SMT kasutab tavapärase jootepasta õhuvooluga keevitusõõnsuste analüüsi ja lahendust (2023 Essence Edition), te väärite seda!
1 Sissejuhatus
Trükkplaadi kokkupanekul trükitakse jootepasta esmalt trükkplaadi jooteplatsile ja seejärel kinnitatakse mitmesugused elektroonikakomponendid. Lõpuks, pärast sulatusahju sulatatakse jootepastas olevad tinahelmed ning igasugused elektroonikakomponendid ja trükkplaadi jooteplats keevitatakse kokku, et teostada elektriliste alammoodulite kokkupanek. Pindmontaažitehnoloogiat (sMT) kasutatakse üha enam suure tihedusega pakenditoodetes, näiteks süsteemitaseme pakendites (siP), ballgridraiverites (BGA) ja toiteplokkides, ruudukujuliste lamedate kontaktideta pakendites (quad aatNo-lead, edaspidi QFN) seadmetes.
Jootepasta keevitusprotsessi ja materjalide omaduste tõttu tekivad nende suurte jootepindadega seadmete tagasivoolukeevituse järel jootepasta keevituspiirkonda augud, mis mõjutavad toote elektrilisi, termilisi ja mehaanilisi omadusi ning võivad isegi toote rikke põhjustada. Seetõttu on jootepasta tagasivoolukeevituse õõnsuse parandamine muutunud protsessiks ja tehniliseks probleemiks, mis tuleb lahendada. Mõned teadlased on analüüsinud ja uurinud BGA jootepalli keevitusõõnsuse põhjuseid ning pakkunud välja parenduslahendusi. Puudub tavapärase jootepasta tagasivoolukeevitusprotsessi lahendus, mille puhul QFN-i keevitusala on suurem kui 10 mm2 või keevitusala on suurem kui 6 mm2. Paljaste kiipide lahendus on puudulik.
Keevitusava parandamiseks kasutage eelvormitud joodise keevitust ja vaakumtagastusahju keevitust. Eelvalmistatud joodise puhul on vaja spetsiaalset varustust räbusti suunamiseks. Näiteks pärast kiibi asetamist otse eelvalmistatud jootele nihutatakse ja kallutatakse kiip tugevalt. Kui voolukinnitusega kiip sulatatakse uuesti ja seejärel suunatakse, pikeneb protsess kahekordse sulatamise võrra ning eelvalmistatud joodise ja voolumaterjali maksumus on palju suurem kui jootepasta puhul.
Vaakumtagastusseadmed on kallimad, sõltumatu vaakumkambri vaakumvõimsus on väga madal, kulutõhusus ei ole kõrge ja tina pritsimise probleem on tõsine, mis on oluline tegur suure tihedusega ja väikese sammuga toodete kasutamisel. Selles artiklis töötatakse välja ja tutvustatakse tavapärase jootepasta tagasivoolukeevitusprotsessi põhjal uut sekundaarset tagasivoolukeevitusprotsessi, et parandada keevitusõõnsust ning lahendada keevitusõõnsusest tingitud liimimise ja plasttihendite pragunemise probleeme.
2 Jootepasta trükkimise tagasivoolukeevitusõõnsus ja tootmismehhanism
2.1 Keevitusõõnsus
Pärast reflow-keevitamist testiti toodet röntgenkiirguse all. Heledama värvusega keevitustsooni augud leiti olevat tingitud ebapiisavast joodisest keevituskihis, nagu on näidatud joonisel 1.
Mulliaugu röntgenikiirguse tuvastamine
2.2 Keevitusõõnsuse moodustumise mehhanism
Näiteks sAC305 jootepasta peamine koostis ja funktsioon on näidatud tabelis 1. Voog ja tinagraanulid on pasta kujul kokku liimitud. Tinajoodise ja voolu kaalu suhe on umbes 9:1 ja mahu suhe on umbes 1:1.
Pärast jootepasta printimist ja erinevate elektroonikakomponentide külge kinnitamist läbib jootepasta tagasijooksuahju läbides neli etappi: eelsoojendus, aktiveerimine, tagasivool ja jahutamine. Jootepasta olek on samuti erinevate temperatuuride korral eri etappides erinev, nagu on näidatud joonisel 2.
Profiiliviide iga reflow-jooteala jaoks
Eelsoojenduse ja aktiveerimise etapis lenduvad jootepastas olevas räbustis olevad lenduvad komponendid kuumutamisel gaasiks. Samal ajal tekivad gaasid, kui keevituskihi pinnal olev oksiid eemaldatakse. Osa neist gaasidest lendub ja lahkub jootepastast ning jootegraanulid kondenseeruvad räbusti lenduvuse tõttu tihedalt. Tagasivooluetapis aurustub jootepastas olev räbust kiiresti, tinagraanulid sulavad, väike kogus räbusti lenduvat gaasi ja suurem osa tinagraanulite vahel olevast õhust ei haju õigeaegselt ning sulas tinas ja sula tina pinge all olevad jäägid moodustavad hamburgerikujulise võileiva struktuuri ja jäävad trükkplaadi jootepadja ja elektroonikakomponentide vahele ning vedelasse tina mähitud gaasi on raske välja pääseda ainult ülespoole suunatud ujuvuse tõttu. Ülemine sulamisaeg on väga lühike. Kui sula tina jahtub ja muutub tahkeks tinaks, tekivad keevituskihis poorid ja tekivad jooteaugud, nagu on näidatud joonisel 3.
Jootepasta tagasivoolukeevituse teel tekkiva tühimiku skemaatiline diagramm
Keevitusõõnsuse algpõhjus on see, et jootepastasse mähitud õhk või lenduv gaas ei ole pärast sulamist täielikult välja eraldunud. Mõjutavate tegurite hulka kuuluvad jootepasta materjal, jootepasta trükikuju, jootepasta trükikogus, tagasijooksutemperatuur ja -aeg, keevitussuurus ja struktuur.
3. Jootepasta trükkimise tagasivoolukeevitusavade mõjutavate tegurite kontrollimine
QFN ja palja kiibi testidega kinnitati tagasivoolukeevituse tühimike peamiste põhjuste esinemist ja leiti viise jootepasta abil trükitud tagasivoolukeevituse tühimike parandamiseks. QFN ja palja kiibi jootepasta tagasivoolukeevituse tooteprofiil on näidatud joonisel 4, QFN keevituspinna suurus on 4,4 mm x 4,1 mm, keevituspind on tinatatud kiht (100% puhas tina); palja kiibi keevitussuurus on 3,0 mm x 2,3 mm, keevituskiht on pihustatud nikkel-vanaadium-bimetallkiht ja pinnakiht on vanaadium. Aluspinna keevituspadi oli elektrolüüsivaba nikkel-pallaadium-kullaga katmine ja paksus oli 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Kasutati SAC305 jootepastat, jootepasta trükkimise seade oli DEK Horizon APix, tagasijooksuahju seade on BTUPyramax150N ja röntgeniseade on DAGExD7500VR.
QFN ja paljaslaastuga keevituse joonised
Katsetulemuste võrdlemise hõlbustamiseks viidi läbi reflow-keevitus tabelis 2 esitatud tingimustel.
Reflow-keevitustingimuste tabel
Pärast pinna paigaldamise ja tagasivoolukeevituse lõpetamist tuvastati keevituskiht röntgenikiirguse abil ja leiti, et QFN-i ja palja kiibi allosas olid keevituskihis suured augud, nagu on näidatud joonisel 5.
QFN ja kiibihologramm (röntgen)
Kuna tinahelmeste suurus, terasvõrgu paksus, ava pindala kiirus, terasvõrgu kuju, tagasijooksuaeg ja ahju tipptemperatuur mõjutavad kõik tagasivoolukeevituse tühimikke, on palju mõjutegureid, mida saab otseselt kontrollida DOE-testiga, ja katserühmade arv on liiga suur. On vaja kiiresti sõeluda ja määrata peamised mõjutavad tegurid korrelatsioonivõrdlustesti abil ning seejärel optimeerida peamisi mõjutegureid DOE abil.
3.1 Jooteaukude ja jootepasta tinahelmeste mõõtmed
3. tüüpi (graanulite suurus 25–45 μm) SAC305 jootepasta testi puhul jäävad muud tingimused samaks. Pärast sulatamist mõõdetakse jootekihi auke ja võrreldakse neid 4. tüüpi jootepastaga. Leiti, et jootekihi aukude suurus ei erine kahe jootepasta tüübi vahel oluliselt, mis näitab, et erineva suurusega graanulitel ei ole jootekihi aukudele ilmset mõju, mis ei ole mõjutav tegur, nagu on näidatud joonisel 6.
Erineva osakeste suurusega metallilise tinapulbri aukude võrdlus
3.2 Keevitusõõnsuse ja trükitud terasvõrgu paksus
Pärast sulatamist mõõdeti keevitatud kihi õõnsuse pindala trükitud terasvõrguga paksustega 50 μm, 100 μm ja 125 μm ning muud tingimused jäid samaks. Leiti, et erineva paksusega terasvõrgu (jootepasta) mõju QFN-ile võrreldi 75 μm paksusega trükitud terasvõrgu omaga. Terasvõrgu paksuse suurenedes väheneb õõnsuse pindala järk-järgult aeglaselt. Pärast teatud paksuse (100 μm) saavutamist pöördub õõnsuse pindala ja hakkab terasvõrgu paksuse suurenemisega suurenema, nagu on näidatud joonisel 7.
See näitab, et jootepasta koguse suurendamisel katab kiip tagasivooluga vedela tina ja jääkõhu väljalaskeava on neljast küljest kitsas. Jootepasta koguse muutmisel suureneb ka jääkõhu väljalaskeava ning vedelasse tina mähitud õhu või vedelast tinast väljuva lenduva gaasi kohene purske põhjustab vedela tina pritsimist QFN-i ja kiibi ümber.
Katses leiti, et terasvõrgu paksuse suurenemisega suureneb ka õhu või lenduva gaasi väljapääsust tingitud mullide lõhkemine ning vastavalt suureneb ka tina pritsimise tõenäosus QFN-i ja laastu ümber.
Erineva paksusega terasvõrgu aukude võrdlus
3.3 Keevitusõõnsuse ja terasvõrgu ava pindalade suhe
Trükitud terasvõrku testiti avanemismääradega 100%, 90% ja 80% ning muud tingimused jäid samaks. Pärast sulatamist mõõdeti keevitatud kihi õõnsuse pindala ja võrreldi seda 100% avanemismääraga trükitud terasvõrguga. Leiti, et 100% ja 90% 80% avanemismäärade korral ei olnud keevitatud kihi õõnsuses olulist erinevust, nagu on näidatud joonisel 8.
Erinevate terasvõrkude erineva ava pindalaga õõnsuste võrdlus
3.4 Keevitatud õõnsus ja trükitud terasvõrgu kuju
Riba b ja kaldvõrgu c jootepasta trükikuju testimisel jäävad muud tingimused samaks. Pärast sulatamist mõõdetakse keevituskihi õõnsuse pindala ja võrreldakse seda võrgu a trükikujuga. Leiti, et keevituskihi õõnsuses ei ole võrgu, riba ja kaldvõrgu tingimustes olulist erinevust, nagu on näidatud joonisel 9.
Terasvõrgu erinevate avamisviiside aukude võrdlus
3.5 Keevitusõõnsus ja tagasijooksuaeg
Pärast pikka tagasijooksuaja (70 s, 80 s, 90 s) katset, kus muud tingimused jäid samaks, mõõdeti keevituskihi auku pärast tagasijooksu ja võrreldes 60 sekundilise tagasijooksuajaga leiti, et tagasijooksuaja pikenemisega keevitusava pindala vähenes, kuid vähenemise amplituud vähenes järk-järgult aja pikenemisega, nagu on näidatud joonisel 10. See näitab, et ebapiisava tagasijooksuaja korral soodustab tagasijooksuaja pikenemine sulas vedelasse tinasse mähitud õhu täielikku ülevoolu, kuid pärast tagasijooksuaja pikenemist teatud ajani on vedelasse tinasse mähitud õhku raske uuesti üle voolata. Tagasijooksuaeg on üks keevitusõõnsust mõjutavaid tegureid.
Erinevate tagasijooksuaegade tühine võrdlus
3.6 Keevitusõõnsuse ja ahju tipptemperatuuri
240 ℃ ja 250 ℃ ahju tipptemperatuuri katses ning muudes muutumatutes tingimustes mõõdeti keevitatud kihi õõnsuse pindala pärast sulatamist ja võrreldes 260 ℃ ahju tipptemperatuuriga leiti, et erinevatel ahju tipptemperatuuri tingimustel ei muutunud QFN-i ja kiibi keevitatud kihi õõnsus oluliselt, nagu on näidatud joonisel 11. See näitab, et erinevatel ahju tipptemperatuuridel ei ole QFN-ile ja kiibi keevituskihis olevale augule ilmset mõju, mis ei ole mõjutav tegur.
Erinevate tipptemperatuuride tühine võrdlus
Ülaltoodud katsed näitavad, et QFN-i ja laastu keeviskihi õõnsust mõjutavad olulised tegurid on tagasijooksuaeg ja terasvõrgu paksus.
4 Jootepasta trükkimise tagasivoolukeevitusõõnsuse parendamine
4.1DOE test keevitusõõnsuse parandamiseks
QFN-i ja kiibi keevituskihi auku parandati peamiste mõjurite (tagasijooksuaeg ja terasvõrgu paksus) optimaalsete väärtuste leidmise teel. Jootepasta oli SAC305 tüüp 4, terasvõrgu kuju oli ruudukujuline (100% avatusaste), ahju tipptemperatuur oli 260 ℃ ja muud katsetingimused olid samad, mis katseseadmetel. DOE-test ja tulemused on esitatud tabelis 3. Terasvõrgu paksuse ja tagasijooksuaja mõju QFN-i ja kiibi keevitusavadele on näidatud joonisel 12. Peamiste mõjurite koostoime analüüsi abil leiti, et 100 μm terasvõrgu paksuse ja 80 s tagasijooksuaja kasutamine võib oluliselt vähendada QFN-i ja kiibi keevitusõõnsust. QFN-i keevitusõõnsuse määr väheneb maksimaalselt 27,8%-lt 16,1%-le ja kiibi keevitusõõnsuse määr väheneb maksimaalselt 20,5%-lt 14,5%-le.
Testis valmistati optimaalsetes tingimustes (100 μm terasvõrgu paksus, 80 s tagasijooksuaeg) 1000 toodet ning mõõdeti juhuslikult 100 QFN ja laastu keevitusõõnsuse tekkimise kiirust. QFN keskmine keevitusõõnsuse tekkimise kiirus oli 16,4% ja laastu keskmine keevitusõõnsuse tekkimise kiirus oli 14,7%. Laastu ja laastu keevitusõõnsuse tekkimise kiirus on märgatavalt vähenenud.
4.2 Uus protsess parandab keevitusõõnsust
Tegelik tootmisolukord ja katsed näitavad, et kui kiibi põhjas oleva keevitusõõnsuse pindala on alla 10%, siis plii liimimise ja vormimise ajal kiibiõõnsuse asukoha pragunemise probleemi ei teki. Energiaministeeriumi (DOE) optimeeritud protsessiparameetrid ei suuda tavapärase jootepasta tagasivoolukeevituse aukude analüüsimise ja lahendamise nõudeid täita ning kiibi keevitusõõnsuse pindala tuleb veelgi vähendada.
Kuna jooteplaadile kantud kiip takistab jooteplaadis oleva gaasi väljapääsu, vähendatakse kiibi põhjas olevate aukude tekkimise kiirust veelgi, kõrvaldades või vähendades jooteplaadiga kaetud gaasi. Kasutusele on võetud uus kahe jootepastaga trükkimise korduvsulatuskeevituse protsess: üks jootepasta trükkimine, teine korduvsulatus, mis ei kata QFN-i, ja teine korduvsulatuskeep, mis juhib gaasi jooteplaadile. Teisese jootepasta trükkimise, paiga ja teisese tagasivoolu spetsiifiline protsess on näidatud joonisel 13.
Kui 75 μm paksust jootepastat esmakordselt trükitakse, pääseb suurem osa kiibikatteta joodises olevast gaasist pinnalt välja ja tagasijooksujärgne paksus on umbes 50 μm. Pärast primaarse tagasijooksu lõppu trükitakse jahtunud tahkestunud joodise pinnale väikesed ruudud (jootepasta hulga vähendamiseks, gaasi lekke vähendamiseks, joodise pritsmete vähendamiseks või kõrvaldamiseks) ja jootepasta paksusega 50 μm (ülaltoodud katsetulemused näitavad, et parim paksus on 100 μm, seega on sekundaarse trüki paksus 100 μm.50 μm = 50 μm), seejärel paigaldatakse kiip ja seejärel 80 sekundi jooksul tagasi. Pärast esimest printimist ja tagasivoolu joodises pole peaaegu ühtegi auku ning teisel trükkimisel on jootepasta väike ja keevitusava on väike, nagu on näidatud joonisel 14.
Pärast kahte jootepasta printimist, õõnesjoonis
4.3 Keevitusõõnsuse efekti kontrollimine
2000 toote tootmine (esimese trükiterasest võrgu paksus oli 75 μm, teise trükiterasest võrgu paksus oli 50 μm), muud tingimused muutmata, 500 QFN ja kiibi keevitusõõnsuse kiiruse juhuslik mõõtmine näitas, et uue protsessiga pärast esimest tagasivoolu õõnsust ei tekkinud, pärast teist tagasivoolu QFN oli keevitusõõnsuse maksimaalne kiirus 4,8% ja kiibi maksimaalne keevitusõõnsuse kiirus 4,1%. Võrreldes algse ühepastaga trükkkeevitusprotsessi ja DOE optimeeritud protsessiga on keevitusõõnsus oluliselt vähenenud, nagu on näidatud joonisel 15. Pärast kõigi toodete funktsionaalseid katseid ei leitud kiibipragusid.
5 Kokkuvõte
Jootepasta trükkimise koguse ja tagasijooksuaja optimeerimine võib vähendada keevitusõõnsuse pindala, kuid keevitusõõnsuse kiirus on siiski suur. Kahe jootepasta trükkimise tagasivoolukeevitustehnika kasutamine saab keevitusõõnsuse kiirust tõhusalt maksimeerida. QFN-ahela palja kiibi keevitusala võib masstootmises olla vastavalt 4,4 mm x 4,1 mm ja 3,0 mm x 2,3 mm. Tagasivoolukeevituse õõnsuse kiirust hoitakse alla 5%, mis parandab tagasivoolukeevituse kvaliteeti ja töökindlust. Käesolevas artiklis esitatud uuring pakub olulist teavet suure keevituspinna keevitusõõnsuse probleemi lahendamiseks.
