SMT använder konventionell lödpasta analys och lösning för luftåterflödessvetsning (2023 Essence Edition), du förtjänar det!
1 Introduktion
I kretskortsmonteringen trycks lödpasta först på kretskortets löddyna och sedan fästs olika elektroniska komponenter. Slutligen, efter återflödesugnen, smälts tennpärlorna i lödpastan och alla typer av elektroniska komponenter och kretskortets löddyna svetsas samman för att realisera sammansättningen av elektriska submoduler. ytmonteringsteknologi (sMT) används alltmer i högdensitetsförpackningsprodukter, såsom systemnivåpaket (siP), ballgridarray (BGA)-enheter och power bare Chip, fyrkantigt platt stiftlöst paket (quad aatNo-lead, kallat QFN ) enhet.
På grund av egenskaperna hos lödpasta svetsprocess och material, efter återflödessvetsning av dessa stora lödytenheter, kommer det att finnas hål i lödsvetsområdet, vilket kommer att påverka de elektriska egenskaperna, termiska egenskaperna och mekaniska egenskaperna hos produkten Prestanda, och även leda till produkt misslyckande, därför att förbättra lödpasta reflow svetshålighet har blivit en process och tekniskt problem som måste lösas, vissa forskare har analyserat och studerat orsakerna till BGA lödkula svetshålighet, och tillhandahållit förbättringslösningar, konventionell lödning paste reflow svetsprocess svetsarea av QFN större än 10mm2 eller svetsarea större än 6 mm2s blanka spånlösning saknas.
Använd Preformsolder-svetsning och vakuumåterloppsugnssvetsning för att förbättra svetshålet. Prefabricerad lod kräver specialutrustning för att peka flussmedel. Till exempel är chipet förskjutet och lutar allvarligt efter att chipet placerats direkt på det prefabricerade lodet. Om flussmonteringschipset är återflöde och sedan pekar, ökas processen med två återflöden, och kostnaden för prefabricerad lod och flussmaterial är mycket högre än lödpastan.
Vakuumåterflödesutrustning är dyrare, vakuumkapaciteten hos den oberoende vakuumkammaren är mycket låg, kostnadsprestandan är inte hög och tennstänkproblemet är allvarligt, vilket är en viktig faktor vid tillämpningen av hög densitet och liten stigning produkter. I detta papper, baserat på den konventionella lödpasta återflödessvetsningsprocessen, utvecklas och introduceras en ny sekundär återflödessvetsprocess för att förbättra svetskaviteten och lösa problemen med bindning och plasttätningssprickor orsakade av svetshålighet.
2 Lödpasta utskrift reflow svetshålighet och produktionsmekanism
2.1 Svetshålighet
Efter återflödessvetsning testades produkten under röntgen. Hålen i svetszonen med ljusare färg visade sig bero på otillräcklig lödning i svetsskiktet, som visas i figur 1
Röntgendetektering av bubbelhålet
2.2 Formationsmekanism för svetshålighet
Med sAC305 lödpasta som ett exempel, visas huvudsammansättningen och funktionen i tabell 1. Flussmedlet och tennpärlorna är sammanfogade i pastaform. Viktförhållandet mellan tennlod och flussmedel är cirka 9:1, och volymförhållandet är cirka 1:1.
Efter att lödpastan är tryckt och monterad med olika elektroniska komponenter kommer lödpastan att genomgå fyra steg av förvärmning, aktivering, återflöde och kylning när den passerar genom återflödesugnen. Tillståndet för lödpastan är också olika med olika temperaturer i olika steg, som visas i figur 2.
Profilreferens för varje område av återflödeslödning
I förvärmnings- och aktiveringssteget kommer de flyktiga komponenterna i flussmedlet i lödpastan att förångas till gas vid upphettning. Samtidigt kommer gaser att bildas när oxiden på svetsskiktets yta avlägsnas. En del av dessa gaser kommer att förångas och lämnar lödpastan, och lodpärlorna kommer att kondenseras tätt på grund av förångningen av flussmedlet. I återflödessteget kommer det kvarvarande flussmedlet i lödpastan att avdunsta snabbt, tennpärlorna kommer att smälta, en liten mängd flussmedel flyktig gas och det mesta av luften mellan tennpärlorna kommer inte att spridas i tid, och resterna i smält tenn och under spänningen av det smälta tennet är hamburgersandwichstrukturen och fångas upp av kretskortets löddyna och elektroniska komponenter, och gasen som är inlindad i det flytande tennet är svår att komma ut endast av den uppåtgående flytkraften. Den övre smälttiden är mycket kort. När det smälta tennet svalnar och blir till fast tenn uppstår porer i svetsskiktet och lödhål bildas, som visas i figur 3.
Schematiskt diagram av tomrum som genereras av lödpasta återflödessvetsning
Grundorsaken till svetshålighet är att luften eller den flyktiga gasen som lindats in i lödpastan efter smältning inte töms helt. De påverkande faktorerna inkluderar lödpastamaterial, lödpastans tryckform, lödpastans tryckmängd, återflödestemperatur, återflödestid, svetsstorlek, struktur och så vidare.
3. Verifiering av påverkande faktorer för lödpasta utskrift reflow svetshål
QFN- och blanka chip-tester användes för att bekräfta de huvudsakliga orsakerna till återflödessvetshåligheter och för att hitta sätt att förbättra återflödessvetshålrummen som skrivs ut med lödpasta. QFN- och blanklodspasta återflödessvetsproduktprofil visas i figur 4, QFN-svetsytans storlek är 4,4 mm x 4,1 mm, svetsytan är förtent skikt (100 % rent tenn); Svetsstorleken på det nakna chipet är 3,0 mm x 2,3 mm, svetsskiktet är förstoftat nickel-vanadin-bimetallskikt och ytskiktet är vanadin. Svetsdynan av substratet var strömlös nickel-palladium guld-doppning, och tjockleken var 0,4μm/0,06μm/0,04μm. SAC305 lödpasta används, lödpasta-utskriftsutrustningen är DEK Horizon APix, refluxugnsutrustningen är BTUPyramax150N och röntgenutrustningen är DAGExD7500VR.
QFN och blanksvetsritningar
För att underlätta jämförelse av testresultat utfördes återflödessvetsning under förhållandena i Tabell 2.
Tillståndstabell för återflödessvetsning
Efter ytmontering och återflödessvetsning detekterades svetsskiktet med röntgen, och det visade sig att det fanns stora hål i svetsskiktet i botten av QFN och blankt spån, som visas i figur 5.
QFN och chiphologram (röntgen)
Eftersom tennpärlstorlek, stålnättjocklek, öppningsarea, stålnätform, återflödestid och topptemperatur i ugnen alla kommer att påverka återflödessvetshålrum, finns det många påverkande faktorer, som kommer att verifieras direkt av DOE-test, och antalet experimentella grupperna blir för stora. Det är nödvändigt att snabbt screena och bestämma de huvudsakliga påverkande faktorerna genom korrelationsjämförelsetest, och sedan ytterligare optimera de huvudsakliga påverkande faktorerna genom DOE.
3.1 Mått på lödhål och lödpasta pärlor
Med typ3 (pärlstorlek 25-45 μm) SAC305 lödpasta test förblir övriga förhållanden oförändrade. Efter återflöde mäts hålen i lödskiktet och jämförs med lödpasta typ 4. Det har visat sig att hålen i lödskiktet inte skiljer sig signifikant mellan de två typerna av lödpasta, vilket indikerar att lödpastan med olika pärlstorlek inte har någon uppenbar påverkan på hålen i lödskiktet, vilket inte är en påverkande faktor, såsom visas i FIG. 6 Som visas.
Jämförelse av metalliska tennpulverhål med olika partikelstorlekar
3.2 Tjocklek på svetshålighet och tryckt stålnät
Efter återflöde mättes kavitetsarean för det svetsade lagret med det tryckta stålnätet med tjockleken 50 μm, 100 μm och 125 μm, och övriga förhållanden förblev oförändrade. Det visade sig att effekten av olika tjocklek av stålnät (lodpasta) på QFN jämfördes med effekten av det tryckta stålnätet med tjockleken 75 μm När tjockleken på stålnätet ökar, minskar kavitetsarean gradvis långsamt. Efter att ha nått en viss tjocklek (100 μm), kommer hålrummet att vända och börja öka med ökningen av tjockleken på stålnätet, som visas i figur 7.
Detta visar att när mängden lödpasta ökas, täcks det flytande tennet med återflöde av chipet, och utloppet för kvarvarande luftutsläpp är bara smalt på fyra sidor. När mängden lödpasta ändras, ökar också utloppet av kvarvarande luft som läcker ut, och den omedelbara sprängningen av luft insvept i flytande tenn eller flyktig gas som läcker ut flytande tenn kommer att få flytande tenn att stänka runt QFN och chipet.
Testet fann att med ökningen av tjockleken på stålnätet kommer bubblan sprängning orsakad av utsläpp av luft eller flyktig gas också att öka, och sannolikheten för tennstänk runt QFN och spån kommer också att öka i motsvarande grad.
Jämförelse av hål i stålnät av olika tjocklek
3.3 Areaförhållande mellan svetshålighet och stålnätsöppning
Det tryckta stålnätet med öppningshastigheten på 100 %, 90 % och 80 % testades och övriga förhållanden förblev oförändrade. Efter återflöde mättes kavitetsarean för det svetsade lagret och jämfördes med det tryckta stålnätet med 100 % öppningshastighet. Det visade sig att det inte fanns någon signifikant skillnad i håligheten i det svetsade lagret under förhållanden med öppningshastigheten på 100 % och 90 % 80 %, som visas i figur 8.
Kavitetsjämförelse av olika öppningsarea för olika stålnät
3.4 Svetsad hålighet och tryckt stålnätform
Med tryckformtestet av lödpastan av remsa b och lutande galler c förblir övriga förhållanden oförändrade. Efter återflöde mäts svetsskiktets hålighetsarea och jämförs med tryckformen på gallret a. Det har visat sig att det inte finns någon signifikant skillnad i svetsskiktets hålighet under förhållandena för galler, band och lutande galler, som visas i figur 9.
Jämförelse av hål i olika öppningslägen av stålnät
3.5 Svetshålighet och återloppstid
Efter förlängd återflödestid (70 s, 80 s, 90 s) test förblir övriga förhållanden oförändrade, hålet i svetsskiktet mättes efter återflöde, och jämfört med återflödestiden på 60 s, fann man att med ökningen av återflödestiden minskade svetshålsytan, men reduktionsamplituden minskade gradvis med tidens ökning, som visas i figur 10. Detta visar att i fallet med otillräcklig återflödestid, är en ökning av återflödestiden gynnsam för fullt överflöde av luft insvept i smält flytande tenn, men efter att återflödestiden ökat till en viss tid, är luften inslagen i flytande tenn svår att svämma över igen. Återloppstiden är en av faktorerna som påverkar svetskaviteten.
Ogiltig jämförelse av olika refluxtidslängder
3.6 Svetshålighet och topptemperatur i ugnen
Med 240 ℃ och 250 ℃ topp ugnstemperaturtest och andra förhållanden oförändrade, mättes kavitetsarean för det svetsade skiktet efter återflöde, och jämfört med 260 ℃ topp ugnstemperatur fann man att under olika topptemperaturförhållanden för ugnen, det svetsade lagret av QFN och spån förändrades inte nämnvärt, som visas i figur 11. Den visar att olika topptemperaturer i ugnen inte har någon uppenbar effekt på QFN och hålet i spånets svetsskikt, vilket inte är en påverkande faktor.
Ogiltig jämförelse av olika topptemperaturer
Ovanstående tester indikerar att de signifikanta faktorerna som påverkar svetsskiktshåligheten hos QFN och spån är återflödestid och stålnätstjocklek.
4 Lödpasta utskrift reflow svetsning kavitet förbättring
4.1DOE-test för att förbättra svetshåligheten
Hålet i svetsskiktet av QFN och spån förbättrades genom att hitta det optimala värdet av de huvudsakliga påverkande faktorerna (återflödestid och stålnättjocklek). Lödpastan var SAC305 typ4, stålnätformen var rutnätstyp (100 % öppningsgrad), topptemperaturen i ugnen var 260 ℃ och andra testförhållanden var desamma som testutrustningen. DOE-test och resultat visades i tabell 3. Inverkan av stålnättjocklek och återflödestid på QFN och spånsvetshål visas i figur 12. Genom interaktionsanalysen av huvudsakliga påverkande faktorer har det visat sig att man använder 100 μm stålnättjocklek och 80 s återloppstid kan avsevärt minska svetskaviteten hos QFN och spån. Svetshålighetsgraden för QFN reduceras från maximalt 27,8 % till 16,1 %, och svetshålighetsgraden för spån reduceras från maximalt 20,5 % till 14,5 %.
I testet producerades 1000 produkter under optimala förhållanden (100 μm stålnättjocklek, 80 s återloppstid), och svetshålighetshastigheten på 100 QFN och spån mättes slumpmässigt. Den genomsnittliga svetshålighetsgraden för QFN var 16,4 %, och den genomsnittliga svetskavitetsgraden för spånet var 14,7 %. Svetshålighetsgraden för spånet och spånet är uppenbarligen reducerad.
4.2 Den nya processen förbättrar svetskaviteten
Den faktiska produktionssituationen och testet visar att när svetshålighetens area vid botten av spånet är mindre än 10 %, kommer sprickbildningsproblemet inte att uppstå under blybindningen och formningen. Processparametrarna som är optimerade av DOE kan inte uppfylla kraven för att analysera och lösa hålen i den konventionella lödpasta-återflödessvetsningen, och chipets svetshålighetsarea måste minskas ytterligare.
Eftersom chipet som är täckt på lodet förhindrar gasen i lodet från att fly, reduceras hålhastigheten i botten av chipet ytterligare genom att eliminera eller reducera den lodbelagda gasen. En ny process för återflödessvetsning med två lodpasta-utskrift har antagits: en lödpasta-utskrift, en återflöde som inte täcker QFN och bara chip som släpper ut gasen i lodet; Den specifika processen för utskrift av sekundär lödpasta, patch och sekundärt återflöde visas i figur 13.
När den 75 μm tjocka lödpastan skrivs ut för första gången kommer det mesta av gasen i lodet utan spånskydd att släppa från ytan och tjockleken efter återflöde är ca 50 μm. Efter att det primära återflödet har slutförts trycks små rutor på ytan av det kylda stelnade lodet (för att minska mängden lödpasta, minska mängden gasspill, minska eller eliminera lödstänk), och lödpastan med en tjocklek på 50 μm (testresultaten ovan visar att 100 μm är bäst, så tjockleken på den sekundära utskriften är 100 μm.50 μm=50 μm), installera sedan chipet och återgå sedan genom 80 s. Det finns nästan inget hål i lodet efter den första utskriften och återflödet, och lödpastan i den andra utskriften är liten och svetshålet är litet, som visas i figur 14.
Efter två tryckningar av lödpasta, ihålig ritning
4.3 Verifiering av svetshålighetseffekt
Produktion av 2000 produkter (tjockleken på det första tryckstålnätet är 75 μm, tjockleken på det andra tryckstålnätet är 50 μm), andra förhållanden oförändrade, slumpmässig mätning av 500 QFN och spånsvetsningskavitetshastighet, fann att den nya processen efter det första återflödet inget hålrum, efter det andra återflödet QFN Den maximala svetshåligheten är 4,8 % och den maximala svetshåligheten för chipet är 4,1 %. Jämfört med den ursprungliga enpasta trycksvetsprocessen och den DOE-optimerade processen, är svetskaviteten avsevärt reducerad, som visas i figur 15. Inga spånsprickor hittades efter funktionstester av alla produkter.
5 Sammanfattning
Optimeringen av utskriftsmängden för lödpasta och återflödestiden kan minska svetshåligheten, men svetshåligheten är fortfarande stor. Användning av två lödpasta-utskriftstekniker för reflow-svetsning kan effektivt och maximera svetshålighetshastigheten. Svetsarean för QFN-kretsens blanka chip kan vara 4,4 mm x 4,1 mm respektive 3,0 mm x 2,3 mm i massproduktion. Kavitetshastigheten för återflödessvetsning kontrolleras under 5 %, vilket förbättrar kvaliteten och tillförlitligheten för återflödessvetsning. Forskningen i detta dokument ger en viktig referens för att förbättra svetshålighetsproblemet med svetsyta med stor yta.
