SMT folosește pastă de lipit convențională cu pastă de lipit prin reflow cu aer pentru analiza cavității și soluția (Ediția Essence 2023), o meritați!
1 Introducere
În asamblarea plăcii de circuit, pasta de lipit este imprimată mai întâi pe pad-ul de lipire al plăcii de circuit, apoi se fixează diverse componente electronice. În cele din urmă, după cuptorul de reflow, perlele de staniu din pasta de lipit sunt topite, iar toate tipurile de componente electronice și pad-ul de lipire al plăcii de circuit sunt sudate împreună pentru a realiza asamblarea submodulelor electrice. Tehnologia de montare la suprafață (SMT) este din ce în ce mai utilizată în produsele de ambalare de înaltă densitate, cum ar fi dispozitivele cu nivel de sistem (SiP), dispozitivele Ballgridarray (BGA) și dispozitivele Power Bare Chip, cu pachete pătrate și plate fără pin (Quad AATNo-Lead, denumite QFN).
Datorită caracteristicilor procesului și materialelor de sudare cu pastă de lipit, după sudarea prin reflow a acestor dispozitive cu suprafețe mari de lipit, vor exista găuri în zona de sudare, ceea ce va afecta proprietățile electrice, termice și mecanice ale performanței produsului și chiar va duce la defectarea produsului. Prin urmare, îmbunătățirea cavității de sudare prin reflow a pastei de lipit a devenit o problemă tehnică și de proces care trebuie rezolvată. Unii cercetători au analizat și studiat cauzele cavității de sudare cu bile de lipit BGA și au oferit soluții de îmbunătățire. Soluția pentru cipurile goale din procesul convențional de sudare prin reflow a pastei de lipit cu o suprafață QFN mai mare de 10 mm2 sau o suprafață de sudare mai mare de 6 mm2 lipsește.
Se utilizează sudarea prefabricată cu flux și sudarea în cuptor cu reflux în vid pentru a îmbunătăți gaura de sudură. Aliajele de lipit prefabricate necesită echipamente speciale pentru a puncta fluxul. De exemplu, cipul este decalat și înclinat considerabil după ce cipul este plasat direct pe aliajul de lipit prefabricat. Dacă cipul de montare a fluxului este refolosit și apoi punctat, procesul este crescut cu două refoloiri, iar costul aliajului de lipit prefabricat și al materialului de flux este mult mai mare decât cel al pastei de lipit.
Echipamentul de reflux în vid este mai scump, capacitatea de vid a camerei de vid independente este foarte scăzută, performanța costurilor nu este ridicată, iar problema stropirii de staniu este serioasă, ceea ce reprezintă un factor important în aplicarea produselor de densitate mare și pas mic. În această lucrare, pe baza procesului convențional de sudare prin reflow cu pastă de lipit, este dezvoltat și introdus un nou proces de sudare secundară prin reflow pentru a îmbunătăți cavitatea de sudare și a rezolva problemele de lipire și fisurare a etanșării plastice cauzate de cavitatea de sudare.
2 Cavitatea de sudare prin reflow pentru imprimare cu pastă de lipit și mecanismul de producție
2.1 Cavitatea de sudură
După sudarea prin reflow, produsul a fost testat cu raze X. S-a constatat că găurile din zona de sudură cu o culoare mai deschisă se datorează unei cantități insuficiente de lipire în stratul de sudură, așa cum se arată în Figura 1.
Detectarea cu raze X a găurii bulei
2.2 Mecanismul de formare a cavității de sudură
Luând ca exemplu pasta de lipit sAC305, compoziția și funcția principală sunt prezentate în Tabelul 1. Fluxul și perlele de staniu sunt lipite împreună în formă de pastă. Raportul de greutate dintre lipirea cu staniu și flux este de aproximativ 9:1, iar raportul de volum este de aproximativ 1:1.
După ce pasta de lipit este imprimată și montată cu diverse componente electronice, aceasta va trece prin patru etape de preîncălzire, activare, reflux și răcire atunci când trece prin cuptorul de reflux. Starea pastei de lipit este, de asemenea, diferită, temperaturile fiind diferite în diferite etape, așa cum se arată în Figura 2.
Referință de profil pentru fiecare zonă de lipire prin reflow
În etapa de preîncălzire și activare, componentele volatile din fluxul pastei de lipit se volatilizează în gaz la încălzire. În același timp, se vor produce gaze atunci când oxidul de pe suprafața stratului de sudură este îndepărtat. O parte dintre aceste gaze se vor volatiliza și vor părăsi pasta de lipit, iar perlele de lipit vor fi condensate strâns din cauza volatilizării fluxului. În etapa de reflux, fluxul rămas în pasta de lipit se va evapora rapid, perlele de staniu se vor topi, o cantitate mică de gaz volatil de flux și cea mai mare parte a aerului dintre perlele de staniu nu se vor dispersa în timp, iar reziduurile din staniul topit și sub tensiunea staniului topit formează o structură de tip sandwich hamburger și sunt prinse de placa de lipire a plăcii de circuit și de componentele electronice, iar gazul învelit în staniul lichid este dificil de eliberat doar datorită flotabilității ascendente. Timpul de topire superior este foarte scurt. Când staniul topit se răcește și devine staniu solid, apar pori în stratul de sudură și se formează găuri de lipire, așa cum se arată în Figura 3.
Diagramă schematică a golului generat prin sudarea prin reflow cu pastă de lipit
Cauza principală a apariției cavității de sudură este faptul că aerul sau gazul volatil învelit în pasta de lipit după topire nu este complet evacuat. Factorii de influență includ materialul pastei de lipit, forma imprimată a pastei de lipit, cantitatea imprimată a pastei de lipit, temperatura de reflux, timpul de reflux, dimensiunea sudurii, structura și așa mai departe.
3. Verificarea factorilor de influență ai imprimării pastei de lipit prin reflow a găurilor de sudură
Testele QFN și testele cu așchii goale au fost utilizate pentru a confirma principalele cauze ale golurilor de sudură prin reflow și pentru a găsi modalități de îmbunătățire a golurilor de sudură prin reflow imprimate cu pasta de lipit. Profilul produsului de sudare prin reflow cu QFN și cu așchii goale este prezentat în Figura 4, dimensiunea suprafeței de sudare QFN este de 4,4 mm x 4,1 mm, suprafața de sudură este un strat cositorit (staniu pur 100%); dimensiunea sudurii așchiilor goale este de 3,0 mm x 2,3 mm, stratul de sudură este un strat bimetalic nichel-vanadiu pulverizat catodic, iar stratul de suprafață este vanadiu. Platforma de sudură a substratului a fost imersată în aur electrolit nichel-paladiu, iar grosimea a fost de 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Se utilizează pastă de lipit SAC305, echipamentul de imprimare a pastei de lipit este DEK Horizon APix, echipamentul cuptorului de reflux este BTUPyramax150N, iar echipamentul cu raze X este DAGExD7500VR.
Desene de sudare QFN și cu așchii goale
Pentru a facilita compararea rezultatelor testelor, sudarea prin reflow a fost efectuată în condițiile din Tabelul 2.
Tabelul condițiilor de sudare prin reflow
După finalizarea montajului la suprafață și a sudării prin reflow, stratul de sudură a fost detectat cu raze X și s-a constatat că există găuri mari în stratul de sudură din partea inferioară a QFN și a așchiei goale, așa cum se arată în Figura 5.
QFN și hologramă de cip (cu raze X)
Întrucât dimensiunea cordonului de staniu, grosimea plasei de oțel, rata de deschidere, forma plasei de oțel, timpul de reflux și temperatura maximă a cuptorului vor afecta golurile de sudare prin reflow, există mulți factori de influență, care vor fi verificați direct prin testul DOE, iar numărul de grupuri experimentale va fi prea mare. Este necesar să se selecteze și să se determine rapid principalii factori de influență prin testul de comparare a corelațiilor și apoi să se optimizeze în continuare principalii factori de influență prin DOE.
3.1 Dimensiunile găurilor de lipit și ale perlelor de staniu din pastă de lipit
În cazul testului cu pastă de lipit SAC305 de tip 3 (dimensiunea cordonului 25-45 μm), celelalte condiții rămân neschimbate. După reflow, găurile din stratul de lipit sunt măsurate și comparate cu pasta de lipit de tip 4. Se constată că găurile din stratul de lipit nu diferă semnificativ între cele două tipuri de pastă de lipit, ceea ce indică faptul că pasta de lipit cu dimensiuni diferite ale cordonului nu are o influență evidentă asupra găurilor din stratul de lipit, ceea ce nu reprezintă un factor de influență, așa cum se arată în FIG. 6.
Compararea găurilor din pulberea metalică de staniu cu diferite dimensiuni ale particulelor
3.2 Grosimea cavității de sudură și a plasei de oțel imprimate
După reflow, aria cavității stratului sudat a fost măsurată cu plasă de oțel imprimată cu grosimea de 50 μm, 100 μm și 125 μm, iar celelalte condiții au rămas neschimbate. S-a constatat că efectul diferitelor grosimi ale plasei de oțel (pastei de lipit) asupra QFN a fost comparat cu cel al plasei de oțel imprimate cu grosimea de 75 μm. Pe măsură ce grosimea plasei de oțel crește, aria cavității scade treptat. După atingerea unei anumite grosimi (100 μm), aria cavității se va inversa și va începe să crească odată cu creșterea grosimii plasei de oțel, așa cum se arată în Figura 7.
Acest lucru arată că atunci când cantitatea de pastă de lipit este crescută, staniul lichid cu reflux este acoperit de cip, iar orificiul de evacuare a aerului rezidual este îngust doar pe patru laturi. Când cantitatea de pastă de lipit este modificată, orificiul de evacuare a aerului rezidual este, de asemenea, crescut, iar explozia instantanee de aer învelit în staniul lichid sau gazul volatil care scapă de staniul lichid va face ca staniul lichid să stropească în jurul QFN și al cipului.
Testul a constatat că odată cu creșterea grosimii plasei de oțel, va crește și spargerea bulelor cauzată de evacuarea aerului sau a gazelor volatile, iar probabilitatea stropirii de staniu în jurul rețelei cutanate (QFN) și a așchiei va crește în mod corespunzător.
Compararea găurilor în plasa de oțel de diferite grosimi
3.3 Raportul dintre suprafața cavității de sudură și deschiderea plasei de oțel
Plasa de oțel imprimată cu o rată de deschidere de 100%, 90% și 80% a fost testată, iar celelalte condiții au rămas neschimbate. După reflow, aria cavității stratului sudat a fost măsurată și comparată cu plasa de oțel imprimată cu o rată de deschidere de 100%. S-a constatat că nu există o diferență semnificativă în cavitatea stratului sudat în condițiile unei rate de deschidere de 100% și 90%-80%, așa cum se arată în Figura 8.
Compararea cavității diferitelor zone de deschidere ale diferitelor plase de oțel
3.4 Cavitate sudată și formă de plasă de oțel imprimată
În cadrul testului de imprimare a pastei de lipit a benzii b și a grilei înclinate c, celelalte condiții rămân neschimbate. După reflow, se măsoară aria cavității stratului de sudură și se compară cu forma de imprimare a grilei a. Se constată că nu există o diferență semnificativă în cavitatea stratului de sudură în condițiile de grilă, bandă și grilă înclinată, așa cum se arată în Figura 9.
Compararea găurilor în diferite moduri de deschidere a plasei de oțel
3.5 Cavitatea de sudură și timpul de reflux
După testul cu timp de reflux prelungit (70 s, 80 s, 90 s), celelalte condiții rămân neschimbate. Orificiul din stratul de sudură a fost măsurat după reflux și, comparativ cu timpul de reflux de 60 s, s-a constatat că odată cu creșterea timpului de reflux, aria orificiului de sudură a scăzut, dar amplitudinea reducerii a scăzut treptat odată cu creșterea timpului, așa cum se arată în Figura 10. Acest lucru arată că, în cazul unui timp de reflux insuficient, creșterea timpului de reflux conduce la o revărsare completă a aerului învelit în staniul lichid topit, dar după ce timpul de reflux crește până la un anumit timp, aerul învelit în staniul lichid este dificil de revărsat din nou. Timpul de reflux este unul dintre factorii care afectează cavitatea de sudură.
Compararea vidului între diferite durate de reflux
3.6 Cavitatea de sudură și temperatura maximă a cuptorului
Cu teste de temperatură de vârf a cuptorului de 240 ℃ și 250 ℃ și alte condiții neschimbate, aria cavității stratului sudat a fost măsurată după reflow și, comparativ cu temperatura de vârf a cuptorului de 260 ℃, s-a constatat că, în diferite condiții de temperatură de vârf a cuptorului, cavitatea stratului sudat format din QFN și cip nu s-a modificat semnificativ, așa cum se arată în Figura 11. Aceasta arată că diferitele temperaturi de vârf ale cuptorului nu au un efect evident asupra QFN și a găurii din stratul de sudură al cipului, ceea ce nu este un factor de influență.
Comparație nulă a diferitelor temperaturi de vârf
Testele de mai sus indică faptul că factorii semnificativi care afectează cavitatea stratului de sudură al QFN și a așchiei sunt timpul de reflux și grosimea plasei de oțel.
4 Îmbunătățirea cavității de sudare prin reflow cu pastă de lipit
Test 4.1DOE pentru îmbunătățirea cavității de sudură
Gaura din stratul de sudură dintre QFN și așchie a fost îmbunătățită prin găsirea valorii optime a principalilor factori de influență (timpul de reflux și grosimea plasei de oțel). Pasta de lipit a fost SAC305 tip 4, forma plasei de oțel a fost de tip grilă (grad de deschidere 100%), temperatura maximă a cuptorului a fost de 260 ℃, iar celelalte condiții de testare au fost aceleași cu cele ale echipamentului de testare. Testul DOE și rezultatele au fost prezentate în Tabelul 3. Influențele grosimii plasei de oțel și ale timpului de reflux asupra găurilor de sudură QFN și așchie sunt prezentate în Figura 12. Prin analiza interacțiunii principalilor factori de influență, s-a constatat că utilizarea unei grosimi a plasei de oțel de 100 μm și a unui timp de reflux de 80 s poate reduce semnificativ cavitatea de sudură dintre QFN și așchie. Rata cavității de sudură a QFN este redusă de la un maxim de 27,8% la 16,1%, iar rata cavității de sudură a așchie este redusă de la un maxim de 20,5% la 14,5%.
În cadrul testului, 1000 de produse au fost realizate în condiții optime (grosimea plasei de oțel de 100 μm, timp de reflux de 80 s), iar rata de sudură a 100 QFN și a așchiei a fost măsurată aleatoriu. Rata medie de sudură a QFN a fost de 16,4%, iar rata medie de sudură a așchiei a fost de 14,7%. Rata de sudură a așchiei și a așchiei este evident redusă.
4.2 Noul proces îmbunătățește cavitatea de sudură
Situația reală de producție și testele arată că atunci când suprafața cavității de sudură din partea inferioară a cipului este mai mică de 10%, problema fisurării în poziția cavității cipului nu va apărea în timpul lipirii și turnării cu plumb. Parametrii de proces optimizați prin DOE nu pot îndeplini cerințele de analiză și rezolvare a găurilor în sudarea convențională cu pastă de lipit prin reflow, iar suprafața cavității de sudură a cipului trebuie redusă în continuare.
Deoarece cipul acoperit de lipire previne ieșirea gazului din lipire, rata de formare a găurilor în partea de jos a cipului este redusă și mai mult prin eliminarea sau reducerea gazului acoperit cu lipire. Se adoptă un nou proces de sudare prin reflow cu imprimare cu două paste de lipire: o imprimare cu pastă de lipire, o reflow care nu acoperă QFN și cipul gol care eliberează gazul în lipire; Procesul specific de imprimare secundară a pastei de lipire, patch-uri și reflux secundar este prezentat în Figura 13.
Când pasta de lipit cu grosimea de 75 μm este imprimată pentru prima dată, cea mai mare parte a gazului din lipirea fără acoperire a cipului se scurge de pe suprafață, iar grosimea după reflux este de aproximativ 50 μm. După finalizarea refluxului primar, se imprimă mici pătrate pe suprafața lipiturii solidificate răcite (pentru a reduce cantitatea de pastă de lipit, a reduce cantitatea de gaz revărsat, a reduce sau elimina stropii de lipire) și se imprimă pasta de lipit cu o grosime de 50 μm (rezultatele testelor de mai sus arată că 100 μm este cea mai bună, deci grosimea imprimării secundare este de 100 μm. 50 μm = 50 μm), apoi se instalează cipul și apoi se revine timp de 80 de secunde. După prima imprimare și reflow, aproape nu există nicio gaură în lipire, iar pasta de lipit din a doua imprimare este mică, iar gaura de sudură este mică, așa cum se arată în Figura 14.
După două imprimări de pastă de lipit, desen gol
4.3 Verificarea efectului cavității de sudură
După producția a 2000 de produse (grosimea primei plase de oțel imprimate este de 75 μm, grosimea celei de-a doua plase de oțel imprimate este de 50 μm), în celelalte condiții neschimbate, prin măsurarea aleatorie a 500 QFN și a ratei cavității de sudare a cipului, s-a constatat că în noul proces, după primul reflux, nu există cavitate, iar după al doilea QFN de reflux, rata maximă a cavității de sudare este de 4,8%, iar rata maximă a cavității de sudare a cipului este de 4,1%. Comparativ cu procesul original de sudare cu o singură pastă și procesul optimizat DOE, cavitatea de sudare este semnificativ redusă, așa cum se arată în Figura 15. Nu s-au constatat fisuri ale cipului după testele funcționale ale tuturor produselor.
5 Rezumat
Optimizarea cantității de pastă de lipit imprimată și a timpului de reflux poate reduce suprafața cavității de sudare, dar rata cavității de sudare rămâne în continuare mare. Utilizarea a două tehnici de sudare prin reflow cu pastă de lipit imprimată poate maximiza eficient rata cavității de sudare. Suprafața de sudare a cipului gol al circuitului QFN poate fi de 4,4 mm x 4,1 mm și, respectiv, 3,0 mm x 2,3 mm în producția de masă. Rata cavității de sudare prin reflow este controlată sub 5%, ceea ce îmbunătățește calitatea și fiabilitatea sudării prin reflow. Cercetarea din această lucrare oferă o referință importantă pentru îmbunătățirea problemei cavității de sudare pe suprafețe mari de sudare.
