1 Johdanto
Piirilevyn kokoonpanossa juotospasta painetaan ensin piirilevyn juotosalueelle, ja sitten kiinnitetään erilaisia elektronisia komponentteja. Lopuksi, reflow-uunin jälkeen juotospastan tinahelmet sulatetaan ja kaikenlaiset elektroniset komponentit ja piirilevyn juotosalue hitsataan yhteen sähköisten alimoduulien kokoonpanon toteuttamiseksi. Pintaliitosteknologiaa (sMT) käytetään yhä enemmän tiheästi pakatuissa tuotteissa, kuten järjestelmätason pakkauksissa (siP), pallogridarray-laitteissa (BGA) ja tehopalkeissa, neliömäisissä, litteissä pinnittömissä pakkauksissa (quad aatNo-lead, jota kutsutaan QFN:ksi).
Juotospastan hitsausprosessin ja -materiaalien ominaisuuksien vuoksi näiden suurten juotospintojen laitteiden uudelleensulatuksen jälkeen juotoshitsausalueelle jää reikiä, jotka vaikuttavat tuotteen sähköisiin, lämpö- ja mekaanisiin ominaisuuksiin ja suorituskykyyn ja jopa johtavat tuotteen vikaantumiseen. Siksi juotospastan uudelleensulatuksen hitsausontelon parantaminen on tullut prosessi- ja tekniseksi ongelmaksi, joka on ratkaistava. Jotkut tutkijat ovat analysoineet ja tutkineet BGA-juotospallon hitsausontelon syitä ja tarjonneet parannusratkaisuja. Perinteinen juotospastan uudelleensulatuksen hitsausprosessi, jonka QFN-hitsauspinta-ala on yli 10 mm2 tai hitsauspinta-ala yli 6 mm2, puuttuu paljaan sirun ratkaisusta.
Käytä esivalmisteista juotoshitsausta ja tyhjiöpalautusuunihitsausta parantaaksesi hitsausreikää. Esivalmistettu juotos vaatii erikoislaitteita juoksutusaineen kohdistamiseen. Esimerkiksi sirua voidaan siirtää ja kallistaa voimakkaasti sen jälkeen, kun siru on asetettu suoraan esivalmistetulle juotokselle. Jos juoksutusaineen kiinnityssiru juotetaan uudelleen ja sitten kohdistetaan, prosessi pitenee kahdesti uudelleenjuottamisen aikana, ja esivalmistetun juotteen ja juoksutusaineen hinta on paljon korkeampi kuin juotospastan.
Tyhjiöpalautuslaitteet ovat kalliimpia, itsenäisen tyhjiökammion tyhjiökapasiteetti on hyvin alhainen, kustannustehokkuus ei ole korkea ja tinan roiskumisongelma on vakava, mikä on tärkeä tekijä tiheiden ja pienijakoisten tuotteiden käytössä. Tässä artikkelissa kehitetään ja esitellään uusi toissijainen uudelleensulautushitsausprosessi perinteisen juotospastan uudelleensulatushitsausprosessin pohjalta hitsausontelon parantamiseksi ja hitsausontelon aiheuttamien liimautumis- ja muovitiivisteiden halkeiluongelmien ratkaisemiseksi.
2 Juotospastan tulostus reflow-hitsausontelo ja tuotantomekanismi
2.1 Hitsausontelo
Reflow-hitsauksen jälkeen tuotetta testattiin röntgenillä. Hitsausalueen vaaleammat reiät havaittiin johtuvan riittämättömästä juotteesta hitsauskerroksessa, kuten kuvassa 1 on esitetty.
Kuplareiän röntgensäteilytunnistus
2.2 Hitsausontelon muodostumismekanismi
Esimerkkinä sAC305-juotospastan pääkoostumus ja toiminta on esitetty taulukossa 1. Juote ja tinahelmet on liitetty yhteen pastan muodossa. Tinajuotosaineen ja juoksutteen painosuhde on noin 9:1 ja tilavuussuhde noin 1:1.
Kun juotospasta on tulostettu ja kiinnitetty erilaisiin elektronisiin komponentteihin, se käy läpi neljä vaihetta: esilämmityksen, aktivoinnin, refluksoinnin ja jäähdytyksen kulkiessaan refluksointiuunin läpi. Juotospastan olomuoto vaihtelee myös eri lämpötilojen mukaan eri vaiheissa, kuten kuvassa 2 on esitetty.
Profiiliviite jokaiselle reflow-juotoksen alueelle
Esilämmitys- ja aktivointivaiheessa juotospastan juoksutteen haihtuvat komponentit höyrystyvät kaasuksi kuumennettaessa. Samanaikaisesti kaasuja syntyy, kun hitsauskerroksen pinnalla oleva oksidi poistetaan. Osa näistä kaasuista haihtuu ja poistuu juotospastasta, ja juotoshelmet tiivistyvät tiiviisti juoksutteen haihtumisen vuoksi. Refluksivaiheessa juotospastan jäljellä oleva juoksute haihtuu nopeasti, tinahelmet sulavat, pieni määrä juoksutetta haihtuvaa kaasua ja suurin osa tinahelmien välisestä ilmasta eivät hajoa ajoissa, ja sulassa tinassa ja sulan tinan jännityksen alla oleva jäännös muodostaa hampurilaismaisen voileipärakenteen ja jää piirilevyn juotosalustaan ja elektronisiin komponentteihin. Nestemäiseen tinaan käärittyä kaasua on vaikea poistaa vain ylöspäin suuntautuvan kelluvuuden ansiosta. Ylempi sulamisaika on hyvin lyhyt. Kun sula tina jäähtyy ja muuttuu kiinteäksi tinaksi, hitsauskerrokseen ilmestyy huokosia ja juotosreikiä, kuten kuvassa 3 on esitetty.
Juotospastan uudelleenhitsauksen synnyttämän tyhjiön kaaviokuva
Hitsausontelon perimmäinen syy on se, että juotospastan sulamisen jälkeen kääritty ilma tai haihtuva kaasu ei poistu kokonaan. Vaikuttavia tekijöitä ovat juotospastan materiaali, juotospastan painatusmuoto, juotospastan painatusmäärä, refluksointilämpötila, refluksointiaika, hitsauskoko ja rakenne.
3. Juotospastan tulostuksen reflow-hitsausreikiin vaikuttavien tekijöiden varmentaminen
QFN- ja paljaspiiritestejä käytettiin vahvistamaan uudelleensulatukseen liittyvien onteloiden pääsyitä ja löytämään tapoja parantaa juotospastan tulostamia uudelleensulatukseen liittyviä onteloita. QFN- ja paljaspiirijuotospastan uudelleensulatukseen tarkoitetun 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 piirin hitsauskoko on 3,0 mm x 2,3 mm, hitsauskerros on sputteroitu nikkeli-vanadiinibimetallikerros ja pintakerros on vanadiinia. Alustan hitsaustyyny oli kemiallisesti nikkeli-palladium-kultaupotus ja paksuus oli 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Juotospastana käytettiin SAC305-juotospastaa, juotospastan tulostuslaitteistona käytettiin DEK Horizon APix -laitetta, palautusjäähdytysuunina käytettiin BTUPyramax150N-laitetta ja röntgenlaitteistona käytettiin DAGExD7500VR-laitetta.
QFN- ja paljaslastuhitsauspiirustukset
Testitulosten vertailun helpottamiseksi suoritettiin uudelleensulautushitsaus taulukossa 2 esitetyissä olosuhteissa.
Reflow-hitsausolosuhteiden taulukko
Pinta-asennuksen ja uudelleenhitsauksen jälkeen hitsauskerros tutkittiin röntgenillä ja havaittiin, että QFN:n pohjalla ja paljaalla sirulla olevassa hitsauskerroksessa oli suuria reikiä, kuten kuvassa 5 on esitetty.
QFN ja siruhologrammi (röntgen)
Koska tinapalon koko, teräsverkon paksuus, aukeamispinta-ala, teräsverkon muoto, palautusvirtausaika ja uunin huippulämpötila vaikuttavat kaikki uudelleensulatukseen tarkoitettuihin onteloihin, on monia vaikuttavia tekijöitä, jotka voidaan varmistaa suoraan DOE-testillä, ja kokeellisten ryhmien määrä on liian suuri. On tarpeen seuloa ja määrittää nopeasti tärkeimmät vaikuttavat tekijät korrelaatiovertailutestillä ja sitten optimoida tärkeimmät vaikuttavat tekijät DOE:n avulla.
3.1 Juotosreikien ja juotospastahelmien mitat
Tyypin 3 (juotoshelmen koko 25–45 μm) SAC305-juotospastatestissä muut olosuhteet pysyvät muuttumattomina. Reflow-sulatuksen jälkeen juotekerroksen reiät mitataan ja verrataan tyypin 4 juotospastaan. Todetaan, että juotekerroksen reiät eivät eroa merkittävästi kahden juotospastatyypin välillä, mikä osoittaa, että eri juotoshelmen kokoisilla juotospastalla ei ole ilmeistä vaikutusta juotekerroksen reikiin, mikä ei ole vaikuttava tekijä, kuten kuvassa 6 on esitetty.
Metallisen tinajauheen reikien vertailu eri hiukkaskooilla
3.2 Hitsausontelon ja painetun teräsverkon paksuus
Uudelleensulatuksen jälkeen hitsatun kerroksen onteloalue mitattiin 50 μm, 100 μm ja 125 μm paksuisella painetulla teräsverkolla, ja muut olosuhteet pysyivät muuttumattomina. Havaittiin, että eri paksuisten teräsverkkojen (juotospastan) vaikutusta QFN:ään verrattiin 75 μm paksuisen painetun teräsverkon vaikutukseen. Teräsverkon paksuuden kasvaessa onteloalue pienenee vähitellen hitaasti. Tietyn paksuuden (100 μm) saavuttamisen jälkeen onteloalue kääntyy päinvastaiseksi ja alkaa kasvaa teräsverkon paksuuden kasvaessa, kuten kuvassa 7 on esitetty.
Tämä osoittaa, että juotospastan määrän kasvaessa refluksoiva nestemäinen tina peittyy siruun ja jäännösilmanpoistoaukko on kapea vain neljältä sivulta. Kun juotospastan määrää muutetaan, jäännösilmanpoistoaukko kasvaa myös, ja nestemäiseen tinaan kääritty ilma tai nestemäisestä tinasta poistuva haihtuva kaasu aiheuttaa nestemäisen tinan roiskumisen QFN:n ja sirun ympärille.
Testissä havaittiin, että teräsverkon paksuuden kasvaessa myös ilman tai haihtuvan kaasun karkaamisesta johtuva kuplien puhkeaminen lisääntyy, ja tinan roiskumisen todennäköisyys QFN:n ja sirun ympärille kasvaa vastaavasti.
Eri paksuisten teräsverkkojen reikien vertailu
3.3 Hitsausontelon ja teräsverkon aukon pinta-alojen suhde
Painettua teräsverkkoa testattiin 100 %, 90 % ja 80 %:n avautumisasteilla, ja muut olosuhteet pysyivät muuttumattomina. Uudelleensulatuksen jälkeen hitsatun kerroksen onteloalue mitattiin ja verrattiin 100 %:n avautumisasteella varustettuun painettuun teräsverkkoon. Havaittiin, että hitsatun kerroksen ontelossa ei ollut merkittävää eroa 100 %:n ja 90 %:n 80 %:n avautumisasteilla, kuten kuvassa 8 on esitetty.
Erilaisten teräsverkkojen eri aukkojen onteloiden vertailu
3.4 Hitsattu ontelo ja painettu teräsverkon muoto
Juotepastan nauhan b ja kaltevan ruudukon c tulostusmuototestissä muut olosuhteet pysyvät muuttumattomina. Uudelleensulatuksen jälkeen hitsauskerroksen onteloalue mitataan ja verrataan ruudukon a tulostusmuotoon. Havaitaan, ettei hitsauskerroksen ontelossa ole merkittävää eroa ruudukon, nauhan ja kaltevan ruudukon olosuhteissa, kuten kuvassa 9 on esitetty.
Teräsverkon eri avausmuotojen reikien vertailu
3.5 Hitsausontelo ja palautusvirtausaika
Pitkän refluksointiajan (70 s, 80 s, 90 s) jälkeen muiden olosuhteiden pysyessä muuttumattomina, hitsauskerroksen reikä mitattiin refluksoinnin jälkeen, ja verrattuna 60 sekunnin refluksointiaikaan havaittiin, että refluksointiajan kasvaessa hitsausreiän pinta-ala pieneni, mutta pienenemisamplitudi pieneni vähitellen ajan kasvaessa, kuten kuvassa 10 on esitetty. Tämä osoittaa, että riittämättömän refluksointiajan tapauksessa refluksointiajan pidentäminen edistää sulan nestemäisen tinaan käärittyjen ilmavirtojen täydellistä ylivuotoa, mutta refluksointiajan kasvaessa tiettyyn aikaan nestemäiseen tinaan käärittyjen ilmavirtojen on vaikeampi ylittää uudelleen. Refluksointiaika on yksi hitsausonteloon vaikuttavista tekijöistä.
Erilaisten refluksointiaikojen mitätön vertailu
3.6 Hitsausontelon ja uunin huippulämpötila
240 ℃:n ja 250 ℃:n uunin huippulämpötilakokeessa ja muissa muuttumattomissa olosuhteissa hitsatun kerroksen onteloalue mitattiin uudelleensulatuksen jälkeen. Verrattuna 260 ℃:n uunin huippulämpötilaan havaittiin, että eri uunin huippulämpötilaolosuhteissa hitsatun QFN:n ja sirun kerroksen ontelo ei muuttunut merkittävästi, kuten kuvasta 11 käy ilmi. Tämä osoittaa, että eri uunin huippulämpötiloilla ei ole ilmeistä vaikutusta QFN:ään ja sirun hitsauskerroksen reikään, mikä ei ole vaikuttava tekijä.
Eri huippulämpötilojen mitätön vertailu
Yllä olevat testit osoittavat, että QFN:n ja sirun hitsauskerroksen onteloon vaikuttavia merkittäviä tekijöitä ovat palautusvirtausaika ja teräsverkon paksuus.
4 Juotospastan tulostuksen uudelleenvirtaushitsausontelon parannus
4.1DOE-testi hitsausontelon parantamiseksi
QFN:n ja sirun hitsauskerroksen reikää parannettiin löytämällä optimaaliset arvot tärkeimmille vaikuttaville tekijöille (palautusaika ja teräsverkon paksuus). Juotospasta oli SAC305 tyyppiä 4, teräsverkon muoto oli ruudukkotyyppinen (100 %:n avautumisaste), uunin huippulämpötila oli 260 ℃ ja muut testiolosuhteet olivat samat kuin testilaitteistossa. DOE-testi ja tulokset on esitetty taulukossa 3. Teräsverkon paksuuden ja palautusajan vaikutukset QFN:n ja sirun hitsausreikiin on esitetty kuvassa 12. Tärkeimpien vaikuttavien tekijöiden vuorovaikutusanalyysin avulla havaittiin, että 100 μm:n teräsverkon paksuus ja 80 sekunnin palautusaika voivat merkittävästi vähentää QFN:n ja sirun hitsausonteloa. QFN:n hitsausontelonopeus pieneni maksimista 27,8 %:sta 16,1 %:iin ja sirun hitsausontelonopeus pieneni maksimista 20,5 %:sta 14,5 %:iin.
Kokeessa 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 14,7 %. Sirun ja sirun hitsausontelonopeus pieneni selvästi.
4.2 Uusi prosessi parantaa hitsausonteloa
Todellinen tuotantotilanne ja testit osoittavat, että kun sirun pohjalla oleva hitsausontelon pinta-ala on alle 10 %, sirun ontelon sijainnin halkeilua ei esiinny lyijyn liittämisen ja muovauksen aikana. Energiantuotantolaitoksen optimoimat prosessiparametrit eivät pysty täyttämään perinteisen juotospastan reflow-hitsauksen reikien analysointi- ja ratkaisuvaatimuksia, joten sirun hitsausontelon pinta-alaa on pienennettävä entisestään.
Koska juotteen päällä oleva siru estää juotteen sisällä olevan kaasun karkaamisen, sirun pohjalla olevien reikien muodostumisnopeutta vähennetään entisestään poistamalla tai vähentämällä juotteen päällystetyn kaasun määrää. Käytössä on uusi reflow-hitsausprosessi, jossa käytetään kahta juotospastapainatusta: yksi juotospastapainatus, yksi reflow-painatus, joka ei peitä QFN:ää, ja paljas siru, joka poistaa kaasun juotteesta. Toissijaisen juotospastapainatuksen, laastarin ja toissijaisen palautuspainelun erityinen prosessi on esitetty kuvassa 13.
Kun 75 μm paksua juotospastaa painetaan ensimmäistä kertaa, suurin osa juotteen kaasusta ilman sirua peittävää pintaa poistuu, ja refluksoinnin jälkeinen paksuus on noin 50 μm. Ensisijaisen refluksoinnin päätyttyä jäähtyneen jähmettyneen juotteen pinnalle painetaan pieniä neliöitä (juotospastan määrän vähentämiseksi, kaasun leviämisen vähentämiseksi, juotosroiskeiden vähentämiseksi tai poistamiseksi), ja juotospastan paksuus on 50 μm (yllä olevat testitulokset osoittavat, että 100 μm on paras, joten toissijaisen painatuksen paksuus on 100 μm.50 μm = 50 μm), sitten asennetaan siru ja sitten palautetaan 80 sekunnin kuluttua. Juotteessa ei ole juurikaan reikiä ensimmäisen painatuksen ja uudelleensulatuksen jälkeen, ja toisen painatuksen juotospasta on pieni, ja hitsausreikä on pieni, kuten kuvassa 14 on esitetty.
Kahden juotospastan painatuksen jälkeen ontto piirustus
4.3 Hitsausonteloiden vaikutuksen varmentaminen
2000 tuotteen tuotanto (ensimmäisen painoteräsverkon paksuus oli 75 μm, toisen painoteräsverkon paksuus 50 μm), muut olosuhteet muuttumattomina, satunnaismittaus 500 QFN ja sirun hitsausontelonopeus, havaitsi, että uudella prosessilla ei ensimmäisen palautusjäähdytyksen jälkeen muodostunut onteloa, toisen palautusjäähdytyksen jälkeen QFN:n suurin hitsausontelonopeus on 4,8 % ja sirun suurin hitsausontelonopeus on 4,1 %. Verrattuna alkuperäiseen yksipastaiseen painohitsausprosessiin ja DOE-optimoituun prosessiin, hitsausontelo on merkittävästi pienempi, kuten kuvasta 15 käy ilmi. Kaikkien tuotteiden toiminnallisissa testeissä ei havaittu siruhalkeamia.
5 Yhteenveto
Juotospastan painatusmäärän ja palautusvirtausajan optimointi voi pienentää hitsausontelon pinta-alaa, mutta hitsausontelon muodostumisnopeus on silti suuri. Kahden juotospastan painatustekniikan avulla voidaan tehokkaasti ja tehokkaasti maksimoida hitsausontelon muodostumisnopeus. QFN-piirin paljaan sirun hitsauspinta-ala voi olla 4,4 mm x 4,1 mm ja 3,0 mm x 2,3 mm massatuotannossa. Reflow-hitsauksen ontelonopeus pidetään alle 5 %:ssa, mikä parantaa reflow-hitsauksen laatua ja luotettavuutta. Tässä artikkelissa esitetty tutkimus tarjoaa tärkeän viitteen suurten hitsauspintojen hitsausontelo-ongelman parantamiseksi.
Julkaisun aika: 05.07.2023
