SMT maakt gebruik van conventionele soldeerpasta-luchtreflow-lasholteanalyse en -oplossing (2023 Essence Edition), u verdient het!
1 Inleiding
Bij de assemblage van printplaten wordt eerst soldeerpasta op de soldeerpad van de printplaat gedrukt, waarna diverse elektronische componenten worden bevestigd. Na de reflowoven worden de tinkorrels in de soldeerpasta gesmolten en worden allerlei elektronische componenten en de soldeerpad van de printplaat aan elkaar gelast om de assemblage van elektrische submodules mogelijk te maken. Surface Mount Technology (SMT) wordt steeds vaker gebruikt in producten met een hoge dichtheid, zoals System Level Package (SIP), Ball Grid Ray (BGA)-apparaten en Power Bare Chip (QFN), vierkante, platte en pinloze behuizingen.
Vanwege de eigenschappen van het soldeerpasta-lasproces en de gebruikte materialen, zullen er na het reflow-lassen van deze apparaten met een groot soldeeroppervlak gaten in het soldeerlasgebied ontstaan, wat de elektrische, thermische en mechanische eigenschappen van het product beïnvloedt. Prestaties en zelfs tot productfalen kan leiden. Het verbeteren van de soldeerpasta-reflow-lasruimte is daarom een proces- en technisch probleem dat moet worden opgelost. Sommige onderzoekers hebben de oorzaken van de BGA-soldeerbal-lasruimte geanalyseerd en bestudeerd en verbeteringsoplossingen aangedragen. Bij het conventionele soldeerpasta-reflow-lasproces is het lasgebied van QFN groter dan 10 mm2 of het lasgebied groter dan 6 mm2 niet geschikt voor een kale chip.
Gebruik Preformsoldeerlassen en vacuümrefluxovenlassen om het lasgat te verbeteren. Voor geprefabriceerd soldeer is speciale apparatuur nodig om flux te richten. De chip wordt bijvoorbeeld verschoven en gekanteld nadat de chip direct op het geprefabriceerde soldeer is geplaatst. Als de chip waarop de flux wordt gemonteerd eerst wordt gereflowd en vervolgens wordt gepunt, duurt het proces twee keer langer en zijn de kosten van geprefabriceerd soldeer en fluxmateriaal veel hoger dan die van soldeerpasta.
Vacuümrefluxapparatuur is duurder, de vacuümcapaciteit van de onafhankelijke vacuümkamer is zeer laag, de kosteneffectiviteit is niet hoog en het tinspatten is een ernstig probleem, wat een belangrijke factor is bij de toepassing van producten met een hoge dichtheid en een kleine spoed. In dit artikel wordt, gebaseerd op het conventionele reflowlasproces met soldeerpasta, een nieuw secundair reflowlasproces ontwikkeld en geïntroduceerd om de lasholte te verbeteren en de problemen met hechting en scheuren in de kunststofafdichting, veroorzaakt door de lasholte, op te lossen.
2 Soldeerpasta-print-reflow-lasholte en productiemechanisme
2.1 Lasholte
Na het reflowlassen werd het product röntgengetest. De gaten in de laszone met een lichtere kleur bleken te wijten te zijn aan onvoldoende soldeer in de laslaag, zoals weergegeven in figuur 1.
Röntgendetectie van het belgat
2.2 Vormingsmechanisme van de lasholte
Neem sAC305 soldeerpasta als voorbeeld. De belangrijkste samenstelling en functie worden weergegeven in tabel 1. De vloeimiddel- en tinkorrels zijn in pastavorm aan elkaar verbonden. De gewichtsverhouding van tinsoldeer tot vloeimiddel is ongeveer 9:1 en de volumeverhouding is ongeveer 1:1.
Nadat de soldeerpasta is geprint en met diverse elektronische componenten is gemonteerd, ondergaat de soldeerpasta vier fasen: voorverwarmen, activeren, terugvloeien en afkoelen tijdens de refluxoven. De toestand van de soldeerpasta is ook verschillend bij verschillende temperaturen in de verschillende fasen, zoals weergegeven in figuur 2.
Profielreferentie voor elk gebied van reflow-solderen
In de voorverwarmings- en activeringsfase worden de vluchtige componenten in de flux in de soldeerpasta bij verhitting omgezet in gas. Tegelijkertijd worden er gassen geproduceerd wanneer het oxide op het oppervlak van de laslaag wordt verwijderd. Sommige van deze gassen verdampen en verlaten de soldeerpasta, en de soldeerkralen worden sterk gecondenseerd door de verdamping van de flux. In de refluxfase verdampt de resterende flux in de soldeerpasta snel, smelten de tinkralen, een kleine hoeveelheid vluchtig gas in de flux en het grootste deel van de lucht tussen de tinkralen wordt niet op tijd verspreid, en het residu in het gesmolten tin en onder de spanning van het gesmolten tin vormen een hamburgersandwichstructuur en worden opgevangen door de soldeerpad van de printplaat en elektronische componenten, en het gas dat in het vloeibare tin is gewikkeld, kan alleen door de opwaartse opwaartse kracht moeilijk ontsnappen. De bovenste smelttijd is zeer kort. Wanneer het gesmolten tin afkoelt en vast tin wordt, verschijnen er poriën in de laslaag en worden er soldeergaten gevormd, zoals weergegeven in Afbeelding 3.
Schematisch diagram van de holte die ontstaat bij het lassen met soldeerpasta.
De hoofdoorzaak van een lasholte is dat de lucht of het vluchtige gas dat zich na het smelten in de soldeerpasta bevindt, niet volledig wordt afgevoerd. Factoren die van invloed zijn, zijn onder andere het materiaal van de soldeerpasta, de vorm van de soldeerpasta, de hoeveelheid soldeerpasta, de terugvloeitemperatuur, de terugvloeitijd, de lasgrootte, de lasstructuur, enzovoort.
3. Verificatie van beïnvloedende factoren bij het lassen van gaten met soldeerpasta-printing en reflow
QFN- en bare-chiptests werden gebruikt om de belangrijkste oorzaken van reflow-lasholtes te bevestigen en manieren te vinden om de reflow-lasholtes die door soldeerpasta worden gevormd te verbeteren. Het productprofiel van QFN- en bare-chip soldeerpasta reflow-lassen wordt weergegeven in Afbeelding 4. De lasoppervlakte van de QFN-las is 4,4 mm x 4,1 mm, het lasoppervlak bestaat uit een vertinde laag (100% puur tin); de lasgrootte van de bare-chip is 3,0 mm x 2,3 mm, de laslaag bestaat uit een gesputterde nikkel-vanadium bimetaallaag en de oppervlaktelaag is vanadium. De laspad van het substraat was chemisch nikkel-palladium goudgedompeld en de dikte was 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Er wordt gebruik gemaakt van SAC305 soldeerpasta, de apparatuur voor het printen van soldeerpasta is DEK Horizon APix, de refluxoven is BTUPyramax150N en de röntgenapparatuur is DAGExD7500VR.
QFN- en bare-chip-lastekeningen
Om de testresultaten te kunnen vergelijken, werd het reflowlassen uitgevoerd onder de omstandigheden in Tabel 2.
Tabel met reflow-lascondities
Nadat de oppervlaktemontage en het reflowlassen waren voltooid, werd de laslaag gedetecteerd met röntgenstraling. Hierbij werden grote gaten in de laslaag aan de onderkant van de QFN en de kale chip aangetroffen, zoals weergegeven in Afbeelding 5.
QFN en Chip Hologram (röntgenfoto)
Omdat de grootte van de tinkorrel, de dikte van het stalen gaas, de openingssnelheid, de vorm van het stalen gaas, de refluxtijd en de piektemperatuur van de oven allemaal van invloed zijn op de reflow-lasholtes, zijn er veel beïnvloedende factoren die direct geverifieerd zullen worden door een DOE-test. Het aantal experimentele groepen zal daarom te groot zijn. Het is noodzakelijk om de belangrijkste beïnvloedende factoren snel te screenen en te bepalen door middel van een correlatievergelijkingstest, en deze vervolgens verder te optimaliseren met behulp van DOE.
3.1 Afmetingen van soldeergaten en soldeerpasta-tinkralen
Bij de type 3 (kraalgrootte 25-45 μm) SAC305 soldeerpastatest blijven de overige omstandigheden ongewijzigd. Na het reflowen worden de gaten in de soldeerlaag gemeten en vergeleken met type 4 soldeerpasta. Er is vastgesteld dat de gaten in de soldeerlaag niet significant verschillen tussen de twee soorten soldeerpasta, wat aangeeft dat de soldeerpasta met verschillende kraalgroottes geen duidelijke invloed heeft op de gaten in de soldeerlaag. Dit is geen beïnvloedende factor, zoals weergegeven in FIG. 6.
Vergelijking van gaten in metaaltinpoeder met verschillende deeltjesgroottes
3.2 Dikte van de lasholte en het bedrukte stalen gaas
Na het reflowen werd de holte van de gelaste laag gemeten met het geprinte stalen gaas met een dikte van 50 μm, 100 μm en 125 μm. De overige omstandigheden bleven ongewijzigd. Het bleek dat het effect van verschillende diktes van het stalen gaas (soldeerpasta) op de QFN werd vergeleken met dat van het geprinte stalen gaas met een dikte van 75 μm. Naarmate de dikte van het stalen gaas toeneemt, neemt de holte geleidelijk af. Na het bereiken van een bepaalde dikte (100 μm) zal de holte omkeren en toenemen naarmate de dikte van het stalen gaas toeneemt, zoals weergegeven in Afbeelding 7.
Dit toont aan dat wanneer de hoeveelheid soldeerpasta wordt verhoogd, het vloeibare tin met reflux door de chip wordt bedekt en de uitlaat van resterende lucht slechts aan vier zijden nauw is. Wanneer de hoeveelheid soldeerpasta wordt gewijzigd, neemt ook de uitlaat van resterende lucht toe. De onmiddellijke luchtstoot in vloeibaar tin of het vluchtige gas dat uit vloeibaar tin ontsnapt, zal ervoor zorgen dat vloeibaar tin rond de QFN en de chip spat.
Uit de test bleek dat naarmate de dikte van het stalen gaas toeneemt, de kans op het knappen van de bellen door ontsnappende lucht of vluchtig gas ook toeneemt. Ook de kans op spetteren van tin rond de QFN en chip neemt overeenkomstig toe.
Vergelijking van gaten in stalen gaas van verschillende diktes
3.3 Oppervlakteverhouding van lasholte en stalen gaasopening
Het geprinte stalen gaas met een openingspercentage van 100%, 90% en 80% werd getest, en de overige omstandigheden bleven ongewijzigd. Na het reflowen werd de holte van de gelaste laag gemeten en vergeleken met het geprinte stalen gaas met een openingspercentage van 100%. Er werd vastgesteld dat er geen significant verschil was in de holte van de gelaste laag onder de omstandigheden van een openingspercentage van 100% en 90% (80%), zoals weergegeven in Figuur 8.
Holtevergelijking van verschillende openingsoppervlakken van verschillende stalen gaassoorten
3.4 Gelaste holte en bedrukte stalen gaasvorm
Bij de drukvormtest van de soldeerpasta van strip b en het hellende rooster c blijven de overige omstandigheden ongewijzigd. Na het reflowen wordt de holte van de laslaag gemeten en vergeleken met de drukvorm van rooster a. Er blijkt geen significant verschil te zijn in de holte van de laslaag onder de omstandigheden van het rooster, strip en hellende rooster, zoals weergegeven in figuur 9.
Vergelijking van gaten in verschillende openingsmodi van stalen gaas
3.5 Lasholte en terugvloeitijd
Na een test met verlengde refluxtijd (70 s, 80 s, 90 s) en onder ongewijzigde omstandigheden werd het gat in de laslaag gemeten na refluxtijd. Vergeleken met de refluxtijd van 60 s, bleek dat met het toenemen van de refluxtijd het lasgatoppervlak afnam, maar de reductieamplitude geleidelijk afnam naarmate de tijd verstreek, zoals weergegeven in figuur 10. Dit toont aan dat bij een onvoldoende refluxtijd het verlengen van de refluxtijd leidt tot een volledige overstroming van de in gesmolten vloeibaar tin gewikkelde lucht. Nadat de refluxtijd echter een bepaalde tijd heeft bereikt, is het moeilijk om de in vloeibaar tin gewikkelde lucht weer te laten overstromen. De refluxtijd is een van de factoren die de lasholte beïnvloeden.
Void-vergelijking van verschillende refluxtijdlengtes
3.6 Lasholte en piekoventemperatuur
Bij een test met een piekoventemperatuur van 240 ℃ en 250 ℃ en andere ongewijzigde omstandigheden werd het holtegebied van de gelaste laag gemeten na reflow en vergeleken met een piekoventemperatuur van 260 ℃. Hieruit bleek dat onder verschillende piekoventemperatuuromstandigheden de holte van de gelaste laag van QFN en chip niet significant veranderde, zoals weergegeven in Afbeelding 11. Het laat zien dat een andere piekoventemperatuur geen duidelijk effect heeft op QFN en het gat in de laslaag van de chip, wat geen beïnvloedende factor is.
Lege vergelijking van verschillende piektemperaturen
Uit bovenstaande testen blijkt dat de belangrijkste factoren die de laslaagholte van QFN en spaan beïnvloeden, de terugvloeitijd en de dikte van het stalen gaas zijn.
4 Verbetering van de reflow-lasholte voor het printen van soldeerpasta
4.1DOE-test om de lasholte te verbeteren
Het gat in de laslaag van QFN en chip werd verbeterd door het vinden van de optimale waarde van de belangrijkste beïnvloedende factoren (refluxtijd en dikte van het staalgaas). De soldeerpasta was SAC305 type 4, de vorm van het staalgaas was van het roostertype (100% openingsgraad), de piekoventemperatuur was 260 ℃ en andere testomstandigheden waren hetzelfde als die van de testapparatuur. DOE-test en resultaten werden weergegeven in Tabel 3. De invloeden van de dikte van het staalgaas en de refluxtijd op QFN- en chiplasgaten worden weergegeven in Figuur 12. Door de interactieanalyse van de belangrijkste beïnvloedende factoren is gebleken dat het gebruik van een staalgaasdikte van 100 μm en een refluxtijd van 80 s de lasholte van QFN en chip aanzienlijk kan verkleinen. De lasholtesnelheid van QFN is verlaagd van maximaal 27,8% tot 16,1% en de lasholtesnelheid van chip is verlaagd van maximaal 20,5% tot 14,5%.
In de test werden 1000 producten geproduceerd onder optimale omstandigheden (100 μm staalgaasdikte, 80 s refluxtijd), en werd de lascaviteit van 100 QFN en spaan willekeurig gemeten. De gemiddelde lascaviteit van QFN was 16,4% en de gemiddelde lascaviteit van spaan was 14,7%. De lascaviteit van de spaan en de spaan zijn duidelijk verminderd.
4.2 Het nieuwe proces verbetert de lasholte
De daadwerkelijke productiesituatie en tests tonen aan dat wanneer het lasoppervlak aan de onderkant van de chip minder dan 10% bedraagt, er geen scheurvorming in de positie van de chip zal optreden tijdens het verbinden en vormen van de lasdraad. De door DOE geoptimaliseerde procesparameters voldoen niet aan de eisen voor het analyseren en oplossen van de gaten bij conventioneel reflowlassen met soldeerpasta, en de oppervlakte van de lasholte van de chip moet verder worden verkleind.
Omdat de chip die met het soldeer is bedekt, voorkomt dat het gas in het soldeer ontsnapt, wordt de perforatiesnelheid aan de onderkant van de chip verder verminderd door het elimineren of verminderen van het met soldeer bedekte gas. Er wordt een nieuw proces van reflowlassen toegepast met twee soldeerpasta-prints: één met soldeerpasta-print, één met reflowlassen zonder QFN-coating en een kale chip die het gas in het soldeer afvoert; het specifieke proces van secundaire soldeerpasta-print, patch en secundaire reflux wordt weergegeven in Figuur 13.
Wanneer de 75 μm dikke soldeerpasta voor de eerste keer wordt geprint, ontsnapt het meeste gas in het soldeer zonder chipafdekking van het oppervlak en is de dikte na reflux ongeveer 50 μm. Na voltooiing van de primaire reflux worden kleine vierkantjes geprint op het oppervlak van het afgekoelde, gestolde soldeer (om de hoeveelheid soldeerpasta te verminderen, de hoeveelheid gasverspilling te verminderen en soldeerspatten te verminderen of te elimineren) en de soldeerpasta met een dikte van 50 μm (de bovenstaande testresultaten laten zien dat 100 μm het beste is, dus de dikte van de secundaire print is 100 μm. 50 μm = 50 μm). Installeer vervolgens de chip en keer terug gedurende 80 s. Er is vrijwel geen gat in het soldeer na de eerste print en reflux, en de soldeerpasta in de tweede print is klein en het lasgat is klein, zoals weergegeven in Afbeelding 14.
Na twee afdrukken soldeerpasta, holtrekken
4.3 Verificatie van het effect van de lasholte
Productie van 2000 producten (de dikte van het eerste bedrukte stalen gaas is 75 μm, de dikte van het tweede bedrukte stalen gaas is 50 μm), overige omstandigheden ongewijzigd, willekeurige meting van 500 QFN en spaanlascaviteit, toonde aan dat het nieuwe proces na de eerste reflux geen caviteit heeft, na de tweede reflux QFN. De maximale lascaviteit is 4,8% en de maximale lascaviteit van de spaan is 4,1%. Vergeleken met het oorspronkelijke enkelvoudige-pasta-druklasproces en het door DOE geoptimaliseerde proces, is de lascaviteit aanzienlijk verkleind, zoals weergegeven in Afbeelding 15. Er werden geen spaanscheuren gevonden na functionele tests van alle producten.
5 Samenvatting
Optimalisatie van de hoeveelheid soldeerpasta en de refluxtijd kan het lasoppervlak verkleinen, maar de lassnelheid is nog steeds groot. Door twee reflow-lastechnieken te gebruiken voor het printen van soldeerpasta kan de lassnelheid effectief worden gemaximaliseerd. Het lasoppervlak van de kale chip van het QFN-circuit kan respectievelijk 4,4 mm x 4,1 mm en 3,0 mm x 2,3 mm bedragen bij massaproductie. De reflow-snelheid van het reflow-lassen wordt beperkt tot minder dan 5%, wat de kwaliteit en betrouwbaarheid van het reflow-lassen verbetert. Het onderzoek in dit artikel biedt een belangrijke referentie voor het oplossen van het probleem van de lassnelheid bij grote lasoppervlakken.
