1 Въведение
При сглобяването на печатна платка, първо върху спояващата площадка на платката се отпечатва спояваща паста, след което се залепват различни електронни компоненти. Накрая, след претопляне в пещта, калаените перли в спояващата паста се стопяват и всички видове електронни компоненти и спояващата площадка на платката се заваряват заедно, за да се осъществи сглобяването на електрически подмодули. Технологията за повърхностен монтаж (SMT) се използва все по-често в продукти с висока плътност на опаковане, като например системни пакети (siP), устройства с ballgridarray (BGA) и устройства с голи чипове, квадратни плоски безпинови пакети (quad AA/No-lead, наричани QFN).
Поради характеристиките на процеса на заваряване с спояваща паста и материалите, след повторно заваряване на тези устройства с голяма спояваща повърхност, в зоната на спояване ще има дупки, които ще повлияят на електрическите, термичните и механичните свойства на продукта. Производителността му може да доведе до повреда. Следователно, подобряването на кухината за повторно заваряване с спояваща паста се е превърнало в технически проблем, който трябва да бъде решен. Някои изследователи са анализирали и проучили причините за кухината за заваряване с топчета от спояваща паста BGA и са предложили решения за подобрение. Конвенционалният процес на повторно заваряване с спояваща паста с площ на заваряване QFN по-голяма от 10 mm2 или площ на заваряване по-голяма от 6 mm2 не предлага решение за гол чип.
Използвайте заваряване с преформи и заваряване във вакуумна рефлуксна пещ, за да подобрите заваръчния отвор. Предварително изработената спойка изисква специално оборудване за насочване на флюса. Например, чипът е изместен и наклонен сериозно, след като чипът е поставен директно върху предварително изработената спойка. Ако чипът за монтиране на флюса се претопи и след това се заточи, процесът се удвоява претопи и цената на предварително изработената спойка и флюсовия материал е много по-висока от тази на спояващата паста.
Вакуумното рефлуксно оборудване е по-скъпо, вакуумният капацитет на независимата вакуумна камера е много нисък, съотношението цена-качество не е високо, а проблемът с пръските на калай е сериозен, което е важен фактор при прилагането на продукти с висока плътност и малка стъпка. В тази статия, въз основа на конвенционалния процес на заваряване с повторно заваряване с паста за спойка, е разработен и въведен нов процес на вторично заваряване с повторно заваряване, който подобрява заваръчната кухина и решава проблемите с лепенето и напукването на пластмасовото уплътнение, причинени от заваръчната кухина.
2. Кухина за заваряване с преформована спояваща паста за печат и механизъм за производство
2.1 Заваръчна кухина
След повторно заваряване, продуктът беше тестван под рентген. Установено е, че дупките в зоната на заваряване с по-светъл цвят се дължат на недостатъчно количество спойка в заваръчния слой, както е показано на Фигура 1.
Рентгеново откриване на отвора в мехурчето
2.2 Механизъм на образуване на заваръчната кухина
Вземайки за пример спояваща паста sAC305, основният състав и функция са показани в Таблица 1. Флюсът и калаените перли са свързани заедно във формата на паста. Тегловното съотношение на калаения припой към флюса е около 9:1, а обемното съотношение е около 1:1.
След като спойката е отпечатана и монтирана с различни електронни компоненти, тя преминава през пещта за рефлукс четири етапа: предварително нагряване, активиране, рефлукс и охлаждане. Състоянието на спойката също е различно с различни температури на различните етапи, както е показано на Фигура 2.
Референтен профил за всяка област на спояване с повторно заваряване
В етапа на предварително нагряване и активиране, летливите компоненти във флюса в спояващата паста ще се изпарят в газ при нагряване. В същото време, когато оксидът от повърхността на заваръчния слой се отстрани, ще се отделят газове. Някои от тези газове ще се изпарят и ще напуснат спояващата паста, а спояващите перли ще се кондензират плътно поради изпаряването на флюса. В етапа на рефлукс, останалият флюс в спояващата паста ще се изпари бързо, калаените перли ще се стопят, малко количество летлив газ от флюса и по-голямата част от въздуха между калаените перли няма да се разпръснат навреме, а остатъците в разтопения калай и под напрежението на разтопения калай образуват сандвич-структура тип „хамбургер“ и се улавят от спояващата площадка на платката и електронните компоненти, а газът, обвит в течния калай, е трудно да се освободи само чрез възходяща плаваемост. Времето за топене на горната част е много кратко. Когато разтопеният калай се охлади и стане твърд, в заваръчния слой се появяват пори и се образуват дупки от спойката, както е показано на Фигура 3.
Схематична диаграма на кухина, генерирана от заваряване с повторно заваряване с паста за спойка
Основната причина за образуването на кухини в заваръчния шев е, че въздухът или летливият газ, обвит в спояващата паста след разтопяване, не се отделя напълно. Влияещите фактори включват материал на спояващата паста, формата на отпечатаната спояваща паста, количеството на отпечатаната спояваща паста, температурата на обратен хладник, времето на обратен хладник, размера на заварката, структурата и т.н.
3. Проверка на влияещите фактори върху отворите за заваряване с повторно заваряване на спояваща паста
Тестовете с QFN и голи чипове бяха използвани за потвърждаване на основните причини за кухини при повторно заваряване и за намиране на начини за подобряване на кухините, отпечатани от спояваща паста. Профилът на продукта за повторно заваряване с QFN и спояваща паста без чипове е показан на Фигура 4. Размерът на заваръчната повърхност на QFN е 4,4 мм x 4,1 мм, заваръчната повърхност е калайдисан слой (100% чист калай); Размерът на заваръчния слой на голия чип е 3,0 мм x 2,3 мм, заваръчният слой е разпрашен никел-ванадиев биметален слой, а повърхностният слой е ванадий. Заваръчната подложка на субстрата е безтоково никел-паладий, позлатена, а дебелината е 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Използвана е спояваща паста SAC305, оборудването за печат на спояваща паста е DEK Horizon APix, оборудването за рефлуксна пещ е BTUPyramax150N, а рентгеновото оборудване е DAGExD7500VR.
Чертежи за заваряване с QFN и гола стружка
За да се улесни сравнението на резултатите от тестовете, беше извършено повторно заваряване при условията в Таблица 2.
Таблица с условия за повторно заваряване
След завършване на повърхностния монтаж и повторното заваряване, заваръчният слой беше открит чрез рентгенова снимка и беше установено, че има големи отвори в заваръчния слой в долната част на QFN и голия чип, както е показано на Фигура 5.
QFN и чип холограма (рентгенова)
Тъй като размерът на калайните мъниста, дебелината на стоманената мрежа, скоростта на отваряне, формата на стоманената мрежа, времето за обратен хладник и пиковата температура на пещта ще повлияят на кухините при повторно заваряване, има много влияещи фактори, които ще бъдат директно проверени чрез DOE тест, а броят на експерименталните групи ще бъде твърде голям. Необходимо е бързо да се проверят и определят основните влияещи фактори чрез корелационен сравнителен тест, а след това допълнително да се оптимизират основните влияещи фактори чрез DOE.
3.1 Размери на отворите за спойка и калаените перли от спояваща паста
При теста с паста за спойка тип 3 (размер на мънистата 25-45 μm) SAC305, другите условия остават непроменени. След повторно нагряване, отворите в слоя спойка се измерват и сравняват с паста тип 4. Установява се, че отворите в слоя спойка не се различават съществено между двата вида паста за спойка, което показва, че пастата за спойка с различен размер на мънистата няма очевидно влияние върху отворите в слоя спойка, което не е влияещ фактор, както е показано на Фиг. 6.
Сравнение на отворите в металния калаен прах с различни размери на частиците
3.2 Дебелина на заваръчната кухина и печатната стоманена мрежа
След повторно заваряване, площта на кухината на заваръчния слой беше измерена с отпечатана стоманена мрежа с дебелина 50 μm, 100 μm и 125 μm, като другите условия останаха непроменени. Установено е, че ефектът от различната дебелина на стоманената мрежа (спояваща паста) върху QFN беше сравнен с този на отпечатана стоманена мрежа с дебелина 75 μm. С увеличаване на дебелината на стоманената мрежа, площта на кухината постепенно намалява бавно. След достигане на определена дебелина (100 μm), площта на кухината ще се обърне и ще започне да се увеличава с увеличаване на дебелината на стоманената мрежа, както е показано на Фигура 7.
Това показва, че когато количеството на спояваща паста се увеличи, течният калай с обратен хладник се покрива от чипа и изходът за остатъчен въздух е тесен само от четири страни. Когато количеството на спояваща паста се промени, изходът за остатъчен въздух също се увеличава и моменталният изблик на въздух, обвит в течен калай, или летлив газ, излизащ от течен калай, ще доведе до разпръскване на течен калай около QFN и чипа.
Тестът установи, че с увеличаване на дебелината на стоманената мрежа, спукването на мехурчетата, причинено от изпускането на въздух или летлив газ, също ще се увеличи, а вероятността от разпръскване на калай около QFN и чипа също ще се увеличи съответно.
Сравнение на отвори в стоманена мрежа с различна дебелина
3.3 Съотношение на площта на заваръчната кухина и отвора на стоманената мрежа
Печатната стоманена мрежа със степен на отваряне 100%, 90% и 80% беше тествана, като другите условия останаха непроменени. След повторно наливане, площта на кухината на заварения слой беше измерена и сравнена с печатната стоманена мрежа със степен на отваряне 100%. Установено е, че няма съществена разлика в кухината на заварения слой при условия на степен на отваряне 100% и 90% 80%, както е показано на Фигура 8.
Сравнение на кухини с различна площ на отвора на различни стоманени мрежи
3.4 Заварена кухина и отпечатана стоманена мрежа
При теста за формата на печат на спойката на лента b и наклонена решетка c, другите условия остават непроменени. След повторно наливане, площта на кухината на заваръчния слой се измерва и сравнява с формата на печат на решетка a. Установява се, че няма съществена разлика в кухината на заваръчния слой при условия на решетка, лента и наклонена решетка, както е показано на Фигура 9.
Сравнение на отворите в различни режими на отваряне на стоманена мрежа
3.5 Заваръчна кухина и време на обратен хладник
След продължително време на рефлукс (70 s, 80 s, 90 s), при останали непроменени условия, отворът в заваръчния слой беше измерен след рефлукс и в сравнение с времето на рефлукс от 60 s беше установено, че с увеличаване на времето на рефлукс площта на заваръчния отвор намалява, но амплитудата на намаляване постепенно намалява с увеличаване на времето, както е показано на Фигура 10. Това показва, че в случай на недостатъчно време на рефлукс, увеличаването на времето на рефлукс е благоприятно за пълното преливане на въздуха, обвит в разтопен течен калай, но след като времето на рефлукс се увеличи до определено време, въздухът, обвит в течен калай, е трудно да прелее отново. Времето на рефлукс е един от факторите, влияещи върху заваръчната кухина.
Невалидно сравнение на различните продължителности на времето за рефлукс
3.6 Заваръчната кухина и пиковата температура на пещта
При тест за пикова температура на пещта от 240 ℃ и 250 ℃ и други непроменени условия, площта на кухината на заваръчния слой беше измерена след повторно наливане и в сравнение с пиковата температура на пещта от 260 ℃ беше установено, че при различни условия на пикова температура на пещта, кухината на заваръчния слой QFN и чипа не се е променила значително, както е показано на Фигура 11. Тя показва, че различната пикова температура на пещта няма очевиден ефект върху QFN и отвора в заваръчния слой на чипа, което не е влияещ фактор.
Невалидно сравнение на различни пикови температури
Горните тестове показват, че значимите фактори, влияещи върху кухината на заваръчния слой на QFN и стружката, са времето на обратен хладник и дебелината на стоманената мрежа.
4 Подобряване на кухината за заваряване с претопляне и печат с спояваща паста
4.1 DOE тест за подобряване на заваръчната кухина
Отворът в заваръчния слой на QFN и чипа беше подобрен чрез намиране на оптималната стойност на основните влияещи фактори (време за обратен хладник и дебелина на стоманената мрежа). Пастата за спояване беше SAC305 тип 4, формата на стоманената мрежа беше тип решетка (100% степен на отваряне), пиковата температура на пещта беше 260 ℃, а другите условия на изпитване бяха същите като тези на изпитвателното оборудване. DOE тестът и резултатите са показани в Таблица 3. Влиянието на дебелината на стоманената мрежа и времето за обратен хладник върху QFN и отворите за заваряване на чипа е показано на Фигура 12. Чрез анализ на взаимодействието на основните влияещи фактори е установено, че използването на стоманена мрежа с дебелина 100 μm и време за обратен хладник от 80 s може значително да намали заваръчната кухина на QFN и чипа. Скоростта на заваръчната кухина на QFN е намалена от максималните 27,8% на 16,1%, а скоростта на заваръчната кухина на чипа е намалена от максималните 20,5% на 14,5%.
В теста бяха произведени 1000 продукта при оптимални условия (дебелина на стоманената мрежа 100 μm, време на обратен хладник 80 s), а процентът на заваръчните кухини от 100 QFN и стружката беше измерен на случаен принцип. Средният процент на заваръчните кухини от QFN беше 16,4%, а средният процент на заваръчните кухини от стружката беше 14,7%. Процентът на заваръчните кухини на стружката и стружката очевидно е намален.
4.2 Новият процес подобрява заваръчната кухина
Реалната производствена ситуация и тестовете показват, че когато площта на заваръчната кухина в долната част на чипа е по-малка от 10%, проблемът с напукване в позицията на кухината на чипа няма да възникне по време на свързването и формоването на изводите. Оптимизираните от DOE параметри на процеса не могат да отговорят на изискванията за анализ и решаване на проблеми с отворите при конвенционалното заваряване с повторно заваряване с паста за спойка и площта на заваръчната кухина на чипа трябва да бъде допълнително намалена.
Тъй като чипът, покрит с припой, предотвратява изтичането на газ от припоя, процентът на отворите в долната част на чипа се намалява допълнително чрез елиминиране или намаляване на покрития с припой газ. Възприет е нов процес на повторно заваряване с два вида печат на спояваща паста: един печат на спояваща паста, един повторно заваряване, който не покрива QFN, и гол чип, изпускащ газ в припоя. Специфичният процес на вторично печатане на спояваща паста, пластир и вторичен обратен хладник е показан на Фигура 13.
Когато за първи път се нанесе спояваща паста с дебелина 75 μm, по-голямата част от газа в спойката без покритие на чипа излиза от повърхността, а дебелината след обратен хладник е около 50 μm. След завършване на първичния обратен хладник, върху повърхността на охладения втвърден спойлер се отпечатват малки квадратчета (за да се намали количеството на спояваща паста, да се намали количеството на разливане на газ, да се намали или елиминира пръскането на спойка) и спояваща паста с дебелина 50 μm (резултатите от горните тестове показват, че 100 μm е най-добрата, така че дебелината на вторичния хладник е 100 μm. 50 μm = 50 μm), след това се монтира чипът и се връща след 80 секунди. След първия хладник и повторно нанасяне почти няма дупки в спойката, а при втория хладник споячната паста е малка и отворът за заваряване е малък, както е показано на Фигура 14.
След два отпечатъка на спояваща паста, куха рисунка
4.3 Проверка на ефекта на заваръчната кухина
Производство на 2000 продукта (дебелината на първата печатна стоманена мрежа е 75 μm, дебелината на втората печатна стоманена мрежа е 50 μm), други условия непроменени, произволно измерване на 500 QFN и скоростта на кухините за заваряване на стружки, установи, че новият процес след първия обратен хладник няма кухини, след втория обратен хладник QFN максималната скорост на кухините за заваряване е 4,8%, а максималната скорост на кухините за заваряване на стружките е 4,1%. В сравнение с оригиналния процес на заваряване с единична паста за печат и оптимизирания от DOE процес, кухините за заваряване са значително намалени, както е показано на Фигура 15. След функционални тестове на всички продукти не са открити пукнатини от стружки.
5 Обобщение
Оптимизирането на количеството напечатана спояваща паста и времето за обратен хладник може да намали площта на заваръчната кухина, но скоростта на заваръчната кухина остава голяма. Използването на две техники за повторно заваряване с печат на спояваща паста може ефективно да увеличи максимално скоростта на заваръчната кухина. Площта на заваряване на гол чип QFN схема може да бъде съответно 4,4 мм x 4,1 мм и 3,0 мм x 2,3 мм при масово производство. Скоростта на заваряване с повторно заваряване се контролира под 5%, което подобрява качеството и надеждността на повторното заваряване. Изследването в тази статия предоставя важна отправна точка за подобряване на проблема със заваръчните кухини при заваръчна повърхност с голяма площ.
Време на публикуване: 05 юли 2023 г.
