1 Johdanto
Piirilevykokoonpanossa juotospasta painetaan ensin piirilevyn juotosalustalle ja sitten kiinnitetään erilaisia elektronisia komponentteja. Lopuksi sulatusuunin jälkeen juotospastassa olevat tinahelmet sulatetaan ja kaikenlaiset elektroniset komponentit ja piirilevyn juotoslevy hitsataan yhteen sähköisten osamoduulien kokoonpanon toteuttamiseksi. pintaliitosteknologiaa (sMT) käytetään yhä useammin suuritiheyksisissa pakkaustuotteissa, kuten järjestelmätason paketeissa (siP), ballgridarray- (BGA) laitteissa ja tehopaljaissa siruissa, neliömäisissä litteissä pinnoittamissa pakkauksissa (quad aatNo-lead, jota kutsutaan nimellä QFN ) laite.
Juotospastahitsausprosessin ja -materiaalien ominaisuuksista johtuen näiden suurten juotospintalaitteiden reflow-hitsauksen jälkeen juotoshitsausalueelle tulee reikiä, jotka vaikuttavat tuotteen sähköisiin ominaisuuksiin, lämpöominaisuuksiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. jopa johtaa tuotteen vioittumiseen, joten juotospastan reflow-hitsausontelon parantamisesta on tullut prosessi- ja tekninen ongelma, joka on ratkaistava, jotkut tutkijat ovat analysoineet ja tutkineet BGA-juotepallon hitsausontelon syitä ja tarjonneet parannusratkaisuja, perinteinen juote tahnan reflow-hitsausprosessin hitsausalue, jonka QFN on suurempi kuin 10 mm2 tai hitsausala suurempi kuin 6 mm2, puuttuu paljain lasturatkaisu.
Käytä Preformsolder-hitsausta ja tyhjiöpalautusuunihitsausta hitsausreiän parantamiseksi. Esivalmistettu juote vaatii erikoislaitteita pistejuotteen tekemiseen. Esimerkiksi siru siirtyy ja kallistuu vakavasti sen jälkeen, kun siru on asetettu suoraan esivalmistetun juotteen päälle. Jos juoksutekiinnityssiru on reflow ja sitten point, prosessi kasvaa kahdella uudelleenvirtauksella, ja esivalmistetun juotteen ja sulatemateriaalin hinta on paljon korkeampi kuin juotospastan.
Tyhjiöpalautuslaitteet ovat kalliimpia, itsenäisen tyhjiökammion tyhjiökapasiteetti on erittäin alhainen, kustannustehokkuus ei ole korkea ja tinan roiskeongelma on vakava, mikä on tärkeä tekijä korkeatiheyksisten ja pienten välien käytössä tuotteita. Tässä paperissa, joka perustuu tavanomaiseen juotospastan reflow-hitsausprosessiin, kehitetään ja otetaan käyttöön uusi toissijainen reflow-hitsausprosessi parantamaan hitsausonteloa ja ratkaisemaan hitsausontelon aiheuttamia kiinnitys- ja muovitiivisteen halkeiluongelmia.
2 Juotospastatulostuksen reflow-hitsausontelo ja tuotantomekanismi
2.1 Hitsausontelo
Reflow-hitsauksen jälkeen tuote testattiin röntgenkuvauksessa. Vaaleamman värin hitsausvyöhykkeen reikien todettiin johtuvan hitsauskerroksen riittämättömästä juotteesta, kuten kuvassa 1
Kuplareiän röntgentunnistus
2.2 Hitsausontelon muodostusmekanismi
Esimerkkinä sAC305-juotepastan pääkoostumus ja toiminta on esitetty taulukossa 1. Flux ja tinahelmet on liitetty yhteen tahnan muotoon. Tinajuotteen painosuhde juoksutteeseen on noin 9:1 ja tilavuussuhde noin 1:1.
Kun juotospasta on painettu ja asennettu erilaisilla elektronisilla komponenteilla, juotospasta käy läpi neljä vaihetta: esilämmitys, aktivointi, palautusjäähdytys ja jäähdytys, kun se kulkee palautusjäähdytysuunin läpi. Myös juotospastan tila on erilainen eri lämpötiloissa eri vaiheissa, kuten kuvassa 2.
Profiiliviite jokaiselle uudelleenvirtausjuotoksen alueelle
Esilämmitys- ja aktivointivaiheessa juotospastan juoksutteen haihtuvat komponentit haihtuvat kuumennettaessa kaasuksi. Samalla syntyy kaasuja, kun hitsauskerroksen pinnalla oleva oksidi poistetaan. Osa näistä kaasuista haihtuu ja poistuu juotospastasta, ja juotoshelmet tiivistyvät tiiviisti juoksutteen haihtumisen vuoksi. Palautusvaiheessa juotospastassa jäljellä oleva juoksute haihtuu nopeasti, tinahelmet sulavat, pieni määrä haihtuvaa kaasua ja suurin osa ilmasta tinahelmien välissä eivät hajoa ajoissa, ja jäännös tinahelmien välissä sula tina ja sulan tinan jännityksen alaisena ovat hampurilaisen sandwich-rakennetta ja jäävät kiinni piirilevyn juotostyynyyn ja elektronisiin komponentteihin, ja nestemäiseen tinaan kietoutunutta kaasua on vaikea poistua vain ylöspäin suuntautuvan kelluvuuden ansiosta. Ylempi sulamisaika on erittäin lyhyt. Kun sula tina jäähtyy ja muuttuu kiinteäksi tinaksi, hitsauskerrokseen muodostuu huokosia ja juotosreiät muodostuvat kuvan 3 mukaisesti.
Kaaviokaavio juotospastan reflow-hitsauksen synnyttämästä tyhjästä
Hitsausontelon perimmäinen syy on se, että juotospastaan sulamisen jälkeen kääritty ilma tai haihtuva kaasu ei poistu kokonaan. Vaikuttavia tekijöitä ovat juotospastan materiaali, juotospastan tulostusmuoto, juotospastan tulostusmäärä, refluksointilämpötila, refluksointiaika, hitsauskoko, rakenne ja niin edelleen.
3. Juotospastatulostuksen reflow-hitsausreikien vaikuttavien tekijöiden todentaminen
QFN- ja paljaslastutesteillä vahvistettiin reflow-hitsauksen onteloiden pääasialliset syyt ja löydettiin tapoja parantaa juotospastalla painettuja reflow-hitsauksen aukkoja. QFN- ja paljaslastuisen juotospastan reflow-hitsaustuotteen profiili on esitetty kuvassa 4, QFN-hitsauspinnan koko on 4,4 mm x 4,1 mm, hitsauspinta on tinattu kerros (100 % puhdasta tinaa); Paljaan sirun hitsauskoko on 3,0 mm x 2,3 mm, hitsauskerros on sputteroitu nikkeli-vanadiinibimetallikerros ja pintakerros on vanadiinia. Substraatin hitsaustyyny oli kemiallisesti nikkeli-palladiumkulta-upotuslevyä ja paksuus oli 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Käytetään SAC305 juotospastaa, juotospastan tulostuslaitteisto on DEK Horizon APix, refluksointiuunilaitteisto on BTUpyramax150N ja röntgenlaite on DAGExD7500VR.
QFN- ja paljaslastuhitsauspiirustukset
Testitulosten vertailun helpottamiseksi suoritettiin reflow-hitsaus taulukon 2 olosuhteissa.
Reflow-hitsauksen kuntotaulukko
Pintaasennuksen ja reflow-hitsauksen valmistuttua hitsauskerros havaittiin röntgensäteellä ja havaittiin, että hitsauskerroksessa oli suuria reikiä QFN:n ja paljaan lastun pohjassa, kuten kuvassa 5.
QFN ja siruhologrammi (röntgen)
Koska tinapallon koko, teräsverkon paksuus, avautumisalue, teräsverkon muoto, refluksointiaika ja uunin huippulämpötila vaikuttavat kaikki takaisinvirtaushitsauksen tyhjiin tiloihin, on monia vaikuttavia tekijöitä, jotka varmistetaan suoraan DOE-testillä ja kokeellisten kokeiden määrällä. ryhmät ovat liian suuria. Tärkeimmät vaikuttavat tekijät on nopeasti seulottava ja määritettävä korrelaatiovertailutestin avulla ja sitten edelleen optimoitava tärkeimmät vaikuttavat tekijät DOE:n avulla.
3.1 Juotosreikien ja juotostahnan tinahelmien mitat
Tyypin 3 (helmen koko 25-45 μm) SAC305 juotospastatestissä muut olosuhteet pysyvät ennallaan. Uudelleenvirtauksen jälkeen juotoskerroksen reiät mitataan ja niitä verrataan tyypin 4 juotospastaan. On havaittu, että juotoskerroksen reiät eivät eroa merkittävästi kahden juotospastan välillä, mikä osoittaa, että erikokoisella juotospastalla ei ole selvää vaikutusta juotoskerroksen reikiin, mikä ei ole vaikuttava tekijä, kuten kuviossa 1 on esitetty. 6 Kuten kuvassa.
Eri hiukkaskokojen metallisten tinajauheen reikien vertailu
3.2 Hitsausontelon ja painetun teräsverkon paksuus
Uudelleenvirtauksen jälkeen hitsatun kerroksen onkaloalue mitattiin painetulla teräsverkolla, jonka paksuus oli 50 μm, 100 μm ja 125 μm, ja muut olosuhteet pysyivät ennallaan. Havaittiin, että teräsverkon (juotepastan) eripaksuuksien vaikutusta QFN:ään verrattiin painetun teräsverkon, jonka paksuus on 75 μm, vaikutusta. Teräsverkon paksuuden kasvaessa ontelon pinta-ala pienenee asteittain hitaasti. Tietyn paksuuden (100 μm) saavuttamisen jälkeen onkalon pinta-ala kääntyy ja alkaa kasvaa teräsverkon paksuuden kasvaessa, kuten kuvassa 7.
Tämä osoittaa, että juotospastan määrää lisättäessä palautettu nestemäinen tina peittyy sirulla ja jäännösilman ulostulo on vain kapea neljältä sivulta. Kun juotospastan määrää muutetaan, myös jäännösilman poistoaukko kasvaa, ja nestemäiseen tinaan kääritty ilmapurkaus tai nestemäiseen tinaan vapautuva haihtuva kaasu aiheuttaa nestemäisen tinan roiskumisen QFN:n ja sirun ympärille.
Testissä todettiin, että teräsverkon paksuuden kasvaessa myös ilman tai haihtuvan kaasun poistumisesta aiheutuva kuplan puhkeaminen lisääntyy ja todennäköisyys tinan roiskeille QFN:n ja lastun ympärillä kasvaa vastaavasti.
Eripaksuisten teräsverkkojen reikien vertailu
3.3 Hitsausontelon ja teräsverkkoaukon pinta-alasuhde
Painettu teräsverkko, jonka avautumisnopeus oli 100 %, 90 % ja 80 %, testattiin ja muut olosuhteet pysyivät ennallaan. Uudelleenvirtauksen jälkeen hitsatun kerroksen onkaloalue mitattiin ja sitä verrattiin painettuun teräsverkkoon 100 %:n avautumisnopeudella. Havaittiin, että hitsatun kerroksen onkalossa ei ollut merkittävää eroa olosuhteissa, joissa avautumisnopeus oli 100 % ja 90 % 80 %, kuten kuvassa 8 näkyy.
Onkalovertailu eri teräsverkkojen eri aukkoalueille
3.4 Hitsattu ontelo ja painettu teräsverkkomuoto
Liuskan b juotospastan ja kalteva ristikon c painomuototestillä muut olosuhteet pysyvät ennallaan. Uudelleenvirtauksen jälkeen hitsauskerroksen onteloalue mitataan ja sitä verrataan ruudukon a painomuotoon. On havaittu, että hitsauskerroksen onkalossa ei ole merkittävää eroa ristikon, nauhan ja kalteva ristikon olosuhteissa, kuten kuvassa 9 on esitetty.
Reikien vertailu teräsverkon eri avautumistavoissa
3.5 Hitsausontelo ja refluksointiaika
Pitkän refluksointiajan (70 s, 80 s, 90 s) testin jälkeen muut olosuhteet pysyivät ennallaan, hitsauskerroksen reikä mitattiin refluksoinnin jälkeen ja verrattuna 60 s palautusaikaan havaittiin, että refluksointiaika, hitsausreiän pinta-ala pieneni, mutta pienennysamplitudi pieneni vähitellen ajan pidentyessä, kuten kuvassa 10. Tämä osoittaa, että riittämättömän palautusajan tapauksessa refluksointiajan pidentäminen edistää ilman täyttä ylivuotoa käärittynä sulaan nestemäiseen tinaan, mutta palautusajan pidentyessä tiettyyn aikaan nestemäiseen tinaan käärittyä ilmaa on vaikea vuotaa uudelleen yli. Refluksointiaika on yksi hitsausonteloon vaikuttavista tekijöistä.
Tyhjä vertailu eri refluksointiaikojen pituuksista
3.6 Hitsausontelo ja uunin huippulämpötila
Kun uunin huippulämpötilatesti 240 ℃ ja 250 ℃ ja muut olosuhteet pysyivät muuttumattomina, hitsatun kerroksen onkaloalue mitattiin uudelleenvirtauksen jälkeen, ja verrattuna uunin 260 ℃:n huippulämpötilaan havaittiin, että erilaisissa uunin huippulämpötilaolosuhteissa QFN:n ja lastun hitsattu kerros ei muuttunut merkittävästi, kuten kuvasta 11 näkyy. Se osoittaa, että erilaisella uunin huippulämpötilalla ei ole selvää vaikutusta QFN:ään ja lastun hitsauskerroksen reikään, mikä ei ole vaikuttava tekijä.
Tyhjä vertailu eri huippulämpötiloista
Yllä olevat testit osoittavat, että QFN:n ja lastun hitsikerroksen onteloon vaikuttavia merkittäviä tekijöitä ovat refluksointiaika ja teräsverkon paksuus.
4 Juotospastatulostuksen reflow-hitsausontelon parantaminen
4.1DOE-testi hitsausontelon parantamiseksi
QFN:n ja lastun hitsauskerroksen reikää parannettiin etsimällä tärkeimpien vaikuttavien tekijöiden (palautusaika ja teräsverkon paksuus) optimaalinen arvo. Juotospasta oli SAC305 type4, teräsverkon muoto oli ristikkotyyppinen (100 % avautumisaste), uunin huippulämpötila oli 260 ℃ ja muut testiolosuhteet olivat samat kuin testilaitteistossa. DOE-testi ja tulokset on esitetty taulukossa 3. Teräsverkon paksuuden ja refluksointiajan vaikutukset QFN- ja lastuhitsausreikiin on esitetty kuvassa 12. Pääasiallisten vaikuttavien tekijöiden vuorovaikutusanalyysin avulla on havaittu, että käyttämällä 100 μm:n teräsverkon paksuutta ja 80 sekunnin palautusaika voi vähentää merkittävästi QFN:n ja sirun hitsausonteloa. QFN:n hitsausontelosuhde pienenee maksimiarvosta 27,8 %:sta 16,1 %:iin ja lastun hitsausontelonopeus maksimiarvosta 20,5 %:iin 14,5 %:iin.
Testissä valmistettiin 1000 tuotetta optimaalisissa olosuhteissa (100 μm teräsverkon paksuus, 80 s refluksointiaika), ja 100 QFN:n ja sirun hitsausontelonopeus mitattiin satunnaisesti. QFN:n keskimääräinen hitsausontelonopeus oli 16,4 % ja sirun keskimääräinen hitsausontelonopeus oli 14,7 %. Sirun ja sirun hitsausontelonopeus on selvästi pienempi.
4.2 Uusi prosessi parantaa hitsausonteloa
Todellinen tuotantotilanne ja testi osoittavat, että kun hitsausontelon pinta-ala sirun pohjassa on alle 10 %, lastuntelon sijainnin halkeiluongelmaa ei esiinny lyijyliitoksen ja muovauksen aikana. DOE:n optimoimat prosessiparametrit eivät täytä tavanomaisen juotospastan reflow-hitsauksen reikien analysoinnin ja ratkaisemisen vaatimuksia, ja sirun hitsausontelon pinta-alaa on pienennettävä edelleen.
Koska juotteessa peitetty siru estää juotteessa olevaa kaasua karkaamasta, sirun pohjan reikien määrä vähenee edelleen poistamalla tai vähentämällä juotepinnoitettua kaasua. Uusi reflow-hitsausprosessi, jossa on kaksi juotospastatulostusta, otetaan käyttöön: yksi juotospastatulostus, yksi uudelleenvirtaus, joka ei peitä QFN:ää ja paljas lastu, joka purkaa juotteessa olevan kaasun; Toissijaisen juotospastan painamisen, laastarin ja toissijaisen refluksoinnin erityinen prosessi on esitetty kuvassa 13.
Kun 75 μm paksu juotepasta painetaan ensimmäistä kertaa, suurin osa juotteen kaasusta ilman sirupeitettä karkaa pinnalta ja paksuus palautusjäähdytyksen jälkeen on noin 50 μm. Primaarisen palautusjäähdytyksen päätyttyä jäähdytetyn jähmettyneen juotteen pinnalle painetaan pieniä neliöitä (johdetaan juotospastan määrää, kaasun läikkymistä, juotosroiskeiden vähentämistä tai eliminointia) ja juotospastassa 50 μm:n paksuus (yllä olevat testitulokset osoittavat, että 100 μm on paras, joten toissijaisen painatuksen paksuus on 100 μm.50 μm=50 μm), asenna sitten siru ja palaa sitten 80 s. Juotteessa ei ole juuri lainkaan reikää ensimmäisen painatuksen ja sulatuksen jälkeen, ja toisessa painatuksessa juotospasta on pieni ja hitsausreikä on pieni, kuten kuvasta 14 näkyy.
Kahden juotospastan painatuksen jälkeen ontto piirustus
4.3 Hitsausontelon vaikutuksen todentaminen
2000 tuotteen tuotanto (ensimmäisen painoteräsverkon paksuus on 75 μm, toisen painoteräsverkon paksuus 50 μm), muut olosuhteet ennallaan, satunnainen mittaus 500 QFN ja siruhitsausontelonopeus, havaittiin, että uusi prosessi ensimmäisen refluksoinnin jälkeen ei onkaloa, toisen refluksoinnin jälkeen QFN Suurin hitsausontelonopeus on 4,8 % ja sirun suurin hitsausontelonopeus on 4,1 %. Verrattuna alkuperäiseen single-paste-tulostushitsausprosessiin ja DOE-optimoituun prosessiin, hitsausontelo on pienentynyt merkittävästi, kuten kuvasta 15 näkyy. Kaikkien tuotteiden toimintatestien jälkeen ei havaittu siruhalkeamia.
5 Yhteenveto
Juotospastan tulostusmäärän ja palautusajan optimointi voi pienentää hitsausontelon pinta-alaa, mutta hitsausontelonopeus on edelleen suuri. Käyttämällä kahta juotospastatulostuksen reflow-hitsaustekniikkaa voidaan tehokkaasti ja maksimoida hitsausontelonopeus. QFN-piirin paljaan sirun hitsauspinta-ala voi olla massatuotannossa 4,4 mm x 4,1 mm ja 3,0 mm x 2,3 mm. Reflow-hitsauksen kaviteettinopeus on säädetty alle 5 %:n, mikä parantaa reflow-hitsauksen laatua ja luotettavuutta. Tämän artikkelin tutkimus tarjoaa tärkeän referenssin suuren alueen hitsauspinnan hitsausontelo-ongelman parantamiseksi.
Postitusaika: 05.07.2023
