SMT používá konvenční pájecí pastu, analýzu a řešení svařovacích dutin s přetavením vzduchu (2023 Essence Edition), zasloužíte si to!
1. Úvod
V sestavě desky s obvody se nejprve na pájecí podložku desky s obvody natiskne pájecí pasta a poté se připevní různé elektronické součástky.Nakonec, po přetavovací peci, jsou cínové kuličky v pájecí pastě roztaveny a všechny druhy elektronických součástek a pájecí podložka obvodové desky jsou svařeny dohromady, aby se realizovala montáž elektrických submodulů.Technologie povrchové montáže (sMT) se stále více používá v balicích produktech s vysokou hustotou, jako jsou balíčky na systémové úrovni (siP), zařízení ballgridarray (BGA) a napájený holý čip, čtvercový plochý balíček bez kolíků (quad aatNo-lead, označovaný jako QFN ) přístroj.
Vzhledem k vlastnostem procesu svařování pájecí pastou a materiálům se po přetavení těchto zařízení s velkým pájecím povrchem vyskytnou v oblasti svařování pájením otvory, které ovlivní elektrické vlastnosti, tepelné vlastnosti a mechanické vlastnosti produktu. dokonce vést k selhání produktu, proto se zlepšení svařovací dutiny pro přetavení pájecí pasty stalo procesem a technickým problémem, který je třeba vyřešit, někteří výzkumníci analyzovali a studovali příčiny dutin pro svařování pájecími kuličkami BGA a poskytli řešení pro zlepšení konvenční pájky Svařovací proces s přetavením pasty svařovací plocha QFN větší než 10 mm2 nebo svařovací plocha větší než 6 mm2 řešení s holou třískou chybí.
Ke zlepšení svarového otvoru použijte svařování s předformovací pájkou a svařování vakuovou refluxní pecí.Prefabrikovaná pájka vyžaduje speciální vybavení pro bodování tavidla.Čip je například odsazen a vážně nakloněn poté, co je čip umístěn přímo na prefabrikovanou pájku.Pokud je čip upevnění tavidla přetavením a poté bodem, proces se zvýší o dvě přetavení a cena prefabrikované pájky a tavidla je mnohem vyšší než u pájecí pasty.
Vakuové refluxní zařízení je dražší, vakuová kapacita nezávislé vakuové komory je velmi nízká, nákladová výkonnost není vysoká a problém s stříkáním cínu je vážný, což je důležitý faktor při použití vysoké hustoty a malého stoupání. produkty.V tomto článku, založeném na konvenčním procesu svařování přetavením pájecí pasty, je vyvinut a zaveden nový proces sekundárního svařování přetavením, který zlepšuje svařovací dutinu a řeší problémy spojování a praskání plastového těsnění způsobeného svařovací dutinou.
2 Přetavovací svařovací dutina a výrobní mechanismus pro tisk pájecí pasty
2.1 Svařovací dutina
Po svařování přetavením byl produkt testován pod rentgenem.Bylo zjištěno, že otvory ve svařovací zóně se světlejší barvou byly způsobeny nedostatečnou pájkou ve svařovací vrstvě, jak je znázorněno na obrázku 1
Rentgenová detekce bublinkového otvoru
2.2 Mechanismus formování svařovací dutiny
Vezmeme-li jako příklad pájecí pastu sAC305, hlavní složení a funkce jsou uvedeny v tabulce 1. Tavidlo a kuličky cínu jsou spojeny dohromady ve tvaru pasty.Hmotnostní poměr cínové pájky k tavidlu je asi 9:1 a objemový poměr je asi 1:1.
Poté, co je pájecí pasta vytištěna a namontována pomocí různých elektronických součástek, podstoupí pájecí pasta čtyři fáze předehřívání, aktivace, refluxu a chlazení, když prochází refluxní pecí.Stav pájecí pasty se také liší s různými teplotami v různých fázích, jak je znázorněno na obrázku 2.
Referenční profil pro každou oblast pájení přetavením
Ve fázi předehřívání a aktivace se těkavé složky v tavidle v pájecí pastě při zahřátí vypařují na plyn.Současně se při odstraňování oxidu na povrchu svařovací vrstvy budou produkovat plyny.Některé z těchto plynů se vypařují a opouštějí pájecí pastu a pájecí kuličky budou těsně kondenzovat v důsledku těkání tavidla.Ve fázi refluxu se zbývající tavidlo v pájecí pastě rychle odpaří, kuličky cínu se roztaví, malé množství těkavého plynu z tavidla a většina vzduchu mezi kuličkami cínu se včas nerozptýlí a zbytek v roztavený cín a pod napětím roztaveného cínu jsou hamburgerové sendvičové struktury a jsou zachyceny pájecí podložkou na desce plošných spojů a elektronickými součástkami a plyn zabalený v tekutém cínu je obtížné uniknout pouze vztlakem směrem nahoru Horní doba tavení je velmi krátký.Když roztavený cín vychladne a stane se pevným cínem, objeví se ve svařovací vrstvě póry a vytvoří se otvory pro pájku, jak je znázorněno na obrázku 3.
Schematický diagram dutiny generované přetavením pájecí pasty
Základní příčinou svařovací dutiny je to, že vzduch nebo těkavý plyn obalený pájecí pastou po roztavení není zcela vypuštěn.Ovlivňující faktory zahrnují materiál pájecí pasty, tvar tisku pájecí pasty, množství tisku pájecí pasty, teplotu zpětného toku, dobu refluxu, velikost svařování, strukturu a tak dále.
3. Ověření ovlivňujících faktorů přetavovacích svařovacích otvorů tisku pájecích past
Testy QFN a holých čipů byly použity k potvrzení hlavních příčin dutin po svařování po přetavení a k nalezení způsobů, jak zlepšit mezery po svařování po přetavení vytištěné pájecí pastou.Profil produktu QFN a holé třísky pájecí pasty přetavením je znázorněn na obrázku 4, velikost svařovací plochy QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, svařovací plocha je pocínovaná vrstva (100% čistý cín);Velikost svaru holé třísky je 3,0 mm x 2,3 mm, svařovací vrstva je naprašovaná nikl-vanadová bimetalová vrstva a povrchová vrstva je vanad.Svařovací polštářek substrátu byl bezproudově namáčený nikl-palladiovým zlatem a tloušťka byla 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm.Používá se pájecí pasta SAC305, zařízení pro tisk pájecí pasty je DEK Horizon APix, zařízení zpětné pece je BTUPyramax150N a rentgenové zařízení je DAGExD7500VR.
QFN a výkresy svařování holou třískou
Aby se usnadnilo srovnání výsledků zkoušek, bylo provedeno svařování přetavením za podmínek v tabulce 2.
Tabulka podmínek svařování přetavením
Po dokončení povrchové montáže a svařování přetavením byla svařovací vrstva detekována rentgenem a bylo zjištěno, že ve svařovací vrstvě na spodní straně QFN a holém čipu byly velké otvory, jak je znázorněno na obrázku 5.
QFN a Chip Hologram (rentgen)
Vzhledem k tomu, že velikost cínových kuliček, tloušťka ocelové sítě, rychlost otevření, tvar ocelové sítě, doba zpětného toku a špičková teplota pece ovlivní mezery po svařování přetavením, existuje mnoho ovlivňujících faktorů, které budou přímo ověřeny testem DOE, a počet experimentálních skupiny budou příliš velké.Je nutné rychle prověřit a určit hlavní ovlivňující faktory pomocí korelačního srovnávacího testu a poté hlavní ovlivňující faktory dále optimalizovat pomocí DOE.
3.1 Rozměry pájecích otvorů a cínových kuliček pájecí pasty
U testu pájecí pasty typu 3 (velikost perliček 25-45 μm) SAC305 zůstávají ostatní podmínky nezměněny.Po přetavení se otvory ve vrstvě pájky změří a porovnají s pájecí pastou typu 4.Bylo zjištěno, že otvory ve vrstvě pájky se mezi těmito dvěma druhy pájecí pasty významně neliší, což naznačuje, že pájecí pasta s různou velikostí kuliček nemá zjevný vliv na otvory ve vrstvě pájky, což není ovlivňující faktor, jak je znázorněno na OBR.6 Jak je znázorněno.
Porovnání otvorů pro kovový cín s různou velikostí částic
3.2 Tloušťka svařovací dutiny a potištěné ocelové sítě
Po přetavení byla měřena plocha dutiny svařované vrstvy s potištěnou ocelovou sítí o tloušťce 50 μm, 100 μm a 125 μm a ostatní podmínky zůstaly nezměněny.Bylo zjištěno, že vliv různé tloušťky ocelového pletiva (pájecí pasty) na QFN byl porovnán s efektem tištěného ocelového pletiva o tloušťce 75 μm S rostoucí tloušťkou ocelového pletiva se plocha dutiny postupně pomalu zmenšuje.Po dosažení určité tloušťky (100 μm) se oblast dutiny obrátí a začne se zvětšovat s rostoucí tloušťkou ocelové sítě, jak je znázorněno na obrázku 7.
To ukazuje, že při zvýšení množství pájecí pasty je tekutý cín s refluxem překryt čipem a výstup úniku zbytkového vzduchu je úzký jen na čtyřech stranách.Když se změní množství pájecí pasty, zvýší se také výstup zbytkového úniku vzduchu a okamžitý výbuch vzduchu obalený tekutým cínem nebo tekutým cínem unikajícím těkavým plynem způsobí, že se tekutý cín rozstříkne kolem QFN a čipu.
Test zjistil, že se zvětšující se tloušťkou ocelové sítě se také zvýší prasknutí bublin způsobené únikem vzduchu nebo těkavého plynu a odpovídajícím způsobem se také zvýší pravděpodobnost rozstřikování cínu kolem QFN a třísky.
Porovnání otvorů v ocelové síti různé tloušťky
3.3 Poměr plochy svařovací dutiny a otvoru ocelové sítě
Byla testována potištěná ocelová síť s rychlostí otevírání 100 %, 90 % a 80 % a ostatní podmínky zůstaly nezměněny.Po přetavení byla změřena plocha dutiny svařované vrstvy a porovnána s natištěnou ocelovou sítí se 100% rychlostí otevírání.Bylo zjištěno, že nebyl žádný významný rozdíl v dutině svařované vrstvy za podmínek rychlosti otevírání 100 % a 90 % 80 %, jak je znázorněno na obrázku 8.
Porovnání dutin různé plochy otvoru různých ocelových sítí
3.4 Svařovaná dutina a tištěný tvar ocelové sítě
Při zkoušce tvaru tisku pájecí pasty proužku b a šikmé mřížky c zůstávají ostatní podmínky nezměněny.Po přetavení se změří plocha dutiny svarové vrstvy a porovná se s tiskovým tvarem mřížky a.Bylo zjištěno, že neexistuje žádný významný rozdíl v dutině svařovací vrstvy za podmínek mřížky, pásu a šikmé mřížky, jak je znázorněno na obrázku 9.
Porovnání otvorů v různých režimech otevírání ocelové sítě
3.5 Svařovací dutina a doba zpětného toku
Po zkoušce prodloužené doby refluxu (70 s, 80 s, 90 s) zůstávají ostatní podmínky nezměněny, otvor ve svařovací vrstvě byl změřen po refluxu a ve srovnání s dobou refluxu 60 s bylo zjištěno, že se zvýšením doba zpětného toku se plocha svařovacího otvoru zmenšila, ale amplituda redukce se postupně s narůstajícím časem zmenšovala, jak je znázorněno na obrázku 10. To ukazuje, že v případě nedostatečné doby zpětného toku zvýšení doby zpětného toku vede k plnému přetečení vzduchu zabalené v roztaveném tekutém cínu, ale po zvýšení doby zpětného toku na určitou dobu vzduch zabalený v tekutém cínu je obtížné znovu přetékat.Doba zpětného toku je jedním z faktorů ovlivňujících svařovací dutinu.
Neplatné srovnání různých délek refluxních časů
3.6 Svařovací dutina a špičková teplota pece
Při zkoušce špičkové teploty pece 240 ℃ a 250 ℃ a dalších podmínkách beze změny byla plocha dutiny svařované vrstvy měřena po přetavení a ve srovnání se špičkovou teplotou pece 260 ℃ bylo zjištěno, že za různých podmínek špičkové teploty pece byla dutina svařovaná vrstva QFN a třísky se významně nezměnila, jak je znázorněno na obrázku 11. Ukazuje, že různá špičková teplota pece nemá žádný zjevný vliv na QFN a otvor ve svařovací vrstvě třísky, což není ovlivňující faktor.
Neplatné srovnání různých špičkových teplot
Výše uvedené testy ukazují, že významnými faktory ovlivňujícími dutinu svarové vrstvy QFN a třísky jsou doba zpětného toku a tloušťka ocelové sítě.
4 Zlepšení svařovací dutiny pro přetavení tisku pájecí pastou
4.1 Test DOE pro zlepšení svařovací dutiny
Otvor ve svarové vrstvě QFN a třísky byl vylepšen nalezením optimální hodnoty hlavních ovlivňujících faktorů (doba zpětného toku a tloušťka ocelové sítě).Pájecí pasta byla SAC305 typ4, tvar ocelové sítě byl mřížkový (100% stupeň otevření), špičková teplota pece byla 260 °C a další testovací podmínky byly stejné jako u testovacího zařízení.DOE test a výsledky jsou uvedeny v tabulce 3. Vlivy tloušťky ocelové sítě a doby refluxu na QFN a otvory pro třískové svařování jsou znázorněny na obrázku 12. Prostřednictvím interakční analýzy hlavních ovlivňujících faktorů bylo zjištěno, že při použití 100 μm tloušťky ocelové sítě a 80 s refluxní doba může výrazně snížit svařovací dutinu QFN a čip.Míra svařovací dutiny QFN je snížena z maximálních 27,8 % na 16,1 % a míra svařovací dutiny třísky je snížena z maximálních 20,5 % na 14,5 %.
V testu bylo vyrobeno 1000 produktů za optimálních podmínek (tloušťka ocelové sítě 100 μm, doba refluxu 80 s) a náhodně byla měřena rychlost svarové dutiny 100 QFN a tříska.Průměrná míra svarové dutiny u QFN byla 16,4 % a průměrná míra svarové dutiny u čipu byla 14,7 %. Míra svarové dutiny u třísky a třísky je zjevně snížena.
4.2 Nový proces zlepšuje svařovací dutinu
Skutečná výrobní situace a test ukazují, že když je plocha svařovací dutiny ve spodní části čipu menší než 10 %, problém s praskáním polohy dutiny čipu během spojování a lisování olova nenastane.Procesní parametry optimalizované DOE nemohou splnit požadavky na analýzu a řešení děr v konvenčním svařování přetavením pájecí pasty a je třeba dále snížit velikost plochy svařovací dutiny čipu.
Protože čip pokrytý pájkou zabraňuje úniku plynu v pájce, počet otvorů ve spodní části čipu se dále snižuje odstraněním nebo snížením plynu potaženého pájkou.Byl přijat nový proces svařování přetavením s tiskem dvěma pájecími pastami: jeden tisk pájecí pastou, jeden přetavení nepokrývající QFN a holý čip vypouštějící plyn v pájce;Konkrétní proces tisku sekundární pájecí pasty, záplaty a sekundárního refluxu je znázorněn na obrázku 13.
Při prvním tisku pájecí pasty o tloušťce 75 μm unikne většina plynu v pájce bez krytu čipu z povrchu a tloušťka po refluxu je asi 50 μm.Po dokončení primárního refluxu se na povrch vychladlé ztuhlé pájky vytisknou malé čtverečky (za účelem snížení množství pájecí pasty, snížení množství přelitého plynu, snížení nebo odstranění rozstřiku pájky) a pájecí pasta tloušťku 50 μm (výše uvedené výsledky testu ukazují, že 100 μm je nejlepší, takže tloušťka sekundárního tisku je 100 μm. 50 μm=50 μm), poté nainstalujte čip a poté se vraťte po 80 s.Po prvním tisku a přetavení není v pájce téměř žádný otvor a pájecí pasta při druhém tisku je malá a svařovací otvor je malý, jak je znázorněno na obrázku 14.
Po dvou otiscích pájecí pasty, dutá kresba
4.3 Ověření efektu svařovací dutiny
Výroba 2000 produktů (tloušťka ocelového síta pro první tisk je 75 μm, tloušťka ocelového síta pro druhý tisk je 50 μm), ostatní podmínky nezměněny, náhodné měření 500 QFN a míra dutiny pro třískové svařování, zjistilo, že nový proces po prvním refluxu žádná dutina, po druhém refluxu QFN Maximální míra svařovací dutiny je 4,8 % a maximální míra svařovací dutiny čipu je 4,1 %.V porovnání s původním procesem svařování jednopastovým tiskem a optimalizovaným procesem DOE je svařovací dutina výrazně zmenšena, jak je znázorněno na obrázku 15. Po funkčních testech všech produktů nebyly zjištěny žádné praskliny od třísek.
5 Shrnutí
Optimalizace množství tisku pájecí pasty a doby refluxu může snížit plochu svařovací dutiny, ale míra svařovací dutiny je stále velká.Použití dvou svařovacích technik přetavení na tisk pájecí pasty může efektivně a maximalizovat míru svařovací dutiny.Svařovací plocha holého čipu obvodu QFN může být 4,4 mm x 4,1 mm a 3,0 mm x 2,3 mm v sériové výrobě. Míra dutinového svařování přetavením je řízena pod 5 %, což zlepšuje kvalitu a spolehlivost svařování přetavením.Výzkum v tomto článku poskytuje důležitou referenci pro zlepšení problému svařovací dutiny u velkoplošného svařovacího povrchu.