SMT geleneksel lehim pastası hava yeniden akışlı kaynak boşluğu analizini ve çözümünü (2023 Essence Edition) kullanır, bunu hak ettiniz!
1. Giriş
Devre kartı düzeneğinde, önce devre kartı lehim pedi üzerine lehim pastası basılır ve ardından çeşitli elektronik bileşenler yapıştırılır.Son olarak reflow fırınından sonra lehim pastasındaki kalay boncukları eritilir ve her türlü elektronik bileşen ile devre kartının lehim pedi birbirine kaynaklanarak elektrik alt modüllerinin montajı gerçekleştirilir.yüzeye montaj teknolojisi (sMT), sistem düzeyinde paket (siP), ballgridarray (BGA) cihazları ve güç çıplak Çip, kare düz pinsiz paket (dörtlü aatNo-kurşun, QFN olarak anılır) gibi yüksek yoğunluklu paketleme ürünlerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. ) cihaz.
Lehim pastası kaynak işleminin ve malzemelerinin özellikleri nedeniyle, bu büyük lehim yüzey cihazlarının yeniden akış kaynağından sonra, lehim kaynak alanında ürünün elektriksel özelliklerini, termal özelliklerini ve mekanik özelliklerini etkileyecek delikler oluşacaktır. ürün arızasına bile yol açabilir, bu nedenle lehim pastası yeniden akışlı kaynak boşluğunun iyileştirilmesi, çözülmesi gereken bir süreç ve teknik sorun haline geldi; bazı araştırmacılar, BGA lehim topu kaynak boşluğunun nedenlerini analiz etti ve inceledi ve geleneksel lehim ile iyileştirme çözümleri sağladı. macun reflow kaynak işlemi 10 mm2'den büyük QFN kaynak alanı veya 6 mm2'den büyük kaynak alanı çıplak talaş çözümü eksik.
Kaynak deliğini iyileştirmek için Preformsolder kaynağını ve vakumlu geri akış fırını kaynağını kullanın.Prefabrik lehim, akıyı işaretlemek için özel ekipman gerektirir.Örneğin, çip doğrudan prefabrik lehim üzerine yerleştirildikten sonra çip ofsetlenir ve ciddi şekilde eğilir.Akı montaj çipi yeniden akıtılır ve sonra noktalanırsa, işlem iki yeniden akıtma ile artar ve prefabrik lehim ve akı malzemesinin maliyeti lehim pastasından çok daha yüksektir.
Vakum geri akış ekipmanı daha pahalıdır, bağımsız vakum odasının vakum kapasitesi çok düşüktür, maliyet performansı yüksek değildir ve kalay sıçraması sorunu ciddidir, bu da yüksek yoğunluklu ve küçük adımlı uygulamalarda önemli bir faktördür. ürünler.Bu yazıda, geleneksel lehim pastası yeniden akışlı kaynak işlemine dayanarak, kaynak boşluğunu iyileştirmek ve kaynak boşluğunun neden olduğu yapışma ve plastik conta çatlaması sorunlarını çözmek için yeni bir ikincil yeniden akışlı kaynak işlemi geliştirilmiş ve tanıtılmıştır.
2 Lehim pastası baskı reflow kaynak boşluğu ve üretim mekanizması
2.1 Kaynak boşluğu
Yeniden akış kaynağının ardından ürün x-ışını altında test edildi.Kaynak bölgesindeki daha açık renkli deliklerin Şekil 1'de görüldüğü gibi kaynak tabakasındaki lehimin yetersiz olmasından kaynaklandığı tespit edilmiştir.
Kabarcık deliğinin X-ışını tespiti
2.2 Kaynak boşluğunun oluşum mekanizması
Örnek olarak sAC305 lehim pastası alınırsa ana bileşim ve fonksiyon Tablo 1'de gösterilmektedir. Akı ve kalay boncuklar macun şeklinde birbirine bağlanır.Kalay lehimin akıya ağırlık oranı yaklaşık 9:1'dir ve hacim oranı yaklaşık 1:1'dir.
Lehim pastası basıldıktan ve çeşitli elektronik bileşenlerle monte edildikten sonra, lehim pastası geri akış fırınından geçtiğinde ön ısıtma, aktivasyon, geri akış ve soğutma olmak üzere dört aşamadan geçecektir.Lehim pastasının durumu da Şekil 2'de gösterildiği gibi farklı aşamalardaki farklı sıcaklıklarda farklıdır.
Yeniden akışlı lehimlemenin her alanı için profil referansı
Ön ısıtma ve aktivasyon aşamasında lehim pastasındaki flukstaki uçucu bileşenler ısıtıldığında buharlaşarak gaza dönüşecektir.Aynı zamanda kaynak tabakasının yüzeyindeki oksit kaldırıldığında gazlar oluşacaktır.Bu gazların bir kısmı buharlaşarak lehim pastasını terk edecek ve lehim boncukları, akının buharlaşması nedeniyle sıkı bir şekilde yoğunlaşacaktır.Geri akış aşamasında lehim pastasında kalan flux hızlı bir şekilde buharlaşacak, kalay boncuklar eriyecek, az miktarda flux uçucu gaz ve kalay boncuklar arasındaki havanın büyük bir kısmı zamanla dağılmayacak ve kalay boncuklarda kalanlar eriyecektir. erimiş kalay ve erimiş kalayın gerilimi altında hamburger sandviç yapısı vardır ve devre kartı lehim pedi ve elektronik bileşenler tarafından yakalanır ve sıvı kalay içine sarılmış gazın yalnızca yukarı doğru kaldırma kuvveti ile kaçması zordur. Üst erime süresi çoktur kısa.Erimiş kalay soğuyup katı kalay haline geldiğinde, Şekil 3'te gösterildiği gibi kaynak tabakasında gözenekler oluşur ve lehim delikleri oluşur.
Lehim pastası yeniden akış kaynağının oluşturduğu boşluğun şematik diyagramı
Kaynak boşluğunun temel nedeni, lehim pastasının eritilmesinden sonra sarılan havanın veya uçucu gazın tam olarak dışarı atılmamasıdır.Etkileyen faktörler arasında lehim pastası malzemesi, lehim pastası baskı şekli, lehim pastası baskı miktarı, geri akış sıcaklığı, geri akış süresi, kaynak boyutu, yapı vb. yer alır.
3. Lehim pastası baskı yeniden akış kaynak deliklerine etki eden faktörlerin doğrulanması
Yeniden akışlı kaynak boşluklarının ana nedenlerini doğrulamak ve lehim pastası tarafından basılan yeniden akışlı kaynak boşluklarını iyileştirmenin yollarını bulmak için QFN ve çıplak talaş testleri kullanıldı.QFN ve çıplak talaş lehim pastası yeniden akış kaynak ürünü profili Şekil 4'te gösterilmektedir, QFN kaynak yüzey boyutu 4,4 mm x 4,1 mm'dir, kaynak yüzeyi kalaylı katmandır (%100 saf kalay);Çıplak çipin kaynak boyutu 3,0 mm x 2,3 mm'dir, kaynak katmanı püskürtmeli nikel-vanadyum bimetalik katmandır ve yüzey katmanı vanadyumdur.Substratın kaynak pedi akımsız nikel-paladyum altına batırılmıştı ve kalınlığı 0,4μm/0,06μm/0,04μm idi.SAC305 lehim pastası kullanılmakta olup, lehim pastası baskı ekipmanı DEK Horizon APix, reflü fırın ekipmanı BTUPyramax150N, x-ray ekipmanı ise DAGExD7500VR'dir.
QFN ve çıplak talaşlı kaynak çizimleri
Test sonuçlarının karşılaştırılmasını kolaylaştırmak için Tablo 2'deki koşullar altında yeniden akış kaynağı yapıldı.
Yeniden akış kaynak koşulu tablosu
Yüzey montajı ve yeniden akış kaynağı tamamlandıktan sonra X-ışını ile kaynak katmanı tespit edildi ve Şekil 5'te gösterildiği gibi QFN'nin alt kısmındaki kaynak katmanında büyük delikler ve çıplak talaş olduğu tespit edildi.
QFN ve Çip Hologramı (X-ışını)
Kalay boncuk boyutu, çelik ağ kalınlığı, açılma alanı oranı, çelik ağ şekli, geri akış süresi ve tepe fırın sıcaklığının tümü yeniden akışlı kaynak boşluklarını etkileyeceğinden, DOE testi ile doğrudan doğrulanacak birçok etkileyici faktör vardır ve deney sayısı gruplar çok büyük olacak.Korelasyon karşılaştırma testi yoluyla ana etkileyici faktörleri hızlı bir şekilde taramak ve belirlemek ve ardından ana etkileyici faktörleri DOE aracılığıyla daha da optimize etmek gerekir.
3.1 Lehim deliklerinin ve lehim pastası teneke boncuklarının boyutları
Tip3 (boncuk boyutu 25-45 μm)SAC305 lehim pastası testinde diğer koşullar değişmeden kalır.Yeniden akıtıldıktan sonra lehim katmanındaki delikler ölçülür ve tip4 lehim pastasıyla karşılaştırılır.Lehim tabakasındaki deliklerin, iki tür lehim pastası arasında önemli ölçüde farklı olmadığı bulunmuştur; bu, farklı boncuk boyutuna sahip lehim pastasının, etkileyici bir faktör olmayan, lehim tabakasındaki delikler üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığını gösterir. Şekil 2'de gösterildiği gibi.6 Gösterildiği gibi.
Farklı parçacık boyutlarına sahip metalik kalay tozu deliklerinin karşılaştırılması
3.2 Kaynak boşluğunun ve baskılı çelik ağın kalınlığı
Yeniden akıştan sonra, kaynaklı katmanın boşluk alanı, 50 μm, 100 μm ve 125 μm kalınlığında baskılı çelik ağ ile ölçüldü ve diğer koşullar değişmeden kaldı.Farklı kalınlıktaki çelik ağın (lehim pastası) QFN üzerindeki etkisinin, 75 μm kalınlığındaki baskılı çelik ağın etkisi ile karşılaştırıldığında, çelik ağın kalınlığı arttıkça boşluk alanı yavaş yavaş yavaş yavaş azalmaktadır.Belirli bir kalınlığa (100μm) ulaştıktan sonra, Şekil 7'de gösterildiği gibi çelik hasırın kalınlığının artmasıyla boşluk alanı tersine dönecek ve artmaya başlayacaktır.
Bu durum lehim pastası miktarı arttırıldığında geri akışlı sıvı kalayın çip tarafından kaplandığını ve kalan hava kaçış çıkışının sadece dört taraftan dar olduğunu göstermektedir.Lehim pastası miktarı değiştirildiğinde, artık hava kaçışının çıkışı da artar ve sıvı kalayla sarılmış havanın veya sıvı kalaydan kaçan uçucu gazın anlık patlaması, sıvı kalayın QFN ve çip etrafına sıçramasına neden olur.
Test, çelik ağın kalınlığının artmasıyla birlikte hava veya uçucu gaz kaçışının neden olduğu kabarcık patlamasının da artacağını ve QFN ve talaş etrafına kalay sıçraması olasılığının da buna bağlı olarak artacağını buldu.
Farklı kalınlıktaki çelik ağdaki deliklerin karşılaştırılması
3.3 Kaynak boşluğu ve çelik hasır açıklığının alan oranı
Açılma oranı %100, %90 ve %80 olan baskılı çelik ağ test edildi ve diğer koşullar değişmedi.Yeniden akıştan sonra, kaynaklı katmanın boşluk alanı ölçüldü ve %100 açılma oranına sahip baskılı çelik ağ ile karşılaştırıldı.Şekil 8'de gösterildiği gibi %100 ve %90-%80 açılma oranları koşullarında kaynaklı tabakanın boşluğunda önemli bir fark olmadığı tespit edilmiştir.
Farklı çelik ağın farklı açılma alanlarının boşluk karşılaştırması
3.4 Kaynaklı boşluk ve baskılı çelik ağ şekli
Şerit b ve eğimli ızgara c'nin lehim pastasının baskı şekli testi ile diğer koşullar değişmeden kalır.Yeniden akıştan 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 tabakasının boşluğunda önemli bir fark olmadığı bulunmuştur.
Çelik hasırın farklı açılma modlarındaki deliklerin karşılaştırılması
3.5 Kaynak boşluğu ve geri akış süresi
Uzatılmış geri akış süresi (70 s, 80 s, 90 s) testinden sonra diğer koşullar değişmeden kalır, geri akıştan sonra kaynak tabakasındaki delik ölçüldü ve 60 s geri akış süresiyle karşılaştırıldığında, artan geri akış süresiyle birlikte geri akış süresi, kaynak deliği alanı azaldı, ancak Şekil 10'da gösterildiği gibi, zamanın artmasıyla birlikte azalma genliği kademeli olarak azaldı. Bu, yetersiz geri akış süresi durumunda, geri akış süresinin arttırılmasının havanın tam taşmasına olanak sağladığını göstermektedir. erimiş sıvı tenekeye sarılır, ancak geri akış süresi belirli bir süreye çıktıktan sonra sıvı tenekeye sarılı havanın tekrar taşması zordur.Geri akış süresi kaynak boşluğunu etkileyen faktörlerden biridir.
Farklı geri akış süresi uzunluklarının geçersiz karşılaştırması
3.6 Kaynak boşluğu ve fırının tepe sıcaklığı
240°C ve 250°C tepe fırın sıcaklığı testi ve diğer koşullar değişmeden, kaynaklı tabakanın boşluk alanı yeniden akıştan sonra ölçüldü ve 260°C tepe fırın sıcaklığı ile karşılaştırıldığında, farklı tepe fırın sıcaklığı koşulları altında, boşluğun Şekil 11'de gösterildiği gibi, kaynaklı QFN ve talaş katmanı önemli ölçüde değişmedi. Bu, farklı tepe fırın sıcaklığının, QFN ve çipin kaynak tabakasındaki delik üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığını gösterir; bu, etkileyici bir faktör değildir.
Farklı tepe sıcaklıklarının geçersiz karşılaştırması
Yukarıdaki testler, QFN'nin kaynak tabakası boşluğunu ve talaşı etkileyen önemli faktörlerin geri akış süresi ve çelik ağ kalınlığı olduğunu göstermektedir.
4 Lehim pastası baskısı yeniden akışlı kaynak boşluğunun iyileştirilmesi
4.1 Kaynak boşluğunu iyileştirmek için DOE testi
QFN ve talaşın kaynak katmanındaki delik, ana etkileyen faktörlerin (geri akış süresi ve çelik ağ kalınlığı) optimum değeri bulunarak iyileştirildi.Lehim pastası SAC305 tip4'tü, çelik ağ şekli ızgara tipiydi (%100 açılma derecesi), tepe fırın sıcaklığı 260 °C idi ve diğer test koşulları test ekipmanınınkilerle aynıydı.DOE testi ve sonuçları Tablo 3'te gösterilmiştir. Çelik hasır kalınlığı ve geri akış süresinin QFN ve talaş kaynak delikleri üzerindeki etkileri Şekil 12'de gösterilmektedir. Ana etkileyen faktörlerin etkileşim analizi sayesinde, 100 μm çelik hasır kalınlığının kullanıldığı bulunmuştur. ve 80 saniyelik geri akış süresi, QFN ve talaşın kaynak boşluğunu önemli ölçüde azaltabilir.QFN'nin kaynak boşluğu oranı maksimum %27,8'den %16,1'e, talaşın kaynak boşluğu oranı ise maksimum %20,5'ten %14,5'e düşürülmüştür.
Testte, optimum koşullar altında (100 μm çelik hasır kalınlığı, 80 s geri akış süresi) 1000 ürün üretilmiş ve 100 QFN kaynak boşluğu oranı ve talaş rastgele ölçülmüştür.QFN'nin ortalama kaynak boşluğu oranı %16,4 ve talaşın ortalama kaynak boşluğu oranı %14,7 idi. Çipin ve talaşın kaynak boşluğu oranı açıkça azalmıştır.
4.2 Yeni süreç kaynak boşluğunu iyileştiriyor
Gerçek üretim durumu ve testler, talaşın altındaki kaynak boşluğu alanı %10'dan az olduğunda, kurşun bağlama ve kalıplama sırasında talaş boşluğu pozisyonunda çatlama sorununun meydana gelmeyeceğini göstermektedir.DOE tarafından optimize edilen işlem parametreleri, geleneksel lehim pastası yeniden akış kaynağındaki deliklerin analiz edilmesi ve çözülmesi gereksinimlerini karşılayamaz ve çipin kaynak boşluğu alan oranının daha da azaltılması gerekir.
Lehimin üzerine kaplanan çip lehimin içindeki gazın kaçmasını engellediğinden lehim kaplı gazın ortadan kaldırılması veya azaltılmasıyla çipin alt kısmındaki delik oranı daha da azaltılır.İki lehim pastası baskısı ile yeni bir yeniden akışlı kaynak işlemi benimsenmiştir: bir lehim pastası baskısı, bir QFN'yi kapsamayan bir yeniden akış ve lehimdeki gazı boşaltan çıplak talaş;İkincil lehim pastası baskısı, yama ve ikincil geri akışın spesifik süreci Şekil 13'te gösterilmektedir.
75μm kalınlığındaki lehim pastası ilk kez basıldığında, talaş kapağı olmayan lehimdeki gazın çoğu yüzeyden kaçar ve geri akış sonrası kalınlık yaklaşık 50μm olur.Birincil geri akış tamamlandıktan sonra, soğutulmuş katılaşmış lehimin yüzeyine küçük kareler basılır (lehim pastası miktarını azaltmak, gaz yayılma miktarını azaltmak, lehim sıçramasını azaltmak veya ortadan kaldırmak için) ve lehim pastası ile lehim pastası 50 μm kalınlık (yukarıdaki test sonuçları 100 μm'nin en iyi olduğunu gösterir, dolayısıyla ikincil baskının kalınlığı 100 μm'dir. 50 μm=50 μm), ardından çipi takın ve 80 saniye içinde geri dönün.İlk baskı ve yeniden akıtma sonrasında lehimde neredeyse hiç delik kalmaz ve ikinci baskıdaki lehim pastası küçük, kaynak deliği Şekil 14'te gösterildiği gibi küçüktür.
İki lehim pastası baskısından sonra içi boş çizim
4.3 Kaynak boşluğu etkisinin doğrulanması
2000 ürünün üretimi (ilk baskı çelik ağın kalınlığı 75 μm, ikinci baskı çelik ağın kalınlığı 50 μm), diğer koşullar değişmedi, 500 QFN'nin rastgele ölçümü ve talaş kaynak boşluğu oranı, yeni prosesi buldu ilk geri akıştan sonra boşluk yok, ikinci geri akıştan sonra QFN Maksimum kaynak boşluğu oranı %4,8'dir ve çipin maksimum kaynak boşluğu oranı %4,1'dir.Orijinal tek pasta baskı kaynak işlemi ve DOE optimize edilmiş işlemle karşılaştırıldığında kaynak boşluğu, Şekil 15'te gösterildiği gibi önemli ölçüde azaltılmıştır. Tüm ürünlerin fonksiyonel testlerinden sonra hiçbir talaş çatlağı bulunmamıştır.
5 Özet
Lehim pastası baskı miktarının ve geri akış süresinin optimizasyonu kaynak boşluğu alanını azaltabilir, ancak kaynak boşluğu oranı hala yüksektir.İki lehim pastası baskı yeniden akışlı kaynak tekniğinin kullanılması, kaynak boşluğu oranını etkili bir şekilde ve maksimuma çıkarabilir.QFN devresi çıplak çipinin kaynak alanı seri üretimde sırasıyla 4,4 mm x 4,1 mm ve 3,0 mm x 2,3 mm olabilir. Yeniden akış kaynağının boşluk oranı %5'in altında kontrol edilir, bu da yeniden akış kaynağının kalitesini ve güvenilirliğini artırır.Bu makaledeki araştırma, geniş alan kaynak yüzeyindeki kaynak boşluğu probleminin iyileştirilmesi için önemli bir referans sağlamaktadır.