SMT kasutab tavalist jootepasta õhu tagasivooluga keevitusõõnte analüüsi ja lahendust (2023. aasta Essence Edition), olete selle ära teeninud!
1. Sissejuhatus
Trükkplaadi koostu puhul trükitakse trükkplaadi jootepadjale esmalt jootepasta ja seejärel kinnitatakse erinevad elektroonilised komponendid.Lõpuks sulatatakse pärast tagasivooluahju jootepastas olevad tinahelmed ning kõikvõimalikud elektroonilised komponendid ja trükkplaadi jootepadi keevitatakse kokku, et realiseerida elektriliste alammoodulite kokkupanek.pindmontaažitehnoloogiat (sMT) kasutatakse üha enam suure tihedusega pakendamistoodetes, nagu süsteemitasemel pakett (siP), ballgridarray (BGA) seadmed ja toiteallika kiip, ruudukujuline lame tihvtideta pakend (quad aatNo-lead, edaspidi QFN). ) seade.
Jootepasta keevitusprotsessi ja -materjalide omaduste tõttu tekivad pärast nende suurte jootepinnaga seadmete tagasivooluga keevitamist jootekeevituspiirkonnas augud, mis mõjutavad toote elektrilisi, termilisi ja mehaanilisi omadusi. viia isegi toote rikkeni, seetõttu on jootepasta taasvoolu keevitusõõnsuse parandamiseks muutunud protsess ja tehniline probleem, mis tuleb lahendada, mõned teadlased on analüüsinud ja uurinud BGA jootekuuli keevitusõõnsuse põhjuseid ning pakkunud parenduslahendusi, tavalist joodet. pasta reflow keevitusprotsessi keevitusala QFN suurem kui 10mm2 või keevitusala suurem kui 6mm2 palja kiibi lahendus puudub.
Keevisaugu parandamiseks kasutage preformsolderi keevitamist ja vaakum-tagasivooluga keevitamist.Kokkupandavad joodised vajavad räbusti suunamiseks spetsiaalset varustust.Näiteks kiip on nihutatud ja tõsiselt kallutatud pärast seda, kui kiip on asetatud otse kokkupandavale joodisele.Kui räbusti paigaldamise kiip on tagasivoolav ja seejärel punkt, suurendatakse protsessi kahe tagasivoolu võrra ning kokkupandava joote- ja räbustimaterjali maksumus on palju suurem kui jootepasta.
Vaakum-tagasivooluseadmed on kallimad, sõltumatu vaakumkambri vaakumvõimsus on väga madal, kulutasuvus ei ole kõrge ja tina pritsmeprobleem on tõsine, mis on oluline tegur suure tihedusega ja väikese sammu kasutamisel. tooted.Selles artiklis, mis põhineb tavapärasel jootepasta tagasivoolu keevitusprotsessil, töötatakse välja ja tutvustatakse uut sekundaarset tagasivoolu keevitusprotsessi, et parandada keevitusõõnsust ja lahendada keevitusõõnsusest põhjustatud liimimise ja plastilise tihendi pragunemise probleeme.
2 Jootepasta printimise reflow keevitusõõnsus ja tootmismehhanism
2.1 Keevitusõõnsus
Pärast tagasivooluga keevitamist testiti toodet röntgenikiirguse all.Leiti, et heledamat värvi keevitustsooni augud on tingitud keevituskihi ebapiisavast joodist, nagu on näidatud joonisel 1.
Mulliaugu tuvastamine röntgenikiirgusega
2.2 Keevitusõõne moodustumise mehhanism
Võttes näiteks sAC305 jootepasta, on põhikoostis ja funktsioon näidatud tabelis 1. Räbusti ja tinahelmed on omavahel liimitud pasta kujul.Tinajoodise ja räbusti massisuhe on umbes 9:1 ja mahusuhe on umbes 1:1.
Pärast jootepasta printimist ja erinevate elektrooniliste komponentidega paigaldamist läbib jootepasta tagasijooksuahju läbimisel neli eelsoojenduse, aktiveerimise, tagasijooksu ja jahutamise etappi.Jootepasta olek on samuti erinev erinevate temperatuuride korral erinevates etappides, nagu on näidatud joonisel 2.
Profiili viide iga reflow-jootmise ala jaoks
Eelkuumutamise ja aktiveerimise etapis lenduvad jootepasta räbusti lenduvad komponendid kuumutamisel gaasiks.Samal ajal tekivad keevituskihi pinnalt oksiidi eemaldamisel gaasid.Mõned neist gaasidest lenduvad ja lahkuvad jootepastast ning jooteterakesed kondenseeruvad räbusti lendumise tõttu tihedalt.Tagasijooksufaasis aurustub jootepastas järelejäänud räbusti kiiresti, tinahelmed sulavad, väike kogus lenduvat räbust ja suurem osa õhust tinahelmeste vahel ei haju õigeaegselt ning jääk tinahelmeste vahel. sula tina ja sula tina pinge all on hamburgeri võileiva struktuur ja neid püüavad kinni trükkplaadi jootepadi ja elektroonikakomponendid ning vedelasse tina mähitud gaas on raske välja pääseda ainult ülespoole tõusva ujuvuse tõttu. Ülemine sulamisaeg on väga lühike.Kui sula tina jahtub ja muutub tahkeks tinaks, tekivad keevituskihti poorid ja tekivad jooteavad, nagu on näidatud joonisel 3.
Jootepasta tagasivoolu keevitamisel tekkinud tühimiku skemaatiline diagramm
Keevitusõõne algpõhjus on see, et pärast sulamist jootepastasse mähitud õhk või lenduv gaas ei tühjene täielikult.Mõjutavateks teguriteks on jootepasta materjal, jootepasta printimise kuju, jootepasta prinditav kogus, tagasijooksutemperatuur, tagasijooksuaeg, keevitamise suurus, struktuur ja nii edasi.
3. Jootepasta trükkimise reflow keevitusavade mõjutegurite kontrollimine
QFN-i ja palja kiibi teste kasutati, et kinnitada tagasivoolamisega keevituse tühimike peamisi põhjuseid ja leida viise, kuidas parandada jootepastaga trükitud tagasivoolukeevitustühimeid.QFN ja palja kiibi joodispasta reflow keevitustoote profiil on näidatud joonisel 4, QFN keevituspinna suurus on 4,4 mm x 4,1 mm, keevituspind on tinatatud kiht (100% puhas tina);Paljas kiibi keevitusmõõt on 3,0 mm x 2,3 mm, keevituskiht on pihustatud nikkel-vanaadiumi bimetallikiht ja pinnakiht on vanaadium.Substraadi keevituspadi oli elektroonikavaba nikkel-pallaadiumi kullaga kastmine ja paksus oli 0,4 μm / 0, 06 μm / 0, 04 μm.Kasutatakse SAC305 jootepastat, jootepasta printimisseade on DEK Horizon APix, püstjahutusahju seade on BTUpyramax150N ja röntgeniseade on DAGExD7500VR.
QFN ja paljaste laastude keevitamise joonised
Katsetulemuste võrdlemise hõlbustamiseks viidi läbi tagasivoolukeevitus tabelis 2 toodud tingimustel.
Reflow keevitamise tingimuste tabel
Pärast pindpaigalduse ja tagasivooluga keevitamise lõpetamist tuvastati keevituskiht röntgenikiirgusega ning leiti, et QFN-i põhjas olevas keevituskihis ja paljas kiibis olid suured augud, nagu on näidatud joonisel 5.
QFN ja kiibi hologramm (röntgenikiirgus)
Kuna tinahelmeste suurus, terasvõrgu paksus, avanemisala määr, terasvõrgu kuju, tagasijooksuaeg ja ahju tipptemperatuur mõjutavad tagasivoolu keevituse tühimikke, on palju mõjutegureid, mida kontrollitakse otseselt DOE testiga ja katsete arvuga. rühmad on liiga suured.Korrelatsioonivõrdlustesti abil on vaja kiiresti sõeluda ja määrata peamised mõjutegurid ning seejärel DOE kaudu peamisi mõjutegureid täiendavalt optimeerida.
3.1 Jooteaukude ja jootepasta plekkhelmeste mõõdud
Tüüp3 (tera suurus 25-45 μm) SAC305 jootepasta testiga jäävad muud tingimused muutumatuks.Pärast tagasivoolamist mõõdetakse jootekihis olevad augud ja võrreldakse neid 4. tüüpi jootepastaga.On leitud, et jootekihi augud ei erine oluliselt kahe jootepasta liigi vahel, mis näitab, et erineva suurusega jootepastal ei ole jootekihi aukudele ilmset mõju, mis ei ole mõjutav tegur, nagu on näidatud joonisel fig.6 Nagu näidatud.
Erinevate osakeste suurusega metallist tinapulbri aukude võrdlus
3.2 Keevitusõõne ja trükitud terasvõrgu paksus
Pärast tagasivoolu mõõdeti keevitatud kihi õõnsuse pindala 50 μm, 100 μm ja 125 μm paksusega trükitud terasvõrguga ning muud tingimused jäid muutumatuks.Leiti, et erineva paksusega terasvõrgu (jootepasta) mõju QFN-ile võrreldi trükitud terasvõrgu omaga paksusega 75 μm. Terasvõrgu paksuse kasvades väheneb õõnsuse pindala aeglaselt.Pärast teatud paksuse (100 μm) saavutamist muutub õõnsuse pindala vastupidiseks ja hakkab suurenema koos terasvõrgu paksuse suurenemisega, nagu on näidatud joonisel 7.
See näitab, et jootepasta koguse suurendamisel katab tagasijooksuga vedel tina kiibi ja jääkõhu väljalaskeava on neljast küljest kitsas.Jootepasta koguse muutmisel suureneb ka jääkõhu väljalaskeava ning vedelasse tinasse mähitud õhu või lenduva gaasi väljavoolamine põhjustab vedela tina pritsimise QFN-i ja kiibi ümber.
Katse käigus selgus, et terasvõrgu paksuse suurenemisega suureneb ka õhu või lenduvate gaaside väljapääsust tingitud mullilõhke ning vastavalt suureneb ka tina pritsimise tõenäosus QFN ja laastu ümber.
Erineva paksusega terasvõrgu aukude võrdlus
3.3 Keevitusõõne ja terasvõrgu ava pindala suhe
Testiti trükitud terasvõrku avanemiskiirusega 100%, 90% ja 80% ning muud tingimused jäid muutumatuks.Pärast tagasivoolamist mõõdeti keevitatud kihi õõnsuse pindala ja võrreldi 100% avanemiskiirusega prinditud terasvõrguga.Selgus, et 100% ja 90% 80% avanemiskiiruse tingimustes ei esinenud olulist erinevust keevitatud kihi õõnsuses, nagu on näidatud joonisel 8.
Erinevate terasvõrkude erinevate avanemisalade õõnsuse võrdlus
3.4 Keevitatud õõnsus ja trükitud terasvõrgu kuju
Riba b ja kaldvõre c jootepasta trükikuju testimisel jäävad muud tingimused muutumatuks.Pärast tagasivoolamist mõõdetakse keevituskihi õõnsuse pindala ja võrreldakse ruudustiku a trükikujuga.Leitakse, et keevituskihi õõnsuses ei ole võre, riba ja kaldvõre tingimustes olulist erinevust, nagu on näidatud joonisel 9.
Terasvõrgu erinevate avamisrežiimide aukude võrdlus
3.5 Keevitusõõnsus ja tagasijooksuaeg
Pärast pikemat tagasijooksuaja (70 s, 80 s, 90 s) katset jäävad muud tingimused muutumatuks, keevituskihis mõõdeti auk pärast tagasijooksu ning võrreldes 60 s tagasijooksuajaga leiti, et tagasijooksuaeg, keevitusava pindala vähenes, kuid vähenemise amplituud vähenes aja suurenedes järk-järgult, nagu on näidatud joonisel 10. See näitab, et ebapiisava tagasijooksuaja korral soodustab tagasijooksuaja suurendamine õhu täielikku ülevoolu mässitud sula vedelasse tina, kuid pärast tagasijooksuaja pikenemist teatud ajani on vedelasse tina mähitud õhk raske uuesti üle voolata.Refluksiaeg on üks keevitusõõnsust mõjutavatest teguritest.
Erinevate tagasijooksuaja pikkuste võrdlus tühine
3.6 Keevitusõõnsus ja ahju tipptemperatuur
240 ℃ ja 250 ℃ ahju tipptemperatuuri katse ja muude tingimuste muutmisel mõõdeti keevitatud kihi õõnsuse pindala pärast tagasivoolamist ning võrreldes ahju tipptemperatuuriga 260 ℃ leiti, et ahju erinevatel tipptemperatuuritingimustel on õõnsus keevitatud QFN-i ja laastu kiht oluliselt ei muutunud, nagu on näidatud joonisel 11. See näitab, et ahju erinev tipptemperatuur ei avalda QFN-ile ja kiibi keevituskihis olevale augule ilmset mõju, mis ei ole mõjutav tegur.
Tühine erinevate tipptemperatuuride võrdlus
Ülaltoodud testid näitavad, et QFN-i ja kiibi keeviskihi õõnsust mõjutavad olulised tegurid on tagasijooksuaeg ja terasvõrgu paksus.
4 Jootepasta printimise reflow keevitusõõne parandamine
4.1 DOE test keevitusõõnsuse parandamiseks
QFN-i ja laastu keevituskihis olevat auku parandati, leides peamiste mõjutegurite (tagasijooksuaeg ja terasvõrgu paksus) optimaalse väärtuse.Jootepasta oli SAC305 tüüp4, terasvõrgu kuju oli võretüüp (100% avanemisaste), ahju tipptemperatuur oli 260 ℃ ja muud katsetingimused olid samad, mis katseseadmetel.DOE test ja tulemused on toodud tabelis 3. Terasvõrgu paksuse ja tagasijooksuaja mõju QFN-i ja kiibikeevitusavadele on näidatud joonisel 12. Peamiste mõjutegurite interaktsioonianalüüsi abil leiti, et kasutades 100 μm terassilma paksust ja 80-sekundiline tagasijooksuaeg võib märkimisväärselt vähendada QFN-i ja kiibi keevitusõõnsust.QFN-i keevitusõõnsuse määra vähendatakse maksimaalselt 27,8% -lt 16,1% -ni ja kiibi keevitusõõnsuse määra vähendatakse maksimaalselt 20,5% -lt 14,5% -ni.
Testis toodeti optimaalsetes tingimustes (100 μm terasvõrgu paksus, 80 s tagasijooksuaeg) 1000 toodet ning juhuslikult mõõdeti 100 QFN ja kiibi keevitusõõnsuse kiirust.QFN-i keskmine keevitusõõnsuse määr oli 16,4% ja kiibi keskmine keevitusõõnsuse määr oli 14,7%. Kiibi ja kiibi keevitusõõnsuse määr on ilmselgelt vähenenud.
4.2 Uus protsess parandab keevitusõõnsust
Tegelik tootmisolukord ja katse näitavad, et kui kiibi põhjas olev keevitusõõne pindala on alla 10%, ei teki plii sidumise ja vormimise ajal kiibi õõnsuse positsiooni pragunemise probleemi.DOE optimeeritud protsessiparameetrid ei vasta tavapärase jootepasta tagasivoolu keevitamise aukude analüüsimise ja lahendamise nõuetele ning kiibi keevitusõõne pindala tuleb veelgi vähendada.
Kuna joodisega kaetud kiip takistab joodises oleva gaasi väljapääsu, väheneb kiibi põhjas olevate aukude määr veelgi, eemaldades või vähendades jootekihiga kaetud gaasi.Võetakse kasutusele uus keevitusprotsess kahe jootepasta printimisega: üks jootepasta printimine, üks tagasivoolamine, mis ei kata QFN-i ja tühi kiip, mis tühjendab joodises oleva gaasi;Sekundaarse jootepasta printimise, plaastri ja sekundaarse tagasijooksu spetsiifiline protsess on näidatud joonisel 13.
75 μm paksuse jootepasta esmakordsel trükkimisel väljub suurem osa ilma kiibikatteta joodises olevast gaasist pinnalt ja paksus pärast tagasijooksu on umbes 50 μm.Pärast esmase tagasijooksu lõpetamist trükitakse jahutatud tahkunud joodise pinnale väikesed ruudud (et vähendada jootepasta kogust, vähendada gaasi lekkimist, vähendada või kõrvaldada jootepritsmed) ja jootepasta paksus 50 μm (ülaltoodud katsetulemused näitavad, et 100 μm on parim, seega on sekundaarse trüki paksus 100 μm.50 μm=50 μm), seejärel paigaldage kiip ja seejärel 80 s jooksul tagasi.Pärast esimest trükkimist ja ümbervoolamist pole joodises peaaegu ühtegi auku ning teise printimise jootepasta on väike ja keevitusauk on väike, nagu on näidatud joonisel 14.
Pärast kahte jootepasta trükkimist õõnesjoonistus
4.3 Keevitusõõne mõju kontrollimine
2000 toote tootmine (esimese trükiterasvõrgu paksus on 75 μm, teise trükiterasvõrgu paksus 50 μm), muud tingimused muutmata, pisteline mõõtmine 500 QFN ja kiibi keevitusõõnsuse määr, leiti, et uus protsess pärast esimest tagasijooksu ei teki õõnsust, pärast teist tagasivoolu QFN Maksimaalne keevitusõõne määr on 4,8% ja kiibi maksimaalne keevitusõõnsuse määr on 4,1%.Võrreldes algse ühe pastaga trükkimise keevitusprotsessi ja DOE optimeeritud protsessiga, on keevitusõõnsus oluliselt vähenenud, nagu on näidatud joonisel 15. Kõigi toodete funktsionaalsete katsete järel ei leitud ühtegi kiibi pragusid.
5 Kokkuvõte
Jootepasta printimise koguse ja tagasijooksuaja optimeerimine võib vähendada keevitusõõne pindala, kuid keevitusõõnsuse määr on endiselt suur.Kahe jootepasta printimise reflow keevitusmeetodi kasutamine võib tõhusalt ja maksimeerida keevitusõõnsuse kiirust.QFN-ahela paljaskiibi keevitusala võib masstootmises olla vastavalt 4,4 mm x 4,1 mm ja 3,0 mm x 2,3 mm. Taasvoolukeevituse õõnsuse kiirust kontrollitakse alla 5%, mis parandab tagasivoolukeevituse kvaliteeti ja töökindlust.Käesolevas artiklis esitatud uurimustöö on oluline viide suure ala keevituspinna keevitusõõnsuse probleemi parandamiseks.