SMT geleneksel lehim pastası hava akışlı kaynak boşluğu analizi ve çözümünü kullanır (2023 Essence Edition), bunu hak ediyorsunuz!
1 Giriş
Devre kartı montajında, lehim pastası önce devre kartı lehim pedine basılır ve ardından çeşitli elektronik bileşenler yapıştırılır. Son olarak, reflow fırınından sonra, lehim pastasındaki kalay boncukları eritilir ve her türlü elektronik bileşen ve devre kartının lehim pedi birbirine kaynaklanarak elektrik alt modüllerinin montajı gerçekleştirilir. Yüzey montaj teknolojisi (sMT), sistem seviyesi paket (siP), küresel ızgara (BGA) cihazları ve güç çıplak çip, kare düz pinsiz paket (dörtlü aatNo-lead, QFN olarak adlandırılır) cihazı gibi yüksek yoğunluklu paketleme ürünlerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Lehim pastası kaynak işleminin ve malzemelerin özellikleri nedeniyle, bu büyük lehim yüzey cihazlarının reflow kaynağından sonra, lehim kaynak alanında delikler olacak ve bu da ürünün elektriksel özelliklerini, termal özelliklerini ve mekanik özelliklerini etkileyecektir. Performans ve hatta ürün arızasına yol açar, bu nedenle lehim pastası reflow kaynak boşluğunu iyileştirmek, çözülmesi gereken bir işlem ve teknik sorun haline gelmiştir, bazı araştırmacılar BGA lehim bilyesi kaynak boşluğunun nedenlerini analiz etmiş ve incelemiş ve iyileştirme çözümleri sunmuştur, geleneksel lehim pastası reflow kaynak işlemi QFN'nin 10 mm2'den büyük kaynak alanı veya 6 mm2'den büyük kaynak alanı çıplak çip çözümü eksiktir.
Kaynak deliğini iyileştirmek için Preformsolder kaynak ve vakumlu reflü fırın kaynak yöntemlerini kullanın. Hazır lehim, akıyı yönlendirmek için özel ekipman gerektirir. Örneğin, talaş doğrudan hazır lehimin üzerine yerleştirildikten sonra ofsetlenir ve ciddi şekilde eğilir. Akı montaj talaşı önce yeniden akışla sonra da yeniden akışla yönlendirilirse, işlem iki kat artar ve hazır lehim ve akı malzemesinin maliyeti lehim pastasından çok daha yüksek olur.
Vakum reflü ekipmanı daha pahalıdır, bağımsız vakum odasının vakum kapasitesi çok düşüktür, maliyet performansı yüksek değildir ve yüksek yoğunluklu ve küçük aralıklı ürünlerin uygulanmasında önemli bir faktör olan kalay sıçraması sorunu ciddidir. Bu makalede, geleneksel lehim pastası reflow kaynak işlemine dayanarak, kaynak boşluğunu iyileştirmek ve kaynak boşluğundan kaynaklanan yapışma ve plastik conta çatlaması sorunlarını çözmek için yeni bir ikincil reflow kaynak işlemi geliştirilmiş ve tanıtılmıştır.
2 Lehim pastası baskı reflow kaynak boşluğu ve üretim mekanizması
2.1 Kaynak boşluğu
Reflow kaynak işleminden sonra ürün röntgen altında test edildi. Kaynak bölgesindeki daha açık renkli deliklerin, Şekil 1'de gösterildiği gibi kaynak katmanındaki yetersiz lehimden kaynaklandığı tespit edildi.
Kabarcık deliğinin X-ışınıyla tespiti
2.2 Kaynak boşluğunun oluşum mekanizması
Örnek olarak sAC305 lehim pastası ele alındığında, temel bileşim ve işlevi Tablo 1'de gösterilmiştir. Akı ve kalay boncukları macun şeklinde birbirine bağlanmıştır. Kalay lehiminin akıya ağırlık oranı yaklaşık 9:1, hacim oranı ise yaklaşık 1:1'dir.
Lehim pastası, çeşitli elektronik bileşenlerle basılıp monte edildikten sonra, geri akış fırınından geçerken ön ısıtma, aktivasyon, geri akış ve soğutma olmak üzere dört aşamadan geçer. Şekil 2'de gösterildiği gibi, lehim pastasının durumu da farklı aşamalarda farklı sıcaklıklara maruz kaldığında farklılık gösterir.
Reflow lehimlemenin her alanı için profil referansı
Ön ısıtma ve aktivasyon aşamasında, lehim pastasındaki akıdaki uçucu bileşenler ısıtıldığında gaza dönüşecektir. Aynı zamanda, kaynak tabakasının yüzeyindeki oksit giderildiğinde gazlar üretilecektir. Bu gazların bir kısmı buharlaşarak lehim pastasını terk edecek ve lehim boncukları akının buharlaşması nedeniyle sıkıca yoğunlaşacaktır. Geri akış aşamasında, lehim pastasında kalan akı hızla buharlaşacak, kalay boncukları eriyecek, az miktarda akı uçucu gazı ve kalay boncukları arasındaki havanın çoğu zamanla dağılmayacak ve erimiş kalaydaki kalıntılar ve erimiş kalayın gerilimi altında hamburger sandviç yapısı oluşturacak ve devre kartı lehim pedi ve elektronik bileşenler tarafından yakalanacaktır ve sıvı kalay içine sarılmış gazın yalnızca yukarı doğru kaldırma kuvveti ile kaçması zor olacaktır. Üst erime süresi çok kısadır. Erimiş kalay soğuduğunda ve katı kalay haline geldiğinde, Şekil 3'te görüldüğü gibi kaynak tabakasında gözenekler oluşur ve lehim delikleri oluşur.
Lehim pastası geri akış kaynağı ile oluşan boşluğun şematik diyagramı
Kaynak boşluğunun temel nedeni, lehim pastasının eritilmesinden sonra içine dolanan hava veya uçucu gazın tamamen boşaltılmamasıdır. Etki eden faktörler arasında lehim pastası malzemesi, lehim pastası baskı şekli, lehim pastası baskı miktarı, geri akış sıcaklığı, geri akış süresi, kaynak boyutu, yapı vb. bulunur.
3. Lehim pastası baskı reflow kaynak deliklerini etkileyen faktörlerin doğrulanması
QFN ve çıplak talaş testleri, reflow kaynak boşluklarının temel nedenlerini doğrulamak ve lehim pastası tarafından oluşturulan reflow kaynak boşluklarını iyileştirmenin yollarını bulmak için kullanılmıştır. QFN ve çıplak talaş lehim pastası reflow kaynak ürün profili Şekil 4'te gösterilmiştir. QFN kaynak yüzey boyutu 4,4 mm x 4,1 mm olup, kaynak yüzeyi kalaylı tabakadır (%100 saf kalay); çıplak talaşın kaynak boyutu 3,0 mm x 2,3 mm olup, kaynak tabakası püskürtülmüş nikel-vanadyum bimetalik tabaka ve yüzey tabakası vanadyumdur. Alt tabakanın kaynak tabanı, elektrolitik nikel-paladyum altın daldırma yöntemiyle üretilmiş ve kalınlığı 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm'dir. Lehim pastası olarak SAC305 kullanılmış olup, lehim pastası baskı ekipmanı olarak DEK Horizon APix, reflü fırın ekipmanı olarak BTUPyramax150N, x-ray ekipmanı olarak ise DAGExD7500VR kullanılmıştır.
QFN ve çıplak talaş kaynak çizimleri
Test sonuçlarının karşılaştırılmasını kolaylaştırmak için, reflow kaynağı Tablo 2'deki koşullar altında gerçekleştirildi.
Reflow kaynak koşul tablosu
Yüzey montajı ve reflow kaynağı tamamlandıktan sonra, kaynak tabakası X-ışını ile tespit edildi ve Şekil 5'te görüldüğü gibi QFN'nin alt kısmındaki kaynak tabakasında ve çıplak talaşta büyük delikler olduğu görüldü.
QFN ve Çip Hologramı (X-ışını)
Kalay boncuk boyutu, çelik gözenek kalınlığı, açıklık alanı oranı, çelik gözenek şekli, geri akış süresi ve fırın tepe sıcaklığı gibi faktörlerin tümü geri akış kaynak boşluklarını etkileyeceğinden, DOE testi ile doğrudan doğrulanacak birçok etki faktörü vardır ve deney grubu sayısı çok fazla olacaktır. Korelasyon karşılaştırma testi ile ana etki faktörlerini hızlıca tarayıp belirlemek ve ardından DOE ile ana etki faktörlerini daha da optimize etmek gerekir.
3.1 Lehim deliklerinin ve lehim pastası teneke boncuklarının boyutları
Tip 3 (boncuk boyutu 25-45 μm) SAC305 lehim pastası testinde, diğer koşullar değişmeden kalır. Reflow işleminden sonra, lehim katmanındaki delikler ölçülür ve tip 4 lehim pastasıyla karşılaştırılır. İki lehim pastası türü arasında lehim katmanındaki deliklerin önemli ölçüde farklı olmadığı, farklı boncuk boyutuna sahip lehim pastasının lehim katmanındaki delikler üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığı ve Şekil 6'da gösterildiği gibi, bu durumun bir etki faktörü olmadığı görülmektedir.
Farklı parçacık boyutlarına sahip metalik kalay tozu deliklerinin karşılaştırılması
3.2 Kaynak boşluğunun ve baskılı çelik hasırın kalınlığı
Yeniden akıtma işleminden sonra, kaynaklı tabakanın boşluk alanı 50 μm, 100 μm ve 125 μm kalınlığındaki baskılı çelik hasır ile ölçülmüş ve diğer koşullar değişmeden kalmıştır. Farklı çelik hasır (lehim pastası) kalınlıklarının QFN üzerindeki etkisinin, 75 μm kalınlığındaki baskılı çelik hasır ile karşılaştırıldığı görülmüştür. Çelik hasır kalınlığı arttıkça, boşluk alanı kademeli olarak azalır. Belirli bir kalınlığa (100 μm) ulaşıldıktan sonra, boşluk alanı tersine döner ve Şekil 7'de gösterildiği gibi çelik hasır kalınlığının artmasıyla birlikte artmaya başlar.
Bu, lehim pastası miktarı artırıldığında, geri akışlı sıvı kalay çip tarafından kaplandığını ve kalan hava çıkışının sadece dört tarafta dar olduğunu gösterir. Lehim pastası miktarı artırıldığında, kalan hava çıkışı da artar ve sıvı kalay ile sarılmış havanın veya sıvı kalaydan kaçan uçucu gazın ani patlaması, sıvı kalay'ın QFN ve çip etrafında sıçramasına neden olur.
Yapılan testte çelik hasır kalınlığının artmasıyla birlikte hava veya uçucu gaz kaçağı sonucu oluşan kabarcık patlamasının da artacağı, buna bağlı olarak QFN ve çip etrafına kalayın sıçrama ihtimalinin de artacağı tespit edildi.
Farklı kalınlıktaki çelik hasırdaki deliklerin karşılaştırılması
3.3 Kaynak boşluğu ve çelik hasır açıklığının alan oranı
%100, %90 ve %80 açılma oranına sahip baskılı çelik hasır test edildi ve diğer koşullar değişmeden kaldı. Yeniden akıştan sonra, kaynaklı tabakanın boşluk alanı ölçüldü ve %100 açılma oranına sahip baskılı çelik hasır ile karşılaştırıldı. Şekil 8'de gösterildiği gibi, %100 ve %90-%80 açılma oranı koşullarında kaynaklı tabakanın boşluğunda önemli bir fark olmadığı görüldü.
Farklı çelik hasırların farklı açıklık alanlarının boşluk karşılaştırması
3.4 Kaynaklı boşluk ve baskılı çelik ağ şekli
Şerit b ve eğimli ızgara c'nin lehim pastasının baskı şekli testinde, diğer koşullar değişmeden kalır. Yeniden akıtma işleminden sonra, kaynak katmanının boşluk alanı ölçülür ve ızgara a'nın baskı şekliyle karşılaştırılır. Şekil 9'da gösterildiği gibi, ızgara, şerit ve eğimli ızgara koşulları altında kaynak katmanının boşluğunda önemli bir fark olmadığı görülmüştür.
Çelik hasırın farklı açılma modlarındaki deliklerinin karşılaştırılması
3.5 Kaynak boşluğu ve geri akış süresi
Uzun süreli reflü süresi (70 sn, 80 sn, 90 sn) testinden sonra, diğer koşullar değişmeden kalır, reflüden sonra kaynak tabakasındaki delik ölçüldü ve 60 sn'lik reflü süresiyle karşılaştırıldığında, reflü süresinin artmasıyla kaynak deliği alanının azaldığı, ancak azalma genliğinin zamanın artmasıyla giderek azaldığı, Şekil 10'da görüldüğü gibi bulundu. Bu, yetersiz reflü süresi durumunda, reflü süresinin artırılmasının erimiş sıvı kalay içine sarılı havanın tamamen taşmasına elverişli olduğunu, ancak reflü süresi belirli bir süreye çıkarıldıktan sonra sıvı kalay içine sarılı havanın tekrar taşmasının zor olduğunu göstermektedir. Reflü süresi kaynak boşluğunu etkileyen faktörlerden biridir.
Farklı reflü süresi uzunluklarının boş karşılaştırması
3.6 Kaynak boşluğu ve fırın tepe sıcaklığı
240 ℃ ve 250 ℃ tepe fırın sıcaklığı testinde ve diğer koşullar değiştirilmeden, yeniden akıştan sonra kaynaklı tabakanın boşluk alanı ölçüldü ve 260 ℃ tepe fırın sıcaklığıyla karşılaştırıldığında, farklı tepe fırın sıcaklığı koşullarında, QFN kaynaklı tabakanın boşluğunun ve talaşın önemli ölçüde değişmediği bulundu, Şekil 11'de gösterilmiştir. Farklı tepe fırın sıcaklığının QFN ve talaşın kaynak tabakasındaki delik üzerinde belirgin bir etkisi olmadığını ve bunun bir etki faktörü olmadığını göstermektedir.
Farklı tepe sıcaklıklarının boş karşılaştırması
Yukarıdaki testler, QFN ve talaşın kaynak tabakası boşluğunu etkileyen önemli faktörlerin geri akış süresi ve çelik hasır kalınlığı olduğunu göstermektedir.
4 Lehim pastası baskı reflow kaynak boşluğu iyileştirmesi
4.1 Kaynak boşluğunu iyileştirmek için DOE testi
QFN ve talaşın kaynak katmanındaki delik, ana etki faktörlerinin (geri akış süresi ve çelik örgü kalınlığı) optimum değerini bularak iyileştirildi. Lehim macunu SAC305 tip 4'tü, çelik örgü şekli ızgara tipiydi (% 100 açılma derecesi), tepe fırın sıcaklığı 260 ℃'ydi ve diğer test koşulları test ekipmanınınkilerle aynıydı. DOE testi ve sonuçları Tablo 3'te gösterilmiştir. Çelik örgü kalınlığının ve geri akış süresinin QFN ve talaş kaynak delikleri üzerindeki etkileri Şekil 12'de gösterilmiştir. Ana etki faktörlerinin etkileşim analizi yoluyla, 100 μm çelik örgü kalınlığı ve 80 saniye geri akış süresi kullanılarak QFN ve talaşın kaynak boşluğunun önemli ölçüde azaltılabileceği bulunmuştur. QFN'nin kaynak boşluğu oranı maksimum % 27,8'den % 16,1'e düşürülür ve talaşın kaynak boşluğu oranı maksimum % 20,5'ten % 14,5'e düşürülür.
Testte, optimum koşullar altında (100 μm çelik gözenek kalınlığı, 80 sn geri akış süresi) 1000 adet ürün üretildi ve 100 QFN ve talaşın kaynak boşluk oranı rastgele ölçüldü. QFN'nin ortalama kaynak boşluk oranı %16,4, talaşın ortalama kaynak boşluk oranı ise %14,7 olarak bulundu. Talaşın kaynak boşluk oranı ve talaş miktarı belirgin şekilde azaldı.
4.2 Yeni işlem kaynak boşluğunu iyileştiriyor
Gerçek üretim durumu ve testler, talaşın altındaki kaynak boşluğu alanı %10'dan az olduğunda, kurşun bağlama ve kalıplama sırasında talaş boşluğu konum çatlağı sorununun oluşmayacağını göstermektedir. DOE tarafından optimize edilen işlem parametreleri, geleneksel lehim pastası geri akış kaynağındaki delikleri analiz etme ve çözme gereksinimlerini karşılayamamaktadır ve talaşın kaynak boşluğu alan oranının daha da azaltılması gerekmektedir.
Lehim üzerindeki çip, lehimdeki gazın kaçmasını engellediğinden, lehim kaplı gazın ortadan kaldırılması veya azaltılmasıyla çipin altındaki delik oranı daha da azaltılır. İki lehim pastası baskı yöntemiyle yeni bir reflow kaynak yöntemi benimsenmiştir: biri lehim pastası baskısı, diğeri QFN'yi kaplamayan ve çıplak çipten lehimdeki gazı boşaltan reflow. İkincil lehim pastası baskısı, yama ve ikincil reflü işleminin özel süreci Şekil 13'te gösterilmiştir.
75 μm kalınlığındaki lehim pastası ilk kez basıldığında, çip örtüsü olmayan lehimdeki gazın çoğu yüzeyden kaçar ve geri akıştan sonraki kalınlık yaklaşık 50 μm olur. Birincil geri akışın tamamlanmasından sonra, soğutulmuş katılaşmış lehimin yüzeyine küçük kareler basılır (lehim pastası miktarını azaltmak, gaz taşmasını azaltmak, lehim sıçramasını azaltmak veya ortadan kaldırmak için) ve 50 μm kalınlığında lehim pastası basılır (yukarıdaki test sonuçları 100 μm'nin en iyisi olduğunu göstermektedir, bu nedenle ikincil baskının kalınlığı 100 μm'dir. 50 μm = 50 μm), ardından çip takılır ve 80 saniye sonra geri dönülür. İlk baskı ve geri akıştan sonra lehimde neredeyse hiç delik kalmaz ve ikinci baskıdaki lehim pastası küçük, kaynak deliği ise Şekil 14'te gösterildiği gibi küçüktür.
Lehim pastasının iki baskısından sonra içi boş çizim
4.3 Kaynak boşluğu etkisinin doğrulanması
2000 adet ürün üretimi (ilk baskı çelik örgüsünün kalınlığı 75 μm, ikinci baskı çelik örgüsünün kalınlığı 50 μm), diğer koşullar değişmeden, 500 QFN ve talaş kaynak boşluk oranının rastgele ölçümü, yeni işlemde ilk geri akıştan sonra boşluk olmadığını, ikinci geri akıştan sonra QFN'nin maksimum kaynak boşluk oranının %4,8 olduğunu ve talaşın maksimum kaynak boşluk oranının %4,1 olduğunu buldu. Orijinal tek macun baskı kaynak işlemi ve DOE optimize edilmiş işlemle karşılaştırıldığında, kaynak boşluğu Şekil 15'te gösterildiği gibi önemli ölçüde azalır. Tüm ürünlerin fonksiyonel testlerinden sonra hiçbir talaş çatlağı bulunmadı.
5 Özet
Lehim pastası baskı miktarı ve geri akış süresinin optimizasyonu, kaynak boşluğu alanını azaltabilir, ancak kaynak boşluğu oranı hala yüksektir. İki lehim pastası baskı geri akış kaynak tekniği, kaynak boşluğu oranını etkili bir şekilde en üst düzeye çıkarabilir. QFN devre çıplak çipinin kaynak alanı, seri üretimde sırasıyla 4,4 mm x 4,1 mm ve 3,0 mm x 2,3 mm olabilir. Geri akış kaynağının boşluk oranı %5'in altında tutularak geri akış kaynağının kalitesi ve güvenilirliği artırılır. Bu makaledeki araştırma, geniş alanlı kaynak yüzeylerindeki kaynak boşluğu sorununu iyileştirmek için önemli bir referans sunmaktadır.
