SMT maakt gebruik van conventionele soldeerpasta-luchtreflow-lasholteanalyse en -oplossing (2023 Essence Edition), u verdient het!
1. Inleiding
Bij de printplaatassemblage wordt eerst soldeerpasta op het soldeerkussen van de printplaat gedrukt en vervolgens worden verschillende elektronische componenten aangebracht.Tenslotte worden na de reflow-oven de tinkralen in de soldeerpasta gesmolten en worden allerlei elektronische componenten en het soldeervlak van de printplaat aan elkaar gelast om de assemblage van elektrische submodules te realiseren.Surfacemount-technologie (sMT) wordt steeds vaker gebruikt in verpakkingsproducten met een hoge dichtheid, zoals system level package (siP), ballgridarray (BGA) -apparaten en power bare Chip, vierkant plat pinloos pakket (quad aatNo-lead, ook wel QFN genoemd ) apparaat.
Vanwege de kenmerken van het soldeerpasta-lasproces en de materialen zullen er na reflow-lassen van deze apparaten met groot soldeeroppervlak gaten in het soldeerlasgebied ontstaan, wat de elektrische eigenschappen, thermische eigenschappen en mechanische eigenschappen van het product zal beïnvloeden. zelfs leiden tot productfalen, daarom is het verbeteren van de soldeerpasta-reflow-lasholte een proces- en technisch probleem geworden dat moet worden opgelost. Sommige onderzoekers hebben de oorzaken van de BGA-soldeerkogellasholte geanalyseerd en bestudeerd en verbeteringsoplossingen geboden, conventioneel soldeer pasta-reflow-lasproces lasoppervlak van QFN groter dan 10 mm2 of lasoppervlak groter dan 6 mm2. Er ontbreekt een oplossing met kale spaanders.
Gebruik preformsoldeerlassen en vacuümrefluxovenlassen om het lasgat te verbeteren.Geprefabriceerd soldeer vereist speciale apparatuur om flux te richten.Zo wordt de chip bijvoorbeeld flink verschoven en gekanteld nadat de chip direct op het geprefabriceerde soldeer is geplaatst.Als de flux-mount-chip reflow is en vervolgens punt, wordt het proces met twee reflow verhoogd en zijn de kosten van geprefabriceerd soldeer- en fluxmateriaal veel hoger dan die van de soldeerpasta.
Vacuümrefluxapparatuur is duurder, de vacuümcapaciteit van de onafhankelijke vacuümkamer is erg laag, de kostenprestaties zijn niet hoog en het tinspattenprobleem is ernstig, wat een belangrijke factor is bij de toepassing van hoge dichtheid en kleine spoed producten.In dit artikel wordt, gebaseerd op het conventionele reflow-lasproces met soldeerpasta, een nieuw secundair reflow-lasproces ontwikkeld en geïntroduceerd om de lasholte te verbeteren en de problemen op te lossen van hechting en scheuren in plastic afdichtingen veroorzaakt door lasholtes.
2 Soldeerpasta afdrukken reflow lasholte en productiemechanisme
2.1 Lasholte
Na reflow-lassen werd het product onder röntgenstraling getest.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 bellengat
2.2 Vormingsmechanisme van lasholte
Als we sAC305-soldeerpasta als voorbeeld nemen, worden de belangrijkste samenstelling en functie weergegeven in Tabel 1. De flux- en tinparels zijn in pastavorm met elkaar verbonden.De gewichtsverhouding van tinsoldeer tot vloeimiddel is ongeveer 9:1 en de volumeverhouding is ongeveer 1:1.
Nadat de soldeerpasta is bedrukt en met verschillende elektronische componenten is gemonteerd, ondergaat de soldeerpasta vier fasen van voorverwarmen, activeren, terugvloeien en afkoelen wanneer deze door de terugvloeioven gaat.De toestand van de soldeerpasta is ook anders bij verschillende temperaturen in verschillende fasen, zoals weergegeven in figuur 2.
Profielreferentie voor elk gebied van reflow-solderen
In de voorverwarmings- en activeringsfase zullen de vluchtige componenten in de flux in de soldeerpasta bij verhitting verdampen tot gas.Tegelijkertijd zullen er gassen ontstaan wanneer het oxide op het oppervlak van de laslaag wordt verwijderd.Sommige van deze gassen zullen vervluchtigen en de soldeerpasta achterlaten, en de soldeerkralen zullen sterk worden gecondenseerd als gevolg van de vervluchtiging van de flux.In de refluxfase zal de resterende flux in de soldeerpasta snel verdampen, de tinkralen zullen smelten, een kleine hoeveelheid flux-vluchtig gas en het grootste deel van de lucht tussen de tinkralen zal niet in de tijd worden verspreid, en het residu in de gesmolten tin en onder de spanning van het gesmolten tin hebben een hamburger-sandwichstructuur en worden opgevangen door het soldeerkussen van de printplaat en elektronische componenten, en het gas dat in het vloeibare tin is gewikkeld, is moeilijk te ontsnappen alleen door het opwaartse drijfvermogen. De bovenste smelttijd is erg kort.Wanneer het gesmolten tin afkoelt en vast tin wordt, verschijnen er poriën in de laslaag en ontstaan er soldeergaten, zoals weergegeven in figuur 3.
Schematisch diagram van de leegte gegenereerd door reflow-lassen van soldeerpasta
De hoofdoorzaak van lasholtes is dat de lucht of het vluchtige gas dat na het smelten in de soldeerpasta is gewikkeld, niet volledig wordt afgevoerd.De beïnvloedende factoren zijn onder meer het materiaal van de soldeerpasta, de vorm van de afdruk van de soldeerpasta, de hoeveelheid afdruk van de soldeerpasta, de refluxtemperatuur, de refluxtijd, de lasgrootte, de structuur enzovoort.
3. Verificatie van beïnvloedende factoren bij het printen van reflow-lasgaten met soldeerpasta
QFN- en kale chiptests werden gebruikt om de belangrijkste oorzaken van reflow-lasholtes te bevestigen en om manieren te vinden om de reflow-lasholtes die door soldeerpasta zijn geprint te verbeteren.QFN en kale chip soldeerpasta reflow-lasproductprofiel wordt getoond in figuur 4, de QFN-lasoppervlakgrootte is 4,4 mm x 4,1 mm, het lasoppervlak is een vertinde laag (100% puur tin);De lasgrootte van de kale chip is 3,0 mm x 2,3 mm, de laslaag is een gesputterde nikkel-vanadium bimetaallaag en de oppervlaktelaag is vanadium.Het laskussen van het substraat was stroomloos nikkel-palladium-gouddompelen en de dikte was 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm.Er wordt SAC305-soldeerpasta gebruikt, de soldeerpasta-afdrukapparatuur is DEK Horizon APix, de refluxovenapparatuur is BTUPyramax150N en de röntgenapparatuur is DAGExD7500VR.
QFN- en kale spaanlastekeningen
Om de vergelijking van de testresultaten te vergemakkelijken, werd reflow-lassen uitgevoerd onder de omstandigheden in Tabel 2.
Tabel met reflow-lascondities
Nadat de montage op het oppervlak en het reflow-lassen waren voltooid, werd de laslaag gedetecteerd met röntgenstraling en bleek dat er grote gaten in de laslaag aan de onderkant van QFN en kale chip zaten, zoals weergegeven in figuur 5.
QFN en chiphologram (röntgenfoto)
Omdat de grootte van de tinkraal, de dikte van het staalgaas, de snelheid van het openingsoppervlak, de vorm van het staalgaas, de refluxtijd en de piekoventemperatuur allemaal de reflow-lasholtes zullen beïnvloeden, zijn er veel beïnvloedende factoren, die direct zullen worden geverifieerd door de DOE-test, en het aantal experimentele groepen zullen te groot zijn.Het is noodzakelijk om snel de belangrijkste beïnvloedende factoren te screenen en te bepalen door middel van een correlatievergelijkingstest, en vervolgens de belangrijkste beïnvloedende factoren verder te optimaliseren door middel van DOE.
3.1 Afmetingen soldeergaten en soldeerpasta-tinkralen
Met type3 (rupsgrootte 25-45 μm) SAC305 soldeerpastatest blijven andere omstandigheden ongewijzigd.Na reflow worden de gaten in de soldeerlaag gemeten en vergeleken met type 4 soldeerpasta.Het blijkt dat de gaten in de soldeerlaag niet significant verschillen tussen de twee soorten soldeerpasta, wat aangeeft dat de soldeerpasta met verschillende kraalgrootte geen duidelijke invloed heeft op de gaten in de soldeerlaag, wat geen beïnvloedende factor is. zoals getoond in FIG.6 Zoals afgebeeld.
Vergelijking van metalen tinpoedergaten met verschillende deeltjesgroottes
3.2 Dikte van de lasholte en het bedrukte stalen gaas
Na reflow werd het holteoppervlak van de gelaste laag gemeten met het bedrukte stalen gaas met een dikte van 50 μm, 100 μm en 125 μm, en andere omstandigheden bleven ongewijzigd.Er werd gevonden dat het effect van verschillende diktes van stalen gaas (soldeerpasta) op QFN werd vergeleken met dat van het bedrukte stalen gaas met een dikte van 75 μm. Naarmate de dikte van het stalen gaas toeneemt, neemt het holteoppervlak geleidelijk langzaam af.Nadat een bepaalde dikte (100 μm) is bereikt, zal het holteoppervlak omkeren en beginnen toe te nemen naarmate de dikte van het stalen gaas toeneemt, zoals weergegeven in Figuur 7.
Hieruit blijkt dat wanneer de hoeveelheid soldeerpasta wordt vergroot, het vloeibare tin met reflux wordt bedekt door de chip en de uitlaat van de resterende lucht slechts aan vier zijden smal is.Wanneer de hoeveelheid soldeerpasta wordt veranderd, wordt de uitlaat van resterende lucht ook vergroot, en de onmiddellijke uitbarsting van lucht gewikkeld in vloeibaar tin of vluchtig gas dat vloeibaar tin ontsnapt, zal ervoor zorgen dat vloeibaar tin rond QFN en de chip spat.
Uit de test bleek dat met de toename van de dikte van het stalen gaas, het barsten van de bellen veroorzaakt door het ontsnappen van lucht of vluchtig gas ook zal toenemen, en dat de kans op tinspatten rond QFN en chip ook dienovereenkomstig zal toenemen.
Vergelijking van gaten in stalen gaas van verschillende dikte
3.3 Oppervlakteverhouding van lasholte en stalen gaasopening
Het bedrukte stalen gaas met een openingspercentage van 100%, 90% en 80% werd getest en andere omstandigheden bleven ongewijzigd.Na reflow werd het holteoppervlak van de laslaag gemeten en vergeleken met het bedrukte stalen gaas met een openingspercentage van 100%.Er werd vastgesteld dat er geen significant verschil was in de holte van de laslaag onder de omstandigheden van een openingsgraad van 100% en 90% 80%, zoals weergegeven in Figuur 8.
Holtevergelijking van verschillende openingsoppervlakken van verschillende stalen gaas
3.4 Gelaste holte en bedrukte stalen gaasvorm
Bij de drukvormtest van de soldeerpasta van strip b en hellend rooster c blijven andere omstandigheden ongewijzigd.Na reflow wordt het holteoppervlak van de laslaag gemeten en vergeleken met de printvorm van rooster a.Het blijkt dat er geen significant verschil is in de holte van de laslaag onder de omstandigheden van rooster, strip en hellend rooster, zoals weergegeven in figuur 9.
Vergelijking van gaten in verschillende openingsmodi van staalgaas
3.5 Lasholte en refluxtijd
Na een langdurige refluxtijdtest (70 s, 80 s, 90 s), blijven andere omstandigheden onveranderd, het gat in de laslaag werd gemeten na reflux en vergeleken met de refluxtijd van 60 s bleek dat met de toename van de refluxtijd nam het oppervlak van het lasgat af, maar de reductieamplitude nam geleidelijk af met het toenemen van de tijd, zoals weergegeven in figuur 10. Dit laat zien dat in het geval van onvoldoende refluxtijd het vergroten van de refluxtijd bevorderlijk is voor de volledige overstroming van lucht gewikkeld in gesmolten vloeibaar tin, maar nadat de refluxtijd tot een bepaalde tijd is toegenomen, kan de in vloeibaar tin gewikkelde lucht moeilijk weer overstromen.De refluxtijd is een van de factoren die de lasholte beïnvloeden.
Ongeldige vergelijking van verschillende refluxtijdlengtes
3.6 Lasholte en piekoventemperatuur
Met een piekoventemperatuurtest van 240 ℃ en 250 ℃ en andere omstandigheden onveranderd, werd het holteoppervlak van de gelaste laag gemeten na reflow, en vergeleken met een piekoventemperatuur van 260 ℃ bleek dat onder verschillende piekoventemperatuuromstandigheden de holte van de gelaste laag van QFN en chip veranderde niet significant, zoals weergegeven in figuur 11. Hieruit blijkt dat verschillende piekoventemperaturen geen duidelijk effect hebben op QFN en het gat in de laslaag van de chip, wat geen beïnvloedende factor is.
Ongeldige vergelijking van verschillende piektemperaturen
De bovenstaande tests geven aan dat de refluxtijd en de dikte van het staalgaas de belangrijkste factoren zijn die de laslaagholte van QFN en spaan beïnvloeden.
4 Verbetering van de reflow lasholte met soldeerpasta
4.1DOE-test om de lasholte te verbeteren
Het gat in de laslaag van QFN en chip werd verbeterd door de optimale waarde van de belangrijkste beïnvloedende factoren (refluxtijd en dikte van het staalgaas) te vinden.De soldeerpasta was SAC305 type 4, de stalen gaasvorm was van het roostertype (100% openingsgraad), de piekoventemperatuur was 260 ℃ en andere testomstandigheden waren dezelfde als die van de testapparatuur.De DOE-test en de resultaten zijn weergegeven in Tabel 3. De invloeden van de dikte van het staalgaas en de refluxtijd op QFN- en spaanlasgaten zijn weergegeven in Figuur 12. Uit de interactieanalyse van de belangrijkste beïnvloedende factoren is gebleken dat het gebruik van een staalgaasdikte van 100 μm en een refluxtijd van 80 s kan de lasholte van QFN en chip aanzienlijk verminderen.De lasholtesnelheid van QFN wordt verlaagd van maximaal 27,8% naar 16,1%, en de lasholtesnelheid van spanen wordt verlaagd van maximaal 20,5% naar 14,5%.
In de test werden 1000 producten geproduceerd onder de optimale omstandigheden (100 μm staalgaasdikte, 80 s refluxtijd) en werd de lasholtesnelheid van 100 QFN en chip willekeurig gemeten.De gemiddelde lasholtesnelheid van QFN was 16,4% en de gemiddelde lasholtesnelheid van de chip was 14,7%. De lasholtesnelheid van de chip en de chip is duidelijk verminderd.
4.2 Het nieuwe proces verbetert de lasholte
De daadwerkelijke productiesituatie en test laten zien dat wanneer het lasholtegebied aan de onderkant van de chip minder dan 10% bedraagt, het scheurprobleem in de chipholtepositie niet zal optreden tijdens het verbinden en vormen van de lead.De door DOE geoptimaliseerde procesparameters kunnen niet voldoen aan de vereisten voor het analyseren en oplossen van de gaten in het conventionele reflow-lassen van soldeerpasta, en de lasholteoppervlakte van de chip moet verder worden verminderd.
Omdat de op het soldeer bedekte chip voorkomt dat het gas in het soldeer ontsnapt, wordt de gatensnelheid aan de onderkant van de chip verder verminderd door het met soldeer bedekte gas te elimineren of te verminderen.Er wordt een nieuw proces van reflow-lassen toegepast met twee soldeerpasta-afdrukken: één soldeerpasta-printing, één reflow die QFN niet bedekt en een kale chip die het gas in het soldeer afvoert;Het specifieke proces van het printen van secundaire soldeerpasta, patch en secundaire reflux wordt getoond in Figuur 13.
Wanneer de 75 μm dikke soldeerpasta voor de eerste keer wordt afgedrukt, ontsnapt het grootste deel van het gas in het soldeer zonder chipafdekking uit het oppervlak en is de dikte na reflux ongeveer 50 μm.Na voltooiing van de primaire reflux worden kleine vierkantjes op het oppervlak van het gekoelde, gestolde soldeer gedrukt (om de hoeveelheid soldeerpasta te verminderen, de hoeveelheid gasoverloop te verminderen, 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 afdruk is 100 μm.50 μm = 50 μm), installeer vervolgens de chip en keer dan terug gedurende 80 s.Er zit bijna geen gat in het soldeer na de eerste afdruk en reflow, en de soldeerpasta bij de tweede afdruk is klein en het lasgat is klein, zoals weergegeven in afbeelding 14.
Na twee drukken soldeerpasta, holtrekken
4.3 Verificatie van het effect van de lasholte
Productie van 2000 producten (de dikte van het eerste stalen gaas is 75 μm, de dikte van het tweede stalen gaas is 50 μm), andere omstandigheden ongewijzigd, willekeurige meting van 500 QFN en spaanlasholtesnelheid, ontdekte dat het nieuwe proces na de eerste reflux geen holte, na de tweede reflux QFN De maximale lasholtesnelheid is 4,8% en de maximale lasholtesnelheid van de chip is 4,1%.Vergeleken met het originele single-paste printlasproces en het DOE-geoptimaliseerde proces is de lasholte aanzienlijk verminderd, zoals weergegeven in figuur 15. Er werden geen chipscheuren gevonden na functionele tests van alle producten.
5 Samenvatting
De optimalisatie van de hoeveelheid soldeerpasta en de refluxtijd kan het lasholteoppervlak verkleinen, maar de lasholtesnelheid is nog steeds groot.Door gebruik te maken van twee reflow-lastechnieken met soldeerpasta kan de lasholte effectief worden gemaximaliseerd.Het lasgebied 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 zijn bij massaproductie. De holtesnelheid van reflow-lassen wordt onder de 5% geregeld, wat de kwaliteit en betrouwbaarheid van reflow-lassen verbetert.Het onderzoek in dit artikel biedt een belangrijke referentie voor het verbeteren van het lasholteprobleem van een groot lasoppervlak.