1 Уводзіны
У зборцы друкаванай платы паяльная паста спачатку наносіцца на пляцоўку для прыпоя друкаванай платы, а затым прымацоўваюцца розныя электронныя кампаненты. Нарэшце, пасля печы аплавлення шарыкі волава ў паяльнай пасце расплаўляюцца, і ўсе віды электронных кампанентаў і пляцоўкі для прыпоя друкаванай платы зварваюцца разам, каб рэалізаваць зборку электрычных субмодуляў. Тэхналогія павярхоўнага мантажу (sMT) усё часцей выкарыстоўваецца ва ўпаковачных прадуктах высокай шчыльнасці, такіх як упакоўка сістэмнага ўзроўню (siP), прылады з шарыкавымі сеткамі (BGA), а таксама ў квадратных плоскіх бескантактных упакоўках (QFN) ) прылада.
З-за характарыстык працэсу зваркі паяльнай пастай і матэрыялаў, пасля зваркі аплавленнем гэтых прылад з вялікай паверхняй прыпоя ў зоне зваркі прыпоем будуць адтуліны, якія будуць уплываць на электрычныя ўласцівасці, цеплавыя ўласцівасці і механічныя ўласцівасці прадукту Прадукцыйнасць, і нават прывесці да выхаду прадукту з ладу, такім чынам, для паляпшэння паяльнай пасты аплавленне зварачнай паражніны стала працэсам і тэхнічнай праблемай, якую неабходна вырашыць, некаторыя даследчыкі прааналізавалі і вывучылі прычыны зварачнай паражніны прыпоя BGA і прадаставілі рашэнні для паляпшэння, звычайны прыпой працэс зваркі аплавленнем пасты, плошча зваркі QFN больш за 10 мм2 або плошча зваркі больш за 6 мм2 не хапае рашэння з голай стружкай.
Для паляпшэння зварнога адтуліны выкарыстоўвайце зварку з прыпоем і зварку ў вакуумнай печы з зваротным флегмай. Зборны прыпой патрабуе спецыяльнага абсталявання для нанясення флюсу. Напрыклад, чып зрушаны і сур'ёзна нахілены пасля таго, як чып размешчаны непасрэдна на зборным прыпоі. Калі чып з мацаваннем флюсу аплаўлены, а затым кропкавы, працэс аплаўлення павялічваецца на два, і кошт зборнага прыпоя і флюсу значна вышэй, чым паяльнай пасты.
Вакуумнае абсталяванне з рэфлюксам каштуе даражэй, магутнасць вакууму незалежнай вакуумнай камеры вельмі нізкая, кошт невысокі, а праблема распырсквання волава сур'ёзная, што з'яўляецца важным фактарам пры ўжыванні высокай шчыльнасці і малога кроку прадукты. У гэтым артыкуле на аснове звычайнага працэсу зваркі аплавленнем паяльнай пастай распрацаваны і ўведзены новы другасны працэс зваркі аплавленнем для паляпшэння зварачнай паражніны і вырашэння праблем склейвання і расколін пластыкавага ўшчыльнення, выкліканых зваркай.
2 Друк паяльнай пасты аплавленнем зварачнай паражніны і вытворчы механізм
2.1 Зварачная паражніна
Пасля зваркі аплавленнем прадукт быў пратэставаны рэнтгенаўскім выпраменьваннем. Было ўстаноўлена, што адтуліны ў зоне зваркі больш светлага колеру ўзніклі з-за недастатковай колькасці прыпоя ў зварным пласце, як паказана на малюнку 1
Рэнтгеналагічнае выяўленне пузырькового адтуліны
2.2 Механізм утварэння зварачнай паражніны
На прыкладзе паяльнай пасты sAC305 асноўны склад і функцыі паказаны ў табліцы 1. Флюс і шарыкі волава злучаны разам у форму пасты. Суадносіны вагі алавянага прыпоя і флюсу каля 9:1, а аб'ёмныя - каля 1:1.
Пасля таго, як паяльная паста надрукавана і зманціравана з рознымі электроннымі кампанентамі, паяльная паста будзе праходзіць чатыры стадыі папярэдняга нагрэву, актывацыі, флегмы і астуджэння, калі яна праходзіць праз рэфлюксную печ. Стан паяльнай пасты таксама адрозніваецца пры розных тэмпературах на розных этапах, як паказана на малюнку 2.
Спасылка на профіль для кожнай вобласці паяння аплавленнем
На этапе папярэдняга нагрэву і актывацыі лятучыя кампаненты флюсу паяльнай пасты пры награванні будуць ператварацца ў газ. У той жа час пры выдаленні аксіду на паверхні зварачнага пласта будуць утварацца газы. Частка гэтых газаў выпарыцца і пакіне паяльную пасту, а шарыкі прыпоя будуць шчыльна ўшчыльнены з-за выпарэння флюсу. На стадыі зваротнага халадзільніка флюс, які застаўся ў паяльнай пасце, хутка выпараецца, шарыкі волава расплавяцца, невялікая колькасць лятучага газу і большая частка паветра паміж шарыкамі волава не рассейваюцца своечасова, і рэшткі ў расплаўленае волава і пад напругай расплаўленага волава маюць гамбургерную сэндвіч-структуру і захопліваюцца прыпойнай пляцоўкай друкаванай платы і электроннымі кампанентамі, а газу, загорнутаму ў вадкае волава, цяжка выйсці толькі дзякуючы плавучасці ўверх Верхні час плаўлення вельмі кароткі. Калі расплаўленае волава астывае і ператвараецца ў цвёрдае волава, у зварачным пласце з'яўляюцца пары і ўтвараюцца адтуліны для прыпоя, як паказана на малюнку 3.
Прынцыповая дыяграма пустэчы, якая ўтвараецца пры зварцы аплавленнем паяльнай пастай
Асноўная прычына паражніны пры зварцы заключаецца ў тым, што паветра або лятучы газ, загорнуты ў паяльную пасту пасля расплаўлення, не выводзіцца цалкам. Фактары, якія ўплываюць, ўключаюць матэрыял паяльнай пасты, форму друку паяльнай пасты, колькасць друку паяльнай пасты, тэмпературу флегмы, час флегмы, памер зваркі, структуру і гэтак далей.
3. Праверка фактараў, якія ўплываюць на адтуліны для зваркі аплавленнем паяльнай пасты
Тэсты QFN і аголеных чыпаў былі выкарыстаны для пацверджання асноўных прычын узнікнення пустот пры зварцы аплавленнем і для пошуку спосабаў паляпшэння пустот пры зварцы аплавленнем, надрукаваных паяльнай пастай. Профіль прадукту для зваркі аплавленнем QFN і паяльнай пасты аплавленнем паказаны на малюнку 4, памер зварачнай паверхні QFN складае 4,4 мм х 4,1 мм, зварная паверхня ўяўляе сабой луджаны пласт (100% чыстае волава); Памер зваркі аголенага чыпа складае 3,0 мм х 2,3 мм, зварачны пласт уяўляе сабой напылены нікель-ванадыевы біметалічны пласт, а павярхоўны пласт - ванадый. Зварачная пляцоўка падкладкі мела нікель-паладыевае залацістае апусканне, а таўшчыня была 0,4 мкм/0,06 мкм/0,04 мкм. Выкарыстоўваецца паяльная паста SAC305, абсталяванне для друку з паяльнай пасты - DEK Horizon APix, абсталяванне для рэфлюкснай печы - BTUPyramax150N, а рэнтгенаўскае - DAGExD7500VR.
QFN і чарцяжы зваркі голай стружкі
Для палягчэння параўнання вынікаў выпрабаванняў была выканана зварка аплавленнем ва ўмовах, прыведзеных у табліцы 2.
Табліца ўмоў зваркі оплавлением
Пасля завяршэння павярхоўнага мантажу і зваркі аплавленнем зварачны пласт быў выяўлены з дапамогай рэнтгена, і было выяўлена, што ўнізе QFN і голай стружкі ў зварачным слоі ёсць вялікія адтуліны, як паказана на малюнку 5.
QFN і галаграма чыпа (рэнтген)
Паколькі памер бляшанага шарыка, таўшчыня сталёвай сеткі, хуткасць адкрыцця плошчы, форма сталёвай сеткі, час флегмы і пікавая тэмпература печы будуць уплываць на пустэчы пры зварцы аплавленнем, ёсць шмат фактараў, якія ўплываюць, якія будуць непасрэдна правераны тэстам DOE, а таксама колькасць эксперыментальных групы будуць занадта вялікімі. Неабходна хутка адсеяць і вызначыць асноўныя фактары ўплыву з дапамогай тэсту параўнання карэляцыі, а затым дадаткова аптымізаваць асноўныя фактары ўплыву з дапамогай DOE.
3.1 Памеры адтулін для прыпоя і алавяных шарыкаў паяльнай пасты
Пры выпрабаванні паяльнай пасты тыпу 3 (памер шарыкаў 25-45 мкм) SAC305 іншыя ўмовы застаюцца нязменнымі. Пасля аплаўлення адтуліны ў пласце прыпоя вымяраюцца і параўноўваюцца з паяльнай пастай тыпу 4. Выяўлена, што адтуліны ў пласце прыпоя істотна не адрозніваюцца паміж двума відамі паяльнай пасты, што паказвае на тое, што паяльная паста з розным памерам шарыкаў не аказвае відавочнага ўплыву на адтуліны ў пласце прыпоя, што не з'яўляецца ўплывовым фактарам, як паказана на мал. 6 Як паказана.
Параўнанне адтулін для парашка металічнага волава з рознымі памерамі часціц
3.2 Таўшчыня зварачнай паражніны і друкаванай сталёвай сеткі
Пасля аплавлення плошча паражніны зварнога пласта вымяралася друкаванай сталёвай сеткай таўшчынёй 50 мкм, 100 мкм і 125 мкм, а іншыя ўмовы заставаліся нязменнымі. Было ўстаноўлена, што ўплыў рознай таўшчыні сталёвай сеткі (паяльнай пасты) на QFN параўноўвалі з уплывам друкаванай сталёвай сеткі таўшчынёй 75 мкм. Па меры павелічэння таўшчыні сталёвай сеткі плошча паражніны паступова павольна памяншаецца. Пасля дасягнення пэўнай таўшчыні (100 мкм) плошча паражніны зменіцца і пачне павялічвацца з павелічэннем таўшчыні сталёвай сеткі, як паказана на малюнку 7.
Гэта сведчыць аб тым, што пры павелічэнні колькасці паяльнай пасты вадкае волава з рэфлюксам пакрываецца чыпам, а выхад рэшткавага паветра звужаецца толькі з чатырох бакоў. Калі колькасць паяльнай пасты змяняецца, выхад рэшткавага паветра таксама павялічваецца, і імгненны выкід паветра, загорнутага ў вадкае волава, або лятучы газ, які выходзіць з вадкага волава, прывядзе да распырсквання вадкага волава вакол QFN і мікрасхемы.
Выпрабаванне паказала, што з павелічэннем таўшчыні сталёвай сеткі, выбух бурбалкі, выкліканы выхадам паветра або лятучага газу, таксама павялічыцца, і верагоднасць пырскаў волава вакол QFN і стружкі таксама ўзрасце адпаведна.
Параўнанне адтулін у сталёвай сетцы рознай таўшчыні
3.3 Суадносіны плошчы зварачнай паражніны і адтуліны сталёвай сеткі
Была пратэставана друкаваная сталёвая сетка з частатой раскрыцця 100%, 90% і 80%, іншыя ўмовы заставаліся нязменнымі. Пасля аплаўлення была вымераная плошча паражніны зварнога пласта і параўнана з надрукаванай сталёвай сеткай са 100% хуткасцю адкрыцця. Было выяўлена, што не было істотнай розніцы ў паражніны зварнога пласта ва ўмовах хуткасці раскрыцця 100% і 90% 80%, як паказана на малюнку 8.
Параўнанне паражнін рознай плошчы адкрыцця рознай сталёвай сеткі
3.4 Зварная паражніна і форма друкаванай сталёвай сеткі
Пры праверцы формы друку паяльнай пасты паласы b і нахіленай сеткі c іншыя ўмовы застаюцца нязменнымі. Пасля аплавлення плошча паражніны зварачнага пласта вымяраецца і параўноўваецца з формай друкаванай сеткі а. Выяўлена, што няма істотнай розніцы ў паражніны зварачнага пласта ва ўмовах сеткі, палос і нахіленай сеткі, як паказана на малюнку 9.
Параўнанне адтулін у розных рэжымах адчынення сталёвай сеткі
3.5 Зварачная паражніна і час флегмы
Пасля працяглага выпрабавання часу флегмы (70 с, 80 с, 90 с) іншыя ўмовы застаюцца нязменнымі, адтуліну ў зварным пласце было вымерана пасля флегмы, і ў параўнанні з часам флегмы ў 60 с было выяўлена, што з павелічэннем час кіпячэння, плошча зварачнай адтуліны памяншалася, але амплітуда скарачэння паступова памяншалася з павелічэннем часу, як паказана на малюнку 10. Гэта паказвае, што ў выпадку недастатковага часу кіпячэння павелічэнне часу рэфлюксу спрыяе поўнаму перапаўненню паветра загорнуты ў расплаўленае вадкае волава, але пасля павелічэння часу рэфлюксу да пэўнага часу паветра, загорнутае ў вадкае волава, цяжка зноў пераліцца. Час флегмы - адзін з фактараў, якія ўплываюць на зварачную паражніну.
Пустота параўнання розных працягласцяў часу рэфлюксу
3.6 Зварачная паражніна і пікавая тэмпература печы
Пры выпрабаванні пікавай тэмпературы печы 240 ℃ і 250 ℃ і іншых умовах нязменнымі была вымерана плошча паражніны зварнога пласта пасля аплаўлення, і ў параўнанні з пікавай тэмпературай печы 260 ℃ было выяўлена, што пры розных умовах пікавай тэмпературы печы поласць звараны пласт QFN і чыпа істотна не змяніўся, як паказана на малюнку 11. Гэта паказвае, што розная пікавая тэмпература печы не аказвае відавочнага ўплыву на QFN і адтуліну ў зварным пласце чыпа, што не з'яўляецца ўплывовым фактарам.
Пустота параўнання розных пікавых тэмператур
Прыведзеныя вышэй выпрабаванні паказваюць, што істотнымі фактарамі, якія ўплываюць на паражніну зварнога пласта QFN і стружкі, з'яўляюцца час флегмы і таўшчыня сталёвай сеткі.
4 Паляпшэнне паражніны зваркі аплавленнем паяльнай пастай
Тэст 4.1DOE для паляпшэння зварачнай паражніны
Адтуліну ў зварачным слоі QFN і стружкі палепшылі шляхам пошуку аптымальнага значэння асноўных фактараў, якія ўплываюць (час флегмы і таўшчыня сталёвай сеткі). Паяльная паста была SAC305 тыпу 4, форма сталёвай сеткі была тыпу сеткі (ступень адкрыцця 100%), пікавая тэмпература печы была 260 ℃, а іншыя ўмовы выпрабаванняў былі такімі ж, што і ў выпрабавальнага абсталявання. Тэст DOE і вынікі паказаны ў табліцы 3. Уплыў таўшчыні сталёвай сеткі і часу флегмы на QFN і адтуліны для зваркі стружкі паказаны на малюнку 12. Дзякуючы аналізу ўзаемадзеяння асноўных фактараў, якія ўплываюць, выяўлена, што пры выкарыстанні таўшчыні сталёвай сеткі 100 мкм і час кіпячэння 80 с можа значна паменшыць зварачную паражніну QFN і чыпа. Каэфіцыент зварачных паражнін QFN зніжаецца з максімальных 27,8% да 16,1%, а каэфіцыент зварачных паражнін стружкі зніжаецца з максімальных 20,5% да 14,5%.
Падчас выпрабаванняў было выраблена 1000 вырабаў у аптымальных умовах (таўшчыня сталёвай сеткі 100 мкм, час кіпячэння 80 с), а хуткасць зварачнай паражніны 100 QFN і стружкі вымяралася выпадковым чынам. Сярэдняя доля паражнін пры зварцы QFN склала 16,4%, а сярэдняя доля паражнін пры зварцы стружкі - 14,7%.
4.2 Новы працэс паляпшае зварачную паражніну
Фактычная вытворчая сітуацыя і выпрабаванні паказваюць, што калі плошча зварачнай паражніны ў ніжняй частцы чыпа складае менш за 10%, праблема расколіны ў становішчы чыпа не будзе ўзнікаць падчас склейвання і фармавання свінцу. Параметры працэсу, аптымізаваныя Міністэрствам энергетыкі, не могуць адпавядаць патрабаванням аналізу і вырашэння дзірак пры звычайнай зварцы аплавленнем паяльнай пастай, і плошча зварачнай паражніны мікрасхемы неабходна яшчэ больш паменшыць.
Паколькі мікрасхема, пакрытая прыпоем, прадухіляе выхад газу ў прыпой, частата адтулін у ніжняй частцы мікрасхемы яшчэ больш зніжаецца за кошт выдалення або памяншэння газу, пакрытага прыпоем. Прыняты новы працэс зваркі аплавленнем з двума друкамі паяльнай пастай: адна друк з паяльнай пасты, адна аплавленнем не пакрывае QFN і голым чыпам, які выпускае газ у прыпой; Канкрэтны працэс друку другаснай паяльнай пасты, пластыру і другаснай рэфлюксу паказаны на малюнку 13.
Калі паяльная паста таўшчынёй 75 мкм друкуецца ў першы раз, большая частка газу ў прыпоі без крышкі мікрасхемы выходзіць з паверхні, а таўшчыня пасля флегмы складае каля 50 мкм. Пасля завяршэння першаснага флегмы на паверхні астуджанага зацвярдзелага прыпоя друкуюцца невялікія квадрацікі (з мэтай памяншэння колькасці паяльнай пасты, памяншэння колькасці працёку газу, памяншэння або ліквідацыі пырскаў прыпоя) і паяльнай пасты з таўшчыню 50 мкм (прыведзеныя вышэй вынікі выпрабаванняў паказваюць, што 100 мкм з'яўляецца лепшым, таму таўшчыня другаснага друку складае 100 мкм. 50 мкм = 50 мкм), затым усталюйце чып, а потым вярніцеся праз 80 с. Пасля першага друку і аплавлення ў прыпоі амаль няма адтуліны, а паяльная паста пры другім друку малая, а адтуліна для зваркі маленькая, як паказана на малюнку 14.
Пасля двух адбіткаў паяльнай пасты малюнак пустоты
4.3 Праверка эфекту зварачнай паражніны
Вытворчасць 2000 вырабаў (таўшчыня сталёвай сеткі для першага друку складае 75 мкм, таўшчыня сталёвай сеткі для другога друку складае 50 мкм), іншыя ўмовы без зменаў, выпадковае вымярэнне 500 QFN і хуткасць зваркі стружкі, выявіла, што новы працэс пасля першага рэфлюксу няма паражніны, пасля другога рэфлюксу QFN. Максімальная частата зварачных паражнін складае 4,8%, а максімальная хуткасць зварачных паражнін чыпа - 4,1%. У параўнанні з арыгінальным працэсам зваркі з аднапастовым друкам і працэсам, аптымізаваным Міністэрствам энергетыкі, зварачная паражніна значна паменшана, як паказана на малюнку 15. Пасля функцыянальных выпрабаванняў усіх прадуктаў расколін не выяўлена.
5 Рэзюмэ
Аптымізацыя колькасці друку паяльнай пасты і часу флегмы можа паменшыць плошчу зварачнай паражніны, але хуткасць зварачнай паражніны ўсё яшчэ вялікая. Выкарыстанне двух метадаў зваркі аплавленнем паяльнай пасты можа эфектыўна і максімальна павялічыць хуткасць зварачнай паражніны. Плошча зваркі аголенага чыпа схемы QFN можа складаць 4,4 мм x 4,1 мм і 3,0 мм x 2,3 мм адпаведна ў масавай вытворчасці. Каэфіцыент паражнін пры зварцы аплавленнем кантралюецца ніжэй за 5%, што паляпшае якасць і надзейнасць зваркі аплавленнем. Даследаванне ў гэтым артыкуле з'яўляецца важным арыенцірам для паляпшэння праблемы зварачнай паражніны вялікай плошчы зваркі паверхні.
Час публікацыі: 5 ліпеня 2023 г
