SMT wykorzystuje analizę i rozwiązanie konwencjonalnej pasty lutowniczej do spawania rozpływowego powietrzem (edycja Essence 2023), zasługujesz na to!
1 Wprowadzenie
Podczas montażu płytki drukowanej pasta lutownicza jest najpierw drukowana na polu lutowniczym płytki drukowanej, a następnie mocowane są różne elementy elektroniczne. Na koniec, po uruchomieniu pieca rozpływowego, następuje stapianie kulek cynowych w paście lutowniczej i zespawanie wszelkiego rodzaju elementów elektronicznych i pola lutowniczego płytki drukowanej w celu wykonania montażu podmodułów elektrycznych. technologia montażu powierzchniowego (sMT) jest coraz częściej stosowana w produktach opakowaniowych o dużej gęstości, takich jak pakiety systemowe (siP), urządzenia ballgridarray (BGA) i układy Power Bare Chip, kwadratowe płaskie obudowy bez styków (poczwórne aatBezołowiowe, określane jako QFN ) urządzenie.
Ze względu na charakterystykę procesu spawania pastą lutowniczą i materiałów, po spawaniu rozpływowym tych dużych urządzeń o powierzchni lutowniczej w obszarze spawania lutowniczego pojawią się dziury, które będą miały wpływ na właściwości elektryczne, właściwości termiczne i właściwości mechaniczne produktu oraz nawet prowadzić do awarii produktu, dlatego też ulepszenie wnęki do spawania rozpływowego pasty lutowniczej stało się procesem i problemem technicznym, który należy rozwiązać, niektórzy badacze przeanalizowali i zbadali przyczyny wnęki do spawania kulką lutowniczą BGA i zapewnili rozwiązania udoskonalające, konwencjonalny lut proces zgrzewania rozpływowego pasty obszar spawania QFN większy niż 10 mm2 lub obszar spawania większy niż 6 mm2. Brakuje rozwiązania z gołym wiórem.
Aby poprawić otwór spawalniczy, użyj lutowania wstępnego i spawania w piecu refluksowym w próżni. Prefabrykowany lut wymaga specjalnego sprzętu do wyznaczania strumienia. Na przykład chip jest przesunięty i poważnie przechylony po umieszczeniu chipa bezpośrednio na prefabrykowanym lutowiu. Jeśli układ mocowania topnika jest rozpływany, a następnie punktowy, proces wydłuża się o dwa rozpływy, a koszt prefabrykowanego lutu i materiału topnika jest znacznie wyższy niż pasty lutowniczej.
Sprzęt do refluksu próżniowego jest droższy, wydajność próżni niezależnej komory próżniowej jest bardzo niska, wydajność kosztowa nie jest wysoka, a problem rozpryskiwania cyny jest poważny, co jest ważnym czynnikiem przy stosowaniu urządzeń o dużej gęstości i małym skoku produkty. W tym artykule, w oparciu o konwencjonalny proces zgrzewania rozpływowego pasty lutowniczej, opracowano i wprowadzono nowy proces wtórnego zgrzewania rozpływowego w celu ulepszenia wnęki spawalniczej i rozwiązania problemów związanych z wiązaniem i pękaniem uszczelek plastikowych powodowanych przez wnękę spawalniczą.
2 Wnęka do spawania rozpływowego i mechanizm produkcyjny z nadrukiem pasty lutowniczej
2.1 Wgłębienie spawalnicze
Po zgrzewaniu rozpływowym produkt poddano badaniu rentgenowskiemu. Stwierdzono, że otwory w strefie spawania o jaśniejszym kolorze wynikają z niewystarczającej ilości lutowia w warstwie spawu, jak pokazano na rysunku 1
Wykrywanie rentgenowskie dziury bąbelkowej
2.2 Mechanizm formowania wgłębienia spawalniczego
Biorąc za przykład pastę lutowniczą sAC305, główny skład i działanie pokazano w tabeli 1. Kulki topnika i cyny są łączone ze sobą w kształcie pasty. Stosunek wagowy lutu cynowego do topnika wynosi około 9:1, a stosunek objętościowy około 1:1.
Po wydrukowaniu pasty lutowniczej i zamontowaniu jej w różnych elementach elektronicznych, pasta lutownicza przechodzi przez piec refluksowy w czterech etapach: wstępnego podgrzewania, aktywacji, refluksu i chłodzenia. Stan pasty lutowniczej jest również różny przy różnych temperaturach na różnych etapach, jak pokazano na rysunku 2.
Odniesienie do profilu dla każdego obszaru lutowania rozpływowego
Na etapie wstępnego podgrzewania i aktywacji lotne składniki topnika w paście lutowniczej ulatniają się po podgrzaniu do postaci gazu. Jednocześnie podczas usuwania tlenku z powierzchni warstwy spawalniczej powstaną gazy. Część tych gazów ulatnia się i opuszcza pastę lutowniczą, a kulki lutownicze będą ściśle skondensowane z powodu ulatniania się topnika. Na etapie refluksu pozostały topnik w paście lutowniczej szybko odparuje, kulki cyny stopią się, niewielka ilość lotnego gazu topnika i większość powietrza pomiędzy kulkami cyny nie zostanie rozproszona w czasie, a pozostałość w stopiona cyna i pod napięciem roztopionej cyny mają strukturę kanapkową hamburgera i są wychwytywane przez płytkę lutowniczą płytki drukowanej i elementy elektroniczne, a gaz owinięty w płynną cynę jest trudny do ucieczki jedynie w wyniku wyporu skierowanego ku górze. Górny czas topienia jest bardzo krótki. Kiedy stopiona cyna ostygnie i stanie się stałą cyną, w warstwie spawu pojawiają się pory i tworzą się dziury lutownicze, jak pokazano na rysunku 3.
Schematyczny diagram pustek powstałych w wyniku spawania rozpływowego pasty lutowniczej
Główną przyczyną powstawania wgłębień spawalniczych jest to, że powietrze lub lotny gaz owinięte pastą lutowniczą po stopieniu nie są całkowicie odprowadzane. Czynniki wpływające obejmują materiał pasty lutowniczej, kształt nadruku pasty lutowniczej, ilość nadruku pasty lutowniczej, temperaturę refluksu, czas refluksu, wielkość spoiny, strukturę i tak dalej.
3. Sprawdzenie czynników wpływających na wydruk otworów po zgrzewaniu rozpływowym pasty lutowniczej
Aby potwierdzić główne przyczyny powstawania pustek po spawaniu rozpływowym oraz znaleźć sposoby na poprawę pustek po spawaniu rozpływowym drukowanych pastą lutowniczą, zastosowano testy QFN i badania gołych wiórów. Profil produktów do spawania rozpływowego QFN i pasty lutowniczej z gołymi wiórami pokazano na rysunku 4, rozmiar powierzchni spawania QFN wynosi 4,4 mm x 4,1 mm, powierzchnia spawania to warstwa cynowana (100% czystej cyny); Rozmiar spoiny gołego chipa wynosi 3,0 mm x 2,3 mm, warstwa spawalnicza to napylana bimetaliczna warstwa niklowo-wanadowa, a warstwa powierzchniowa to wanad. Podkładka spawalnicza podłoża była zanurzana w bezprądowym złocie niklowo-palladowym, a grubość wynosiła 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Stosowana jest pasta lutownicza SAC305, sprzęt do drukowania pasty lutowniczej to DEK Horizon APix, sprzęt do pieca refluksowego to BTUPyramax150N, a sprzęt rentgenowski to DAGExD7500VR.
Rysunki spawania QFN i gołego wióra
Aby ułatwić porównanie wyników badań, wykonano zgrzewanie rozpływowe w warunkach podanych w tabeli 2.
Tabela warunków spawania rozpływowego
Po zakończeniu montażu powierzchniowego i zgrzewania rozpływowego warstwę zgrzewającą wykryto za pomocą promieni rentgenowskich i stwierdzono, że w warstwie zgrzewanej znajdują się duże dziury na dnie QFN oraz gołe wióry, jak pokazano na rysunku 5.
QFN i hologram chipowy (prześwietlenie)
Ponieważ rozmiar ściegu cyny, grubość siatki stalowej, wielkość otworu, kształt siatki stalowej, czas powrotu do formy i szczytowa temperatura pieca będą miały wpływ na puste przestrzenie po spawaniu rozpływowym, istnieje wiele czynników wpływających, które zostaną bezpośrednio zweryfikowane w teście DOE oraz liczba eksperymentalnych grupy będą zbyt duże. Konieczne jest szybkie przeszukanie i określenie głównych czynników wpływających za pomocą testu porównawczego korelacji, a następnie dalsza optymalizacja głównych czynników wpływających za pomocą DOE.
3.1 Wymiary otworów lutowniczych i kulek pasty lutowniczej
W przypadku testu pasty lutowniczej SAC305 typu 3 (wielkość kulki 25-45 μm) pozostałe warunki pozostają niezmienione. Po rozpływie mierzy się otwory w warstwie lutowia i porównuje z pastą lutowniczą typu 4. Stwierdzono, że otwory w warstwie lutowniczej nie różnią się znacząco między dwoma rodzajami pasty lutowniczej, co wskazuje, że pasta lutownicza o różnej wielkości spoiny nie ma oczywistego wpływu na dziury w warstwie lutowniczej, co nie jest czynnikiem wpływającym, jak pokazano na FIG. 6 Jak pokazano.
Porównanie otworów w proszku metalicznej cyny o różnych rozmiarach cząstek
3.2 Grubość gniazda spawalniczego i drukowanej siatki stalowej
Po rozpływie mierzono powierzchnię wnęki warstwy zgrzewanej zadrukowaną siatką stalową o grubościach 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 drukowanej siatki stalowej o grubości 75 µm. Wraz ze wzrostem grubości siatki stalowej powierzchnia wnęki stopniowo i powoli maleje. Po osiągnięciu określonej grubości (100 μm) powierzchnia wnęki odwróci się i zacznie zwiększać wraz ze wzrostem grubości stalowej siatki, jak pokazano na rysunku 7.
Wynika z tego, że wraz ze wzrostem ilości pasty lutowniczej cyna z refluksem zostaje przykryta chipem, a wylot powietrza resztkowego jest wąski tylko z czterech stron. Kiedy zmienia się ilość pasty lutowniczej, zwiększa się również wylot resztkowego powietrza, a natychmiastowy wybuch powietrza owiniętego w ciekłą cynę lub lotny gaz ulatniający się z płynnej cyny spowoduje rozpryskiwanie się płynnej cyny wokół QFN i chipa.
Badanie wykazało, że wraz ze wzrostem grubości stalowej siatki zwiększa się również pękanie pęcherzyków spowodowane ulatnianiem się powietrza lub lotnego gazu, a także odpowiednio wzrasta prawdopodobieństwo rozpryskiwania się cyny wokół QFN i wiórów.
Porównanie otworów w siatce stalowej o różnej grubości
3.3 Stosunek powierzchni wnęki spawalniczej do otworu siatki stalowej
Badano zadrukowaną siatkę stalową o współczynniku otwierania 100%, 90% i 80%, a pozostałe warunki pozostały niezmienione. Po rozpływie zmierzono powierzchnię wnęki warstwy zgrzewanej i porównano ją z zadrukowaną siatką stalową przy 100% otwarciu. Stwierdzono, że nie ma istotnej różnicy we wnęce warstwy zgrzewanej w warunkach szybkości otwierania 100% i 90% 80%, co pokazano na rysunku 8.
Porównanie wnęk o różnych powierzchniach otworów w różnych siatkach stalowych
3.4 Spawana wnęka i drukowany kształt siatki stalowej
Przy badaniu kształtu druku pasty lutowniczej taśmy b i nachylonej siatki c pozostałe warunki pozostają niezmienione. Po rozpływie mierzy się powierzchnię wnęki warstwy zgrzewanej i porównuje ją z drukowanym kształtem siatki a. Stwierdzono, że nie ma znaczącej różnicy we wnęce warstwy zgrzewanej w warunkach siatki, paska i siatki nachylonej, jak pokazano na rysunku 9.
Porównanie otworów w różnych trybach otwierania siatki stalowej
3.5 Jama spawalnicza i czas refluksu
Po badaniu wydłużonego czasu refluksu (70 s, 80 s, 90 s) pozostałe warunki nie uległy zmianie, zmierzono otwór w warstwie zgrzewanej po refluksie i w porównaniu z czasem refluksu wynoszącym 60 s stwierdzono, że wraz ze wzrostem czasu refluksu powierzchnia otworu spawalniczego zmniejszała się, natomiast amplituda redukcji stopniowo malała wraz ze wzrostem czasu, jak pokazano na rysunku 10. Pokazuje to, że w przypadku niewystarczającego czasu refluksu zwiększenie czasu refluksu sprzyja pełnemu przepełnieniu powietrza owinięte w roztopioną płynną cynę, ale po upływie czasu wrzenia do pewnego czasu powietrze owinięte w płynną cynę trudno jest ponownie przelać. Czas refluksu jest jednym z czynników wpływających na gniazdo spawalnicze.
Nieważne porównanie różnych długości czasu refluksu
3.6 Jama spawalnicza i szczytowa temperatura pieca
Przy badaniu szczytowej temperatury pieca 240 ℃ i 250 ℃ i innych niezmienionych warunkach, zmierzono obszar wnęki warstwy spawanej po rozpływie i porównano z szczytową temperaturą pieca 260 ℃ stwierdzono, że w różnych warunkach szczytowej temperatury pieca, wnęka zgrzewana warstwa QFN i wiór nie uległa znaczącym zmianom, jak pokazano na rysunku 11. Pokazuje to, że różna szczytowa temperatura pieca nie ma oczywistego wpływu na QFN i otwór w warstwie spawanej wióra, co nie jest czynnikiem wpływającym.
Unieważnione porównanie różnych temperatur szczytowych
Powyższe badania wskazują, że istotnymi czynnikami wpływającymi na wgłębienie warstwy spoiny QFN i wióra są czas wypływu i grubość siatki stalowej.
4 Ulepszenie wnęki do spawania rozpływowego metodą drukowania pasty lutowniczej
Test 4.1DOE w celu poprawy wnęki spawalniczej
Poprawiono otwór w warstwie spawu QFN i wióra poprzez znalezienie optymalnej wartości głównych czynników wpływających (czas wypływu i grubość siatki stalowej). Pasta lutownicza była typu SAC305 4, kształt siatki stalowej był typu siatkowego (stopień otwarcia 100%), szczytowa temperatura pieca wynosiła 260 ℃, a pozostałe warunki testowe były takie same jak w sprzęcie testowym. Test DOE i wyniki przedstawiono w Tabeli 3. Wpływ grubości siatki stalowej i czasu wypływu na otwory spawalnicze QFN i wióry przedstawiono na rysunku 12. Na podstawie analizy interakcji głównych czynników wpływających stwierdzono, że przy użyciu siatki stalowej o grubości 100 μm i czas refluksu wynoszący 80 s mogą znacznie zmniejszyć wnękę spawalniczą QFN i wióra. Stopień wnęki spawalniczej QFN został zmniejszony z maksymalnego 27,8% do 16,1%, a współczynnik wnęki spawalniczej wiórów zmniejszono z maksymalnego 20,5% do 14,5%.
W teście wytworzono 1000 wyrobów w optymalnych warunkach (grubość siatki stalowej 100 µm, czas refluksu 80 s), losowo mierzono prędkość szczeliny spawalniczej 100 QFN i wióry. Średni współczynnik wnęki spawalniczej QFN wyniósł 16,4%, a średni wskaźnik wnęki spawalniczej wyniósł 14,7%. Stopień wnęki spawalniczej i wiór są oczywiście zmniejszone.
4.2 Nowy proces poprawia gniazdo spawalnicze
Rzeczywista sytuacja produkcyjna i testy pokazują, że gdy powierzchnia wnęki spawalniczej na dnie wióra jest mniejsza niż 10%, problem pękania wnęki wiórowej nie wystąpi podczas łączenia i formowania ołowiu. Parametry procesu zoptymalizowane przez DOE nie mogą spełnić wymagań dotyczących analizy i rozwiązywania otworów w konwencjonalnym spawaniu rozpływowym pasty lutowniczej, a wielkość powierzchni wnęki spawalniczej chipa musi zostać jeszcze bardziej zmniejszona.
Ponieważ wiór pokryty lutem zapobiega ucieczce gazu z lutu, liczba otworów na dnie chipa jest dodatkowo zmniejszona poprzez wyeliminowanie lub zmniejszenie ilości gazu pokrytego lutem. Przyjęto nowy proces spawania rozpływowego z dwoma nadrukami pasty lutowniczej: jeden druk pasty lutowniczej, jeden rozpływ nie pokrywający QFN i goły wiór odprowadzający gaz w lutowiu; Specyficzny proces drukowania wtórnej pasty lutowniczej, łatki i wtórnego refluksu pokazano na rysunku 13.
Kiedy po raz pierwszy drukowana jest pasta lutownicza o grubości 75 μm, większość gazu zawartego w lutowiu bez osłony wiórów ulatnia się z powierzchni, a grubość po refluksie wynosi około 50 μm. Po zakończeniu refluksu pierwotnego na powierzchni wychłodzonego, zestalonego lutowia drukuje się małe kwadraty (w celu zmniejszenia ilości pasty lutowniczej, zmniejszenia ilości rozlewania się gazu, ograniczenia lub wyeliminowania odprysków lutowniczych), a pastę lutowniczą za pomocą grubość 50 µm (z powyższych wyników badań wynika, że najlepiej 100 µm, zatem grubość druku wtórnego wynosi 100 µm.50 µm=50 µm), następnie zamontować chip i wrócić przez 80 s. Po pierwszym nadruku i rozpływie prawie nie ma dziury w lutowaniu, a pasta lutownicza w drugim druku jest niewielka, a otwór spawalniczy jest mały, jak pokazano na rysunku 14.
Po dwóch nadrukach pasty lutowniczej, pusty rysunek
4.3 Weryfikacja efektu wnęki spawalniczej
Wyprodukowano 2000 produktów (grubość pierwszej stalowej siatki drukarskiej wynosi 75 μm, grubość drugiej stalowej siatki drukarskiej wynosi 50 μm), pozostałe warunki bez zmian, losowy pomiar 500 QFN i szybkość wnęki zgrzewającej wióry, stwierdzono, że nowy proces po pierwszym refluksie brak wnęki, po drugim refluksie QFN Maksymalna ilość wnęki spawalniczej wynosi 4,8%, a maksymalna ilość wgłębienia spawalniczego wióra wynosi 4,1%. W porównaniu z oryginalnym procesem zgrzewania jednopastowego i zoptymalizowanym procesem DOE, wnęka spawalnicza jest znacznie zmniejszona, jak pokazano na rysunku 15. Po testach funkcjonalnych wszystkich produktów nie stwierdzono żadnych pęknięć wiórów.
5 Podsumowanie
Optymalizacja ilości nadruku pasty lutowniczej i czasu refluksu może zmniejszyć powierzchnię wnęki spawalniczej, ale szybkość wnęki spawalniczej jest nadal duża. Zastosowanie dwóch technik zgrzewania rozpływowego z nadrukiem pasty lutowniczej może skutecznie i zmaksymalizować szybkość wnęki spawalniczej. Powierzchnia spawania gołego chipa obwodu QFN może wynosić odpowiednio 4,4 mm x 4,1 mm i 3,0 mm x 2,3 mm w produkcji masowej. Szybkość spawania wnęki jest kontrolowana poniżej 5%, co poprawia jakość i niezawodność spawania rozpływowego. Badania przeprowadzone w tym artykule stanowią ważny punkt odniesienia dla rozwiązania problemu wnęki spawalniczej na dużych powierzchniach spawania.
