцца адтуліны ад прыпою, як паказана на малюнку 3.
Схематычная дыяграма пустэч, якія ўтвараюцца пры зварцы паяльнай пастай паплаўленнем
Асноўнай прычынай зварных поласцей з'яўляецца тое, што паветра або лятучы газ, які знаходзіцца ў прыпоі пасля плаўлення, не цалкам выдаляецца. На гэта ўплываюць такія фактары, як матэрыял прыпою, форма нанясення прыпою, колькасць нанясення прыпою, тэмпература зваротнага адтоку, час зваротнага адтоку, памер зваркі, структура і гэтак далей.
3. Праверка фактараў, якія ўплываюць на друк паяльнай пасты пры паянні адтулін для зваркі аплаўленнем
Выпрабаванні QFN і голых чыпаў былі выкарыстаны для пацверджання асноўных прычын пустэч пры зварцы паяннем і для пошуку спосабаў паляпшэння пустэч, нанесеных прыпоем паяльнай пастай. Профіль прадукту для зваркі паяннем QFN і голых чыпаў паказаны на малюнку 4. Памер паверхні зваркі QFN складае 4,4 мм х 4,1 мм, паверхня зваркі - гэта алавяны пласт (100% чыстае волава); памер зваркі голых чыпаў складае 3,0 мм х 2,3 мм, зварачны пласт - гэта напылены нікель-ванадыевы біметалічны пласт, а павярхоўны пласт - ванадый. Зварачная пляцоўка падкладкі была хімічным нікель-паладыевым напыленнем з пазалотай, а таўшчыня складала 0,4 мкм/0,06 мкм/0,04 мкм. Выкарыстоўвалася прыпойная паста SAC305, абсталяванне для друку прыпойнай пасты - DEK Horizon APix, абсталяванне для зваротнай печы - BTUPyramax150N, а рэнтгенаўскае абсталяванне - DAGExD7500VR.
Чарцяжы зваркі QFN і голай стружкі
Для палягчэння параўнання вынікаў выпрабаванняў была выканана зварка паплаўленнем ва ўмовах, паказаных у табліцы 2.
Табліца ўмоў паплавлення зваркі
Пасля завяршэння павярхоўнага мантажу і зваркі паплаўленнем, зварачны пласт быў выяўлены рэнтгенаўскім метадам, і было выяўлена, што ў зварачным пласце ў ніжняй частцы QFN і голай стружкі ёсць вялікія адтуліны, як паказана на малюнку 5.
QFN і галаграма чыпа (рэнтгенаўскія прамяні)
Паколькі памер алавяных шарыкаў, таўшчыня сталёвай сеткі, хуткасць адкрыцця, форма сталёвай сеткі, час рэфлюксу і пікавая тэмпература печы будуць уплываць на пустэчы пры павярхоўным зварванні, існуе мноства фактараў уплыву, якія будуць непасрэдна правераны тэстам DOE, і колькасць эксперыментальных груп будзе занадта вялікай. Неабходна хутка правесці адбор і вызначыць асноўныя фактары ўплыву з дапамогай карэляцыйнага параўнальнага тэсту, а затым далей аптымізаваць асноўныя фактары ўплыву з дапамогай DOE.
3.1 Памеры адтулін для паяння і алавяных шарыкаў прыпойнай пасты
Пры выпрабаванні прыпойнай пасты SAC305 тыпу 3 (памер шарыкаў 25-45 мкм) іншыя ўмовы застаюцца нязменнымі. Пасля аплаўлення адтуліны ў пласце прыпоя вымяраюцца і параўноўваюцца з прыпойнай пастай тыпу 4. Выяўлена, што адтуліны ў пласце прыпоя істотна не адрозніваюцца паміж двума тыпамі прыпойнай пасты, што сведчыць аб тым, што прыпойная паста з розным памерам шарыкаў не аказвае відавочнага ўплыву на адтуліны ў пласце прыпоя, што не з'яўляецца фактарам уплыву, як паказана на мал. 6.
Параўнанне адтулін у парашку металічнага волава з рознымі памерамі часціц
3.2 Таўшчыня зварачнай поласці і друкаванай сталёвай сеткі
Пасля паплавлення плошча паражніны зварнога пласта вымяралася з дапамогай друкаванай сталёвай сеткі таўшчынёй 50 мкм, 100 мкм і 125 мкм, прычым іншыя ўмовы заставаліся нязменнымі. Было выяўлена, што ўплыў рознай таўшчыні сталёвай сеткі (прыпойнай пасты) на QFN параўноўваўся з уплывам друкаванай сталёвай сеткі таўшчынёй 75 мкм. Па меры павелічэння таўшчыні сталёвай сеткі плошча паражніны паступова памяншаецца. Пасля дасягнення пэўнай таўшчыні (100 мкм) плошча паражніны зменіцца і пачне павялічвацца са павелічэннем таўшчыні сталёвай сеткі, як паказана на малюнку 7.
Гэта паказвае, што пры павелічэнні колькасці паяльнай пасты вадкае волава з зваротным пласце пакрываецца чыпам, і выхад рэшткавага паветра звужаецца толькі з чатырох бакоў. Пры змене колькасці паяльнай пасты выхад рэшткавага паветра таксама павялічваецца, і імгненны выбух паветра, абгорнутага вадкім волавам, або лятучага газу, які выходзіць з вадкага волава, прывядзе да разбрызгвання вадкага волава вакол QFN і чыпа.
Выпрабаванне паказала, што са павелічэннем таўшчыні сталёвай сеткі павялічваецца і верагоднасць разрыву бурбалак, выкліканага выхадам паветра або лятучага газу, і адпаведна павялічваецца верагоднасць разбрызгвання волава вакол QFN і стружкі.
Параўнанне адтулін у сталёвай сетцы рознай таўшчыні
3.3 Суадносіны плошчаў зварачнай поласці і адтуліны сталёвай сеткі
Была пратэставана друкаваная сталёвая сетка з хуткасцю адкрыцця 100%, 90% і 80%, прычым іншыя ўмовы заставаліся нязменнымі. Пасля аплаўлення плошча паражніны зваранага пласта была вымерана і параўнана з друкаванай сталёвай сеткай са хуткасцю адкрыцця 100%. Было выяўлена, што не было істотнай розніцы ў паражніне зваранага пласта пры ўмовах хуткасці адкрыцця 100% і 90%-80%, як паказана на малюнку 8.
Параўнанне паражнін рознай плошчы адтуліны розных сталёвых сетак
3.4 Звараная поласць і друкаваная сталёвая сетка
Пры выпрабаванні формы друку паяльнай пасты палоскі b і нахільнай сеткі c іншыя ўмовы застаюцца нязменнымі. Пасля аплаўлення плошча паражніны зварачнага пласта вымяраецца і параўноўваецца з формай друку сеткі a. Выяўляецца, што няма істотнай розніцы ў паражніне зварачнага пласта ва ўмовах сеткі, палоскі і нахільнай сеткі, як паказана на малюнку 9.
Параўнанне адтулін у розных рэжымах адчынення сталёвай сеткі
3.5 Зварачная поласць і час рэфлюксу
Пасля працяглага выпрабавання на кіпячэнне (70 с, 80 с, 90 с) пры астатніх нязменных умовах адтуліна ў зварачным пласце вымяралася пасля кіпячэння і ў параўнанні з часам кіпячэння 60 с выявілася, што з павелічэннем часу кіпячэння плошча зварачнай адтуліны памяншалася, але амплітуда памяншэння паступова памяншалася з павелічэннем часу, як паказана на малюнку 10. Гэта паказвае, што ў выпадку недастатковага часу кіпячэння павелічэнне часу кіпячэння спрыяе поўнаму перапаўненню паветра, абгорнутага расплаўленым вадкім волавам, але пасля павелічэння часу кіпячэння да пэўнага часу паветра, абгорнутае вадкім волавам, цяжка зноў перапаўняецца. Час кіпячэння з'яўляецца адным з фактараў, якія ўплываюць на зварачную поласць.
Несапраўднае параўнанне рознай працягласці часу рэфлюксу
3.6 Зварачная поласць і пікавая тэмпература печы
Пры выпрабаванні пікавай тэмпературы печы 240 ℃ і 250 ℃ і іншых нязменных умовах, плошча паражніны зваранага пласта была вымерана пасля паплавлення, і ў параўнанні з пікавай тэмпературай печы 260 ℃ было выяўлена, што пры розных умовах пікавай тэмпературы печы паражніна зваранага пласта QFN і стружкі істотна не змянілася, як паказана на малюнку 11. Відаць, што розная пікавая тэмпература печы не аказвае відавочнага ўплыву на QFN і адтуліну ў зварачным пласце стружкі, што не з'яўляецца фактарам уплыву.
Несапраўднае параўнанне розных пікавых тэмператур
Вышэйзгаданыя выпрабаванні паказваюць, што істотнымі фактарамі, якія ўплываюць на паражніну зварнога пласта QFN і стружку, з'яўляюцца час рэфлюксу і таўшчыня сталёвай сеткі.
4 Паляпшэнне паражніны для друку паяльнай пасты пры паянні
4.1 Выпрабаванне DOE для паляпшэння зварачнай поласці
Адтуліна ў зварачным пласце QFN і стружкі была палепшана шляхам пошуку аптымальнага значэння асноўных фактараў, якія ўплываюць (час рэфлюксу і таўшчыня сталёвай сеткі). Прыпойная паста была SAC305 тыпу4, форма сталёвай сеткі была тыпу сеткі (100% ступень адкрыцця), пікавая тэмпература печы складала 260 ℃, а іншыя ўмовы выпрабаванняў былі такімі ж, як і ў выпрабавальным абсталяванні. Вынікі выпрабаванняў DOE паказаны ў табліцы 3. Уплыў таўшчыні сталёвай сеткі і часу рэфлюксу на адтуліны для зваркі QFN і стружкі паказаны на малюнку 12. Дзякуючы аналізу ўзаемадзеяння асноўных фактараў, якія ўплываюць, было выяўлена, што выкарыстанне таўшчыні сталёвай сеткі 100 мкм і часу рэфлюксу 80 с можа значна паменшыць паражніну зваркі QFN і стружкі. Хуткасць паражніны зваркі QFN зніжаецца з максімальных 27,8% да 16,1%, а хуткасць паражніны зваркі стружкі зніжаецца з максімальных 20,5% да 14,5%.
У ходзе выпрабаванняў было выраблена 1000 вырабаў пры аптымальных умовах (таўшчыня сталёвай сеткі 100 мкм, час рэфлюксу 80 с), і выпадковым чынам вымяралася хуткасць зварвання 100 QFN і скола. Сярэдняя хуткасць зварвання QFN склала 16,4%, а сярэдняя хуткасць зварвання скола - 14,7%. Хуткасць зварвання скола і скола відавочна знізілася.
4.2 Новы працэс паляпшае зварачную поласць
Рэальная вытворчая сітуацыя і выпрабаванні паказваюць, што калі плошча зварачнай поласці ў ніжняй частцы чыпа складае менш за 10%, праблема расколін у пазіцыі поласці чыпа не ўзнікае падчас злучэння вывадаў і фармавання. Параметры працэсу, аптымізаваныя Міністэрствам энергетыкі ЗША, не могуць задаволіць патрабаванні аналізу і вырашэння праблем з адтулінамі пры традыцыйнай зварцы паяльнай пастай, і плошча зварачнай поласці чыпа патрабуе дадатковага зніжэння.
Паколькі чып, пакрыты прыпоем, перашкаджае выхаду газу з прыпою, колькасць адтулін у ніжняй частцы чыпа яшчэ больш зніжаецца за кошт ліквідацыі або памяншэння пакрыцця газам з прыпоем. Выкарыстоўваецца новы працэс аплаўлення зваркі з двума спосабамі нанясення прыпою: адзін спосаб нанясення прыпою, другі спосаб аплаўлення без пакрыцця QFN і голы чып, які вылучае газ у прыпоі. Канкрэтны працэс другаснага нанясення прыпою, напластавання і другаснага рэфлюксу паказаны на малюнку 13.
Пры першым нанясенні прыпоя таўшчынёй 75 мкм большая частка газу ў прыпоі без пакрыцця чыпа выходзіць з паверхні, і таўшчыня пасля кіпення складае каля 50 мкм. Пасля завяршэння першаснага кіпення на паверхню астылага зацвярдзелага прыпоя наносяцца невялікія квадраты (каб паменшыць колькасць прыпоя, паменшыць колькасць разліву газу, паменшыць або ліквідаваць разбрызгіванне прыпоя), а таксама прыпой таўшчынёй 50 мкм (прыведзеныя вышэй вынікі выпрабаванняў паказваюць, што 100 мкм - найлепшы варыянт, таму таўшчыня другаснага друку складае 100 мкм. 50 мкм = 50 мкм), затым усталёўваецца чып і вяртаецца праз 80 секунд. Пасля першага друку і аплаўлення ў прыпоі амаль няма адтулін, а пры другім друку колькасць прыпоя невялікая, а адтуліна для зваркі невялікая, як паказана на малюнку 14.
Пасля двух адбіткаў паяльнай пасты, полы малюнак
4.3 Праверка ўплыву зварачнай поласці
Выпуск 2000 адзінак прадукцыі (таўшчыня першай друкаванай сталёвай сеткі 75 мкм, таўшчыня другой друкаванай сталёвай сеткі 50 мкм), іншыя ўмовы заставаліся нязменнымі, выпадковыя вымярэнні 500 QFN і хуткасці зваркі стружкі паказалі, што ў новым працэсе пасля першага рэфлюксу стружкі няма, пасля другога рэфлюксу QFN максімальная хуткасць зваркі стружкі складае 4,8%, а максімальная хуткасць зваркі стружкі - 4,1%. У параўнанні з першапачатковым працэсам зваркі з адной пастай і аптымізаваным DOE працэсам, зварка стружкі значна паменшылася, як паказана на малюнку 15. Пасля функцыянальных выпрабаванняў усіх вырабаў расколін ад стружкі выяўлена не было.
5 Кароткі змест
Аптымізацыя колькасці нанясення прыпоя пасты і часу адпаючай пасты можа паменшыць плошчу паражніны зваркі, але хуткасць зваркі ўсё яшчэ вялікая. Выкарыстанне двух метадаў друку прыпоя пастай і зваркі аплаўленнем можа эфектыўна і максымізаваць хуткасць зваркі. Плошча зваркі неапрацаванага чыпа схемы QFN можа складаць 4,4 мм x 4,1 мм і 3,0 мм x 2,3 мм адпаведна пры масавай вытворчасці. Хуткасць зваркі аплаўленнем кантралюецца ніжэй за 5%, што паляпшае якасць і надзейнасць зваркі аплаўленнем. Даследаванне, праведзенае ў гэтай працы, з'яўляецца важнай крыніцай інфармацыі для паляпшэння праблемы зваркі вялікай плошчы паверхні зваркі.
Час публікацыі: 05 ліпеня 2023 г.
