1 Wprowadzenie
Podczas montażu płytki drukowanej, pasta lutownicza jest najpierw nakładana na pole lutownicze płytki, a następnie mocowane są różne elementy elektroniczne. Na koniec, po ostygnięciu pieca rozpływowego, kulki cyny w paście lutowniczej są topione, a wszelkiego rodzaju elementy elektroniczne i pole lutownicze płytki drukowanej są ze sobą spawane, aby umożliwić montaż podzespołów elektrycznych. Technologia montażu powierzchniowego (SMT) jest coraz częściej stosowana w produktach o wysokiej gęstości, takich jak obudowy systemowe (SIP), układy Ballgridarray (BGA) oraz układy Power Bare Chip, czyli kwadratowe, płaskie, bezwyprowadzeniowe obudowy (QFN).
Ze względu na charakterystykę procesu spawania pasty lutowniczej i materiałów, po spawaniu rozpływowym tych urządzeń o dużej powierzchni lutowanej, w obszarze spawania lutowanego powstaną otwory, które wpłyną na właściwości elektryczne, właściwości termiczne i właściwości mechaniczne wydajności produktu, a nawet doprowadzą do jego uszkodzenia, dlatego też poprawa komory spawania rozpływowego pasty lutowniczej stała się procesem i problemem technicznym, który należy rozwiązać. Niektórzy badacze przeanalizowali i zbadali przyczyny powstawania wnęki spawania kulkowego BGA i przedstawili rozwiązania ulepszeń. Brakuje konwencjonalnego rozwiązania z gołym chipem w procesie spawania rozpływowego pasty lutowniczej o powierzchni QFN większej niż 10 mm2 lub powierzchni spawania większej niż 6 mm2.
Aby poprawić jakość otworu spawalniczego, należy zastosować spawanie metodą Preformsolder i spawanie w piecu próżniowym z refluksem. Prefabrykowane lutowie wymaga specjalistycznego sprzętu do punktowego nałożenia topnika. Na przykład, chip jest mocno przesunięty i pochylony po umieszczeniu go bezpośrednio na prefabrykowanym lutowiu. Jeśli chip z mocowaniem topnika jest lutowany metodą reflow, a następnie punktowo, proces wydłuża się dwukrotnie, a koszt prefabrykowanego lutowia i topnika jest znacznie wyższy niż koszt pasty lutowniczej.
Urządzenia do refluksu próżniowego są droższe, wydajność próżniowa niezależnej komory próżniowej jest bardzo niska, stosunek kosztów do wydajności jest niski, a problem rozpryskiwania cyny jest poważny, co stanowi istotny czynnik w przypadku produktów o dużej gęstości i małej podziałce. W niniejszym artykule, w oparciu o konwencjonalny proces spawania rozpływowego pastą lutowniczą, opracowano i wprowadzono nową, wtórną metodę spawania rozpływowego, aby ulepszyć komorę spawalniczą i rozwiązać problemy związane z klejeniem i pękaniem uszczelnień z tworzyw sztucznych spowodowane przez komorę spawalniczą.
2. Nadruk pasty lutowniczej, komora spawania rozpływowego i mechanizm produkcyjny
2.1 Komora spawalnicza
Po spawaniu rozpływowym produkt został przebadany rentgenowsko. Otwory w strefie spawania o jaśniejszym kolorze okazały się być spowodowane niedostateczną ilością lutu w warstwie spawu, jak pokazano na rysunku 1.
Wykrywanie otworu pęcherzykowego za pomocą promieni rentgenowskich
2.2 Mechanizm formowania komory spawalniczej
Biorąc za przykład pastę lutowniczą sAC305, główny skład i funkcję przedstawiono w tabeli 1. Topnik i kulki cyny są połączone ze sobą w formie pasty. Stosunek wagowy lutu cynowego do topnika wynosi około 9:1, a stosunek objętościowy około 1:1.
Po wydrukowaniu pasty lutowniczej i zamontowaniu jej na różnych elementach elektronicznych, pasta przechodzi przez cztery etapy: podgrzewania wstępnego, aktywacji, refluksu i chłodzenia podczas przechodzenia przez piec refluksowy. Stan pasty lutowniczej również różni się w zależności od temperatury na poszczególnych etapach, jak pokazano na rysunku 2.
Odniesienie profilu dla każdego obszaru lutowania rozpływowego
Na etapie podgrzewania i aktywacji, lotne składniki topnika w paście lutowniczej ulatniają się do gazu po podgrzaniu. Jednocześnie, gdy tlenek na powierzchni warstwy spawalniczej zostanie usunięty, powstaną gazy. Część z tych gazów ulotni się i opuści pastę lutowniczą, a krople lutu będą ściśle skroplone z powodu ulatniania się topnika. Na etapie refluksu, pozostały topnik w paście lutowniczej szybko odparuje, krople cyny ulegną stopieniu, niewielka ilość lotnego gazu topnika i większość powietrza między kroplami cyny nie zostanie rozproszona w czasie, a pozostałości w stopionej cynie i pod naprężeniem stopionej cyny mają strukturę kanapki hamburgera i są przechwytywane przez pole lutownicze płytki drukowanej i elementy elektroniczne, a gaz owinięty w ciekłą cynę jest trudny do ucieczki tylko dzięki wyporności skierowanej ku górze. Czas topnienia górnej części jest bardzo krótki. Gdy stopiona cyna ostygnie i stanie się cyną stałą, w warstwie spawu pojawią się pory i utworzą się otwory lutownicze, jak pokazano na rysunku 3.
Schematyczny diagram pustki powstałej w wyniku spawania rozpływowego pastą lutowniczą
Podstawową przyczyną powstawania wnęk spawalniczych jest to, że powietrze lub gaz lotny zawarty w paście lutowniczej po stopieniu nie jest całkowicie odprowadzany. Czynniki wpływające na to zjawisko to m.in. materiał pasty lutowniczej, kształt nadruku pasty lutowniczej, ilość nadruku pasty lutowniczej, temperatura powrotu, czas powrotu, rozmiar spoiny, struktura itd.
3. Weryfikacja czynników wpływających na nadruk pasty lutowniczej na otworach metodą spawania rozpływowego
Testy QFN i gołych chipów zostały wykorzystane do potwierdzenia głównych przyczyn powstawania pustych przestrzeni w spawaniu rozpływowym oraz do znalezienia sposobów na ograniczenie pustych przestrzeni w spawaniu rozpływowym drukowanych przez pastę lutowniczą. Profil produktu QFN i gołych chipów do spawania rozpływowego przedstawiono na rysunku 4. Powierzchnia spawania QFN wynosi 4,4 mm x 4,1 mm, powierzchnia spawania jest warstwą cynowaną (100% czysta cyna); powierzchnia spawania gołego chipa ma wymiary 3,0 mm x 2,3 mm, warstwa spawania jest napyloną warstwą bimetaliczną niklowo-wanadową, a warstwa wierzchnia jest wanadowa. Podłoże spawalnicze zostało pokryte warstwą bezprądowego niklowo-palladowego złota zanurzeniowego o grubości 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Zastosowano pastę lutowniczą SAC305. Sprzęt do drukowania pasty lutowniczej to DEK Horizon APix, sprzęt do pieca zwrotnego to BTUPyramax150N, a sprzęt rentgenowski to DAGExD7500VR.
Rysunki QFN i spawania gołych wiórów
Aby ułatwić porównanie wyników badań, spawanie rozpływowe przeprowadzono w warunkach podanych w tabeli 2.
Tabela warunków spawania rozpływowego
Po zakończeniu montażu powierzchniowego i spawania rozpływowego warstwę spawalniczą zbadano promieniami rentgenowskimi. Okazało się, że w warstwie spawalniczej na spodzie QFN i odsłoniętego układu scalonego znajdowały się duże otwory, jak pokazano na rysunku 5.
QFN i hologram chipowy (rentgenowski)
Ponieważ rozmiar kulki cyny, grubość siatki stalowej, szybkość otwierania, kształt siatki stalowej, czas refluksu i szczytowa temperatura pieca wpływają na pustki po spawaniu rozpływowym, istnieje wiele czynników wpływających, które zostaną bezpośrednio zweryfikowane testem DOE, a liczba grup eksperymentalnych będzie zbyt duża. Konieczne jest szybkie określenie i określenie głównych czynników wpływających poprzez test korelacji porównawczej, a następnie dalsza optymalizacja głównych czynników wpływających poprzez DOE.
3.1 Wymiary otworów lutowniczych i kulek pasty lutowniczej
W teście z pastą lutowniczą typu 3 (średnica kulki 25–45 μm) SAC305 pozostałe warunki pozostają niezmienione. Po lutowaniu rozpływowym mierzone są otwory w warstwie lutowniczej i porównywane z pastą lutowniczą typu 4. Stwierdzono, że otwory w warstwie lutowniczej nie różnią się znacząco między dwoma rodzajami pasty, co wskazuje, że pasta lutownicza o innej średnicy kulki nie ma oczywistego wpływu na otwory w warstwie lutowniczej, co nie jest czynnikiem wpływającym, jak pokazano na rys. 6.
Porównanie otworów w proszku cyny metalicznej o różnej wielkości cząstek
3.2 Grubość komory spawalniczej i siatki stalowej zadrukowanej
Po lutowaniu rozpływowym zmierzono powierzchnię wnęki warstwy spawanej za pomocą nadrukowanej siatki stalowej o grubości 50 μm, 100 μm i 125 μm, a pozostałe warunki pozostały niezmienione. Stwierdzono, że wpływ różnej grubości siatki stalowej (pasty lutowniczej) na QFN porównano z wpływem nadrukowanej siatki stalowej o grubości 75 μm. Wraz ze wzrostem grubości siatki stalowej powierzchnia wnęki stopniowo i powoli się zmniejsza. Po osiągnięciu określonej grubości (100 μm) powierzchnia wnęki odwróci się i zacznie wzrastać wraz ze wzrostem grubości siatki stalowej, jak pokazano na rysunku 7.
Pokazuje to, że wraz ze wzrostem ilości pasty lutowniczej, ciekła cyna z refluksem jest przykryta przez chip, a otwór wylotowy powietrza resztkowego jest wąski tylko z czterech stron. Wraz ze zmianą ilości pasty lutowniczej, otwór wylotowy powietrza resztkowego również się zwiększa, a natychmiastowy wybuch powietrza otulonego ciekłą cyną lub lotnym gazem ulatniającym się z ciekłej cyny spowoduje rozpryskiwanie się ciekłej cyny wokół QFN i chipa.
Test wykazał, że wraz ze wzrostem grubości siatki stalowej wzrasta również ryzyko pęknięcia pęcherzyków na skutek ucieczki powietrza lub gazów lotnych, a co za tym idzie wzrasta prawdopodobieństwo rozpryskiwania się cyny wokół QFN i wióra.
Porównanie otworów w siatce stalowej o różnej grubości
3.3 Stosunek powierzchni komory spawalniczej do otworu siatki stalowej
Przetestowano drukowaną siatkę stalową o współczynniku otwarcia 100%, 90% i 80%, a pozostałe warunki pozostały niezmienione. Po lutowaniu rozpływowym zmierzono powierzchnię wnęki warstwy zgrzewanej i porównano ją z powierzchnią zadrukowanej siatki stalowej o współczynniku otwarcia 100%. Stwierdzono, że nie było znaczącej różnicy w powierzchni wnęki warstwy zgrzewanej w warunkach współczynnika otwarcia 100%, 90% i 80%, jak pokazano na rysunku 8.
Porównanie wielkości otworów o różnych powierzchniach w różnych siatkach stalowych
3.4 Kształt komory spawanej i drukowanej siatki stalowej
Podczas testu kształtu nadruku pasty lutowniczej z paska b i siatki pochyłej c, pozostałe warunki pozostają niezmienione. Po lutowaniu rozpływowym mierzona jest powierzchnia wnęki warstwy spawalniczej i porównywana z kształtem nadruku siatki a. Stwierdzono, że nie ma znaczącej różnicy w powierzchni wnęki warstwy spawalniczej w warunkach siatki, paska i siatki pochyłej, jak pokazano na rysunku 9.
Porównanie otworów w różnych trybach otwierania siatki stalowej
3.5 Komora spawalnicza i czas refluksu
Po dłuższym czasie refluksu (70 s, 80 s, 90 s) test, pozostałe warunki pozostają niezmienione, otwór w warstwie spawu zmierzono po refluksie i porównano z czasem refluksu wynoszącym 60 s. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem czasu refluksu powierzchnia otworu spawalniczego zmniejszała się, ale amplituda redukcji stopniowo malała wraz ze wzrostem czasu, jak pokazano na rysunku 10. Pokazuje to, że w przypadku niewystarczającego czasu refluksu, wydłużenie czasu refluksu sprzyja pełnemu przelewaniu się powietrza otulonego stopioną ciekłą cyną, ale po wydłużeniu czasu refluksu do określonego czasu, powietrze otulone ciekłą cyną trudno jest ponownie wylać. Czas refluksu jest jednym z czynników wpływających na gniazdo spawalnicze.
Porównanie różnych długości czasu refluksu
3.6 Temperatura komory spawalniczej i szczytowa temperatura pieca
Po przeprowadzeniu testu z temperaturą szczytową pieca wynoszącą 240 ℃ i 250 ℃ oraz przy niezmienionych innych warunkach, zmierzono powierzchnię wnęki warstwy spawanej po reflow i porównano ją z temperaturą szczytową pieca wynoszącą 260 ℃. Stwierdzono, że przy różnych warunkach temperatury szczytowej pieca wnęka warstwy spawanej QFN i wióra nie zmieniła się znacząco, jak pokazano na rysunku 11. Pokazuje on, że różna temperatura szczytowa pieca nie ma oczywistego wpływu na QFN i otwór w warstwie spawanej wióra, który nie jest czynnikiem wpływającym.
Brak porównania różnych temperatur szczytowych
Powyższe testy wskazują, że istotnymi czynnikami wpływającymi na strukturę wnęki spoiny QFN i wióra są czas refluksu oraz grubość siatki stalowej.
4. Ulepszenie komory spawania metodą rozpływową za pomocą pasty lutowniczej
4.1 Test DOE mający na celu ulepszenie komory spawalniczej
Otwór w warstwie spawalniczej QFN i wióra został poprawiony przez znalezienie optymalnej wartości głównych czynników wpływających (czas refluksu i grubość siatki stalowej). Pasta lutownicza to SAC305 typu 4, kształt siatki stalowej był siatkowy (100% stopień otwarcia), szczytowa temperatura pieca wynosiła 260 ℃, a inne warunki testowe były takie same jak w sprzęcie testowym. Test DOE i wyniki przedstawiono w Tabeli 3. Wpływ grubości siatki stalowej i czasu refluksu na otwory spawalnicze QFN i wióra pokazano na Rysunku 12. Poprzez analizę interakcji głównych czynników wpływających stwierdzono, że użycie grubości siatki stalowej 100 μm i 80 s czasu refluksu może znacznie zmniejszyć wnękę spawalniczą QFN i wióra. Współczynnik wnęki spawalniczej QFN został zmniejszony z maksymalnych 27,8% do 16,1%, a współczynnik wnęki spawalniczej wióra został zmniejszony z maksymalnych 20,5% do 14,5%.
W teście wytworzono 1000 produktów w optymalnych warunkach (grubość siatki stalowej 100 μm, czas refluksu 80 s), a następnie losowo zmierzono wydajność wnęki spawalniczej 100 QFN i wióra. Średnia wydajność wnęki spawalniczej QFN wyniosła 16,4%, a średnia wydajność wnęki spawalniczej wióra 14,7%. Wydajność wnęki spawalniczej wióra i wióra są wyraźnie zmniejszone.
4.2 Nowy proces ulepsza komorę spawalniczą
Rzeczywista sytuacja produkcyjna i testy pokazują, że gdy powierzchnia wnęki spawalniczej u dołu układu scalonego jest mniejsza niż 10%, problem pękania wnęki w układzie scalonym nie wystąpi podczas łączenia i formowania wyprowadzeń. Parametry procesu zoptymalizowane przez DOE nie spełniają wymagań analizy i rozwiązania problemu otworów w konwencjonalnym spawaniu rozpływowym pastą lutowniczą, a wskaźnik powierzchni wnęki spawalniczej układu scalonego wymaga dalszej redukcji.
Ponieważ chip pokryty lutem zapobiega ucieczce gazu z lutu, szybkość powstawania otworów w dolnej części chipa jest dodatkowo zmniejszona poprzez wyeliminowanie lub ograniczenie gazu otulonego lutem. Zastosowano nowy proces spawania rozpływowego z dwoma rodzajami pasty lutowniczej: jednym z pastą lutowniczą, drugim z bezpokryciowym lutem QFN i gołym chipem odprowadzającym gaz z lutu. Szczegółowy proces wtórnego drukowania pasty lutowniczej, łatania i wtórnego refluksu przedstawiono na rysunku 13.
Podczas pierwszego drukowania pasty lutowniczej o grubości 75 μm większość gazu w lutowiu bez pokrywy chipa ulatnia się z powierzchni, a grubość po refluksie wynosi około 50 μm. Po zakończeniu pierwotnego refluksu na powierzchni schłodzonego, zestalonego lutu drukuje się małe kwadraty (w celu zmniejszenia ilości pasty lutowniczej, zmniejszenia wycieku gazu, ograniczenia lub wyeliminowania odprysków lutu), a następnie nakłada się pastę lutowniczą o grubości 50 μm (powyższe wyniki testów pokazują, że 100 μm jest najlepsze, więc grubość wtórnego nadruku wynosi 100 μm. 50 μm = 50 μm), a następnie instaluje się chip i powraca do procesu przez 80 s. Po pierwszym drukowaniu i lutowaniu rozpływowym w lutowiu prawie nie ma dziury, a pasta lutownicza w drugim drukowaniu jest mała, podobnie jak otwór spawalniczy, jak pokazano na rysunku 14.
Po dwukrotnym nałożeniu pasty lutowniczej, rysunek wklęsły
4.3 Weryfikacja wpływu wnęki spawalniczej
Produkcja 2000 produktów (grubość pierwszej siatki stalowej do drukowania wynosi 75 μm, grubość drugiej siatki stalowej do drukowania wynosi 50 μm), inne warunki niezmienione, losowy pomiar 500 QFN i współczynnika wnęki spawalniczej wiórów wykazał, że nowy proces po pierwszym refluksie nie ma wnęki, po drugim refluksie QFN Maksymalna szybkość wnęki spawalniczej wynosi 4,8%, a maksymalna szybkość wnęki spawalniczej chipa wynosi 4,1%. W porównaniu z oryginalnym procesem spawania z drukowaniem jednowarstwowym i zoptymalizowanym procesem DOE, wnęka spawalnicza jest znacznie zmniejszona, jak pokazano na rysunku 15. Nie stwierdzono pęknięć wiórów po testach funkcjonalnych wszystkich produktów.
5 Podsumowanie
Optymalizacja ilości nakładanej pasty lutowniczej i czasu refluksu może zmniejszyć powierzchnię wnęki spawalniczej, ale szybkość spawania jest nadal duża. Zastosowanie dwóch technik spawania rozpływowego z nakładaną pastą lutowniczą pozwala skutecznie zmaksymalizować szybkość spawania. Powierzchnia spawania gołego układu scalonego QFN może wynosić odpowiednio 4,4 mm x 4,1 mm i 3,0 mm x 2,3 mm w produkcji masowej. Prędkość spawania rozpływowego jest kontrolowana poniżej 5%, co poprawia jakość i niezawodność spawania rozpływowego. Badania przedstawione w niniejszym artykule stanowią ważne odniesienie do rozwiązania problemu wnęki spawalniczej na dużych powierzchniach spawanych.
Czas publikacji: 05.07.2023
