SMT использует традиционную паяльную пасту для анализа и решения сварки оплавлением воздуха (выпуск Essence 2023), вы этого заслуживаете!
1 Введение
При сборке печатной платы сначала на контактную площадку наносится паяльная паста, а затем устанавливаются различные электронные компоненты. После обработки в печи оплавления припоя оловянные шарики в паяльной пасте расплавляются, и все виды электронных компонентов свариваются с контактной площадкой печатной платы, обеспечивая сборку электрических подмодулей. Технология поверхностного монтажа (SMT) всё чаще используется в изделиях с высокой плотностью монтажа, таких как корпуса системного уровня (SIP), BGA-корпуса (BGA) и бескорпусные корпуса Power Bare Chip (QFN).
Из-за особенностей процесса сварки паяльной пастой и материалов, после сварки оплавлением припоя этих устройств с большой поверхностью пайки, в области сварки пайкой будут отверстия, которые повлияют на электрические свойства, термические свойства и механические свойства производительности продукта, и даже приведут к отказу продукта, поэтому улучшение полости сварки оплавлением припоя стало технологической и технической проблемой, которую необходимо решить, некоторые исследователи проанализировали и изучили причины сварки полости шариков припоя BGA и предложили решения по улучшению, обычное решение процесса сварки оплавлением припоя для области сварки QFN больше 10 мм2 или области сварки больше 6 мм2 для голого чипа отсутствует.
Используйте сварку преформ-припоем и сварку в вакуумной печи с обратным холодильником для улучшения качества сварного отверстия. Для точечного нанесения флюса на готовый припой требуется специальное оборудование. Например, после установки чипа непосредственно на готовый припой чип сильно смещается и наклоняется. Если чип с флюсовым креплением оплавляется, а затем точится, время процесса увеличивается на два этапа оплавления, а стоимость готового припоя и флюса значительно выше стоимости паяльной пасты.
Оборудование для вакуумной пайки обходится дороже, вакуумная производительность отдельной вакуумной камеры очень низкая, себестоимость невысокая, а проблема разбрызгивания олова серьёзна, что является важным фактором при изготовлении изделий с высокой плотностью и малым шагом. В данной статье на основе традиционного процесса сварки оплавлением паяльной пасты разработан и представлен новый процесс вторичной сварки оплавлением, позволяющий улучшить качество сварной полости и решить проблемы склеивания и растрескивания пластикового уплотнения, вызванные наличием сварочной полости.
2. Механизм печати паяльной пасты, пайки оплавлением и полости для производства
2.1 Сварочная полость
После сварки оплавлением припоя изделие было подвергнуто рентгеновскому контролю. Отверстия в зоне сварки, имеющие более светлый цвет, были обнаружены из-за недостаточного количества припоя в сварочном слое, как показано на рисунке 1.
Рентгеновское обнаружение пузырькового отверстия
2.2 Механизм образования сварочной полости
На примере паяльной пасты SAC305 её основной состав и функции представлены в таблице 1. Флюс и оловянные гранулы соединены вместе, образуя пасту. Соотношение оловянного припоя к флюсу по весу составляет примерно 9:1, а по объёму — примерно 1:1.
После печати и монтажа паяльной пасты на различные электронные компоненты она проходит четыре стадии: предварительный нагрев, активацию, обратный отжиг и охлаждение при прохождении через обратную печь. Состояние паяльной пасты также различается в зависимости от температуры на разных этапах, как показано на рисунке 2.
Справочный профиль для каждой области пайки оплавлением
На этапе предварительного нагрева и активации летучие компоненты флюса в паяльной пасте будут испаряться в газ при нагревании. В то же время, когда оксид на поверхности сварочного слоя удаляется, будут образовываться газы. Некоторые из этих газов будут испаряться и покидать паяльную пасту, а шарики припоя будут плотно уплотнены из-за улетучивания флюса. На этапе рефлюкса оставшийся флюс в паяльной пасте будет быстро испаряться, шарики олова будут плавиться, небольшое количество летучего газа флюса и большая часть воздуха между шариками олова не будут рассеяны вовремя, а остатки в расплавленном олове и под натяжением расплавленного олова образуют гамбургерную сэндвич-структуру и захватываются контактной площадкой печатной платы и электронными компонентами, а газ, окутанный жидким оловом, трудно высвободить только за счет восходящей плавучести. Верхнее время плавления очень короткое. Когда расплавленное олово остывает и превращается в твердое олово, в сварочном слое появляются поры и образуются отверстия от пайки, как показано на рисунке 3.
Принципиальная схема пустоты, образующейся при пайке оплавлением паяльной пасты
Основная причина образования сварочных раковин заключается в том, что воздух или летучий газ, содержащийся в паяльной пасте после расплавления, не полностью удаляется. На это влияют такие факторы, как материал паяльной пасты, форма и количество наносимой паяльной пасты, температура и время оплавления, размер сварного шва, структура и т. д.
3. Проверка факторов влияния паяльной пасты на печать отверстий для пайки оплавлением
Испытания QFN и кристалла без покрытия проводились для подтверждения основных причин образования пустот при сварке оплавлением и поиска способов улучшения качества пустот при сварке оплавлением, нанесённых паяльной пастой. Профиль продукта сварки оплавлением паяльной пасты QFN и кристалла без покрытия показан на рисунке 4. Размер сварочной поверхности QFN составляет 4,4 мм x 4,1 мм, сварочная поверхность представляет собой лужёный слой (100% чистое олово); размер сварочной поверхности кристалла без покрытия составляет 3,0 мм x 2,3 мм, сварочный слой представляет собой напылённый биметаллический слой никеля-ванадия, а поверхностный слой – ванадий. Сварочная площадка подложки была покрыта слоем золота с помощью химического никель-палладия, толщина слоя составила 0,4 мкм / 0,06 мкм / 0,04 мкм. Используется паяльная паста SAC305, оборудование для нанесения паяльной пасты — DEK Horizon APix, оборудование для пайки обратным холодильником — BTUPyramax150N, рентгеновское оборудование — DAGExD7500VR.
Чертежи QFN и сварки стружки без покрытия
Для облегчения сравнения результатов испытаний сварка оплавлением проводилась в условиях, указанных в таблице 2.
Таблица условий сварки оплавлением
После завершения поверхностного монтажа и сварки оплавлением припоя сварочный слой был исследован с помощью рентгеновского излучения, и было обнаружено, что в сварочном слое в нижней части QFN имеются большие отверстия и открытая стружка, как показано на рисунке 5.
QFN и чип-голограмма (рентгеновские снимки)
Поскольку размер оловянного шарика, толщина стальной сетки, площадь раскрытия, форма стальной сетки, время орошения и пиковая температура печи влияют на образование пустот при оплавлении, существует множество влияющих факторов, которые можно напрямую проверить с помощью DOE-теста, а количество экспериментальных групп будет слишком велико. Необходимо быстро отобрать и определить основные влияющие факторы с помощью корреляционно-сравнительного теста, а затем оптимизировать их с помощью DOE.
3.1 Размеры отверстий под пайку и шариков оловянной паяльной пасты
При испытании паяльной пасты SAC305 типа 3 (размер частиц 25–45 мкм) остальные условия остаются неизменными. После оплавления измеряются отверстия в слое припоя и сравниваются с паяльной пастой типа 4. Обнаружено, что отверстия в слое припоя существенно не различаются между двумя типами пасты, что свидетельствует о том, что паяльная паста с разным размером частиц не оказывает очевидного влияния на отверстия в слое припоя, что не является фактором влияния, как показано на рис. 6.
Сравнение отверстий в порошке металлического олова с различными размерами частиц
3.2 Толщина сварочной полости и печатной стальной сетки
После оплавления измерялась площадь полости сварного слоя с использованием напечатанной стальной сетки толщиной 50 мкм, 100 мкм и 125 мкм, при этом остальные условия оставались неизменными. Было обнаружено, что влияние разной толщины стальной сетки (паяльной пасты) на QFN сравнивалось с влиянием напечатанной стальной сетки толщиной 75 мкм. По мере увеличения толщины стальной сетки площадь полости постепенно уменьшается. После достижения определённой толщины (100 мкм) площадь полости начинает уменьшаться с увеличением толщины стальной сетки, как показано на рисунке 7.
Это показывает, что при увеличении количества паяльной пасты жидкое олово с обратным потоком покрывается кристаллом, а выходное отверстие для выхода остаточного воздуха сужается только с четырёх сторон. При изменении количества паяльной пасты выходное отверстие для выхода остаточного воздуха также увеличивается, и мгновенный выброс воздуха, окутывающего жидкое олово, или летучих газов, выходящих из жидкого олова, приведёт к разбрызгиванию жидкого олова вокруг QFN и кристалла.
Испытание показало, что с увеличением толщины стальной сетки увеличивается вероятность разрыва пузырьков, вызванного утечкой воздуха или летучего газа, а также соответственно увеличивается вероятность разбрызгивания олова вокруг QFN и стружки.
Сравнение отверстий в стальной сетке разной толщины
3.3 Соотношение площадей сварочной полости и отверстия стальной сетки
Испытания проводились на напечатанной стальной сетке со степенью раскрытия 100%, 90% и 80%, остальные условия оставались неизменными. После оплавления измерялась площадь полости сварного слоя и сравнивалась с площадью полости сварного слоя напечатанной стальной сетки со степенью раскрытия 100%. Было обнаружено, что существенной разницы в площади полости сварного слоя при степени раскрытия 100% и 90% и 80% не наблюдалось, как показано на рисунке 8.
Сравнение полостей с различной площадью отверстий различных стальных сеток
3.4 Сварная полость и печатная стальная сетка
При испытании формы печати паяльной пасты полосой b и наклонной сеткой c остальные условия остаются неизменными. После оплавления измеряется площадь полости сварочного слоя и сравнивается с формой печати сеткой a. Установлено, что существенной разницы в форме полости сварочного слоя при печати сеткой, полосой и наклонной сеткой нет, как показано на рисунке 9.
Сравнение отверстий при различных режимах открытия стальной сетки
3.5 Сварочная полость и время рефлюкса
После испытания с длительным временем рефлюкса (70 с, 80 с, 90 с), другие условия оставались неизменными, отверстие в сварочном слое измерялось после рефлюкса, и по сравнению со временем рефлюкса 60 с, было обнаружено, что с увеличением времени рефлюкса площадь сварочного отверстия уменьшалась, но амплитуда сокращения постепенно уменьшалась с увеличением времени, как показано на рисунке 10. Это показывает, что в случае недостаточного времени рефлюкса увеличение времени рефлюкса способствует полному перетеканию воздуха, обернутого в расплавленное жидкое олово, но после того, как время рефлюкса увеличивается до определенного времени, воздух, обернутый в жидкое олово, трудно перетекать снова. Время рефлюкса является одним из факторов, влияющих на сварочную полость.
Невозможность сравнения различных длительностей рефлюкса
3.6 Сварочная полость и пиковая температура печи
При испытании на пиковую температуру печи 240 ℃ и 250 ℃ и неизменных других условиях была измерена площадь полости сварного слоя после оплавления и сравнена с пиковой температурой печи 260 ℃. Было обнаружено, что при различных условиях пиковой температуры печи полость сварного слоя QFN и стружки существенно не изменилась, как показано на рисунке 11. Это показывает, что разная пиковая температура печи не оказывает очевидного влияния на QFN и отверстие в сварочном слое стружки, которое не является влияющим фактором.
Недействительное сравнение различных пиковых температур
Приведенные выше испытания показывают, что значимыми факторами, влияющими на полость сварного слоя QFN и стружку, являются время рефлюкса и толщина стальной сетки.
4 Улучшение полости для печати паяльной пасты методом оплавления
4.1 Испытание DOE для улучшения сварочной полости
Отверстие в сварочном слое QFN и стружки было улучшено путем нахождения оптимального значения основных влияющих факторов (время обратного потока и толщина стальной сетки). Паяльная паста была SAC305 тип 4, форма стальной сетки была сетчатого типа (степень раскрытия 100%), пиковая температура печи составляла 260 ℃, а другие условия испытания были такими же, как у испытательного оборудования. Испытание DOE и результаты представлены в таблице 3. Влияние толщины стальной сетки и времени обратного потока на сварочные отверстия QFN и стружки показано на рисунке 12. Посредством анализа взаимодействия основных влияющих факторов обнаружено, что использование толщины стальной сетки 100 мкм и времени обратного потока 80 с может значительно уменьшить сварочную раковину QFN и стружки. Скорость сварочной раковины QFN снижается с максимальных 27,8% до 16,1%, а скорость сварочной раковины стружки снижается с максимальных 20,5% до 14,5%.
В ходе испытаний было изготовлено 1000 изделий в оптимальных условиях (толщина стальной сетки 100 мкм, время рефлюкса 80 с). В ходе испытаний случайным образом измерялась скорость образования раковин в сварном шве 100 QFN и стружки. Средняя скорость образования раковин в сварном шве QFN составила 16,4%, а средняя скорость образования раковин в сварном шве стружки – 14,7%. Скорость образования раковин в сварном шве стружки и стружки заметно снизилась.
4.2 Новый процесс улучшает сварочную полость
Реальные производственные условия и испытания показывают, что если площадь сварочной полости в нижней части кристалла составляет менее 10%, проблема растрескивания в полости кристалла во время присоединения выводов и формовки не возникает. Оптимизированные DOE параметры процесса не отвечают требованиям анализа и решения проблем с отверстиями при обычной пайке оплавлением паяльной пасты, поэтому необходимо дополнительно уменьшить площадь сварочной полости кристалла.
Поскольку кристалл, покрытый припоем, препятствует выходу содержащегося в нем газа, количество отверстий в нижней части кристалла дополнительно снижается за счет устранения или уменьшения количества газа, содержащегося в припое. Внедрен новый процесс сварки оплавлением с двумя этапами печати паяльной пасты: один этап печати паяльной пасты, второй этап оплавления, не покрывающий QFN и чистый кристалл, с выходом газа из припоя. Конкретный процесс печати паяльной пасты, патч-сварки и вторичного орошения показан на рисунке 13.
При первой печати паяльной пастой толщиной 75 мкм большая часть газа в припое без покрытия чипа выходит с поверхности, и толщина после рефлюкса составляет около 50 мкм. После завершения первичного рефлюкса на поверхность остывшего затвердевшего припоя печатаются небольшие квадраты (чтобы уменьшить количество паяльной пасты, уменьшить количество перетекания газа, уменьшить или устранить разбрызгивание припоя) и паяльная паста толщиной 50 мкм (приведенные выше результаты испытаний показывают, что 100 мкм является наилучшим, поэтому толщина вторичной печати составляет 100 мкм × 50 мкм = 50 мкм), затем устанавливается чип, и затем возвращается через 80 с. После первой печати и оплавления в припое почти нет отверстий, а паяльная паста во второй печати небольшая, и отверстие для сварки небольшое, как показано на рисунке 14.
После двух отпечатков паяльной пасты, полое отверстие
4.3 Проверка эффекта сварочной полости
Производство 2000 изделий (толщина первой печатной стальной сетки составляет 75 мкм, толщина второй печатной стальной сетки составляет 50 мкм), другие условия не изменялись, случайное измерение 500 QFN и скорости сварки раковин стружки, показало, что новый процесс после первого обратного оттока не имеет раковин, после второго обратного оттока QFN максимальная скорость сварки раковин составляет 4,8%, а максимальная скорость сварки раковин стружки составляет 4,1%. По сравнению с исходным процессом сварки печати с одной пастой и оптимизированным процессом DOE, сварная раковина значительно уменьшена, как показано на рисунке 15. После функциональных испытаний всех изделий не было обнаружено трещин стружки.
5. Резюме
Оптимизация количества наносимой паяльной пасты и времени оплавления позволяет уменьшить площадь сварочной полости, но степень ее образования остается высокой. Использование двух методов сварки оплавлением с печатью паяльной пасты позволяет эффективно и максимально увеличить степень образования сварочной полости. Площадь сварки кристалла QFN-платы может составлять 4,4 x 4,1 мм и 3,0 x 2,3 мм соответственно при массовом производстве. Степень образования сварочной полости при оплавлении поддерживается на уровне ниже 5%, что повышает качество и надежность процесса. Исследование, представленное в данной статье, предоставляет важные рекомендации по решению проблемы образования сварочной полости на больших сварочных поверхностях.
