SMT adi lehim pastası havasının təkrar axını qaynaq boşluğunun təhlili və həllindən istifadə edir (2023 Essence Edition), siz buna layiqsiniz!
1. Giriş
Elektron lövhənin montajında əvvəlcə dövrə lövhəsinin lehim yastığına lehim pastası çap olunur, sonra müxtəlif elektron komponentlər yapışdırılır.Nəhayət, yenidən axan sobadan sonra, lehim pastasında qalay boncukları əridilir və elektrik alt modullarının yığılmasını həyata keçirmək üçün hər cür elektron komponentlər və dövrə lövhəsinin lehim yastığı bir-birinə qaynaqlanır.səth montaj texnologiyası (sMT) sistem səviyyəli paket (siP), ballgridarray (BGA) cihazları və güc çılpaq Çip, kvadrat düz pinsiz paket (quad aatNo-lead, QFN kimi istinad edilir) kimi yüksək sıxlıqlı qablaşdırma məhsullarında getdikcə daha çox istifadə olunur. ) qurğu.
Lehim pastası qaynaq prosesinin və materiallarının xüsusiyyətlərinə görə, bu böyük lehim səthi cihazlarının təkrar qaynaqından sonra, lehim qaynaq sahəsində deşiklər olacaq, bu da məhsulun elektrik xüsusiyyətlərinə, istilik xüsusiyyətlərinə və mexaniki xüsusiyyətlərinə təsir edəcək Performans və hətta məhsulun uğursuzluğuna səbəb olur, buna görə də, lehim pastası reflow qaynaq boşluğunun yaxşılaşdırılması üçün həll edilməli olan bir proses və texniki problem halına gəldi, bəzi tədqiqatçılar BGA lehim topu qaynaq boşluğunun səbəblərini təhlil və tədqiq etdilər və təkmilləşdirmə həlləri təmin etdilər, şərti lehim paste reflow qaynaq prosesi QFN-nin 10mm2-dən çox qaynaq sahəsi və ya qaynaq sahəsi 6 mm2-dən çox olan çılpaq çip həlli yoxdur.
Qaynaq çuxurunu yaxşılaşdırmaq üçün Preformsolder qaynağından və vakuum reflü soba qaynağından istifadə edin.Prefabrik lehim axını istiqamətləndirmək üçün xüsusi avadanlıq tələb edir.Məsələn, çip birbaşa prefabrik lehimə yerləşdirildikdən sonra çip ofset edilir və ciddi şəkildə əyilir.Flux montaj çipi yenidən axıdılırsa və sonra nöqtə olarsa, proses iki reflow ilə artır və prefabrik lehim və flux materialının dəyəri lehim pastasından xeyli yüksəkdir.
Vakuum reflü avadanlığı daha bahalıdır, müstəqil vakuum kamerasının vakuum tutumu çox aşağıdır, qiymət performansı yüksək deyil və qalay sıçraması problemi ciddidir, bu da yüksək sıxlıqlı və kiçik meydançanın tətbiqində mühüm amildir. məhsullar.Bu yazıda, ənənəvi lehim pastası ilə yenidən axıdılan qaynaq prosesinə əsaslanaraq, qaynaq boşluğunu yaxşılaşdırmaq və qaynaq boşluğunun səbəb olduğu bağlanma və plastik möhür çatlaması problemlərini həll etmək üçün yeni ikincil təkrar qaynaq prosesi hazırlanmış və təqdim edilmişdir.
2 Lehim pastası çapı reflow qaynaq boşluğu və istehsal mexanizmi
2.1 Qaynaq boşluğu
Qaynaqdan sonra məhsul rentgen şüaları altında sınaqdan keçirildi.Şəkil 1-də göstərildiyi kimi qaynaq zonasında daha açıq rəngdə olan deşiklərin qaynaq qatında kifayət qədər lehim olmaması ilə əlaqədar olduğu müəyyən edilmişdir.
Baloncuk çuxurunun rentgen aşkarlanması
2.2 Qaynaq boşluğunun əmələ gəlmə mexanizmi
Nümunə olaraq sAC305 lehim pastasını götürərək, əsas tərkibi və funksiyası Cədvəl 1-də göstərilmişdir. Flux və qalay muncuqları pasta şəklində bir-birinə yapışdırılır.Kalay lehiminin çəkiyə nisbəti təxminən 9:1, həcm nisbəti isə təxminən 1:1-dir.
Lehim pastası çap edildikdən və müxtəlif elektron komponentlərlə quraşdırıldıqdan sonra, lehim pastası reflü sobasından keçərkən dörd mərhələdən əvvəlcədən qızdırmaq, aktivləşdirmə, geri axını və soyutma mərhələsindən keçəcəkdir.Lehim pastasının vəziyyəti də Şəkil 2-də göstərildiyi kimi müxtəlif mərhələlərdə müxtəlif temperaturlarla fərqlidir.
Reflow lehimləmənin hər bir sahəsi üçün profil arayışı
Əvvəlcədən isitmə və aktivləşdirmə mərhələsində, lehim pastasında olan axındakı uçucu komponentlər qızdırıldıqda qaz halına salınacaq.Eyni zamanda, qaynaq təbəqəsinin səthindəki oksid çıxarıldıqda qazlar yaranacaq.Bu qazların bəziləri buxarlanacaq və lehim pastasını tərk edəcək və lehim muncuqları axının uçuculuğu səbəbindən sıx bir şəkildə sıxlaşacaq.Reflüks mərhələsində lehim pastasında qalan axın sürətlə buxarlanacaq, qalay muncuqları əriyəcək, az miqdarda uçucu qaz və qalay muncuqları arasındakı havanın çox hissəsi vaxtında dağılmayacaq və qalıqlar ərinmiş qalay və ərinmiş qalay gərginliyi altında hamburger sendviç quruluşudur və dövrə lövhəsi lehim yastığı və elektron komponentlər tərəfindən tutulur və maye qalaya bükülmüş qazın yalnız yuxarı qalxma qabiliyyəti ilə qaçması çətindir Üst ərimə müddəti çox qısa.Ərinmiş qalay soyuduqda və bərk qalaya çevrildikdə, Şəkil 3-də göstərildiyi kimi qaynaq təbəqəsində məsamələr əmələ gəlir və lehim dəlikləri əmələ gəlir.
Lehim pastasının yenidən qaynaqlanması nəticəsində yaranan boşluğun sxematik diaqramı
Qaynaq boşluğunun əsas səbəbi ərimədən sonra lehim pastasına bükülmüş hava və ya uçucu qazın tamamilə boşaldılmamasıdır.Təsir edən amillərə lehim pastası materialı, lehim pastasının çap forması, lehim pastası çapının miqdarı, geri axının temperaturu, reflüks müddəti, qaynaq ölçüsü, quruluş və s. daxildir.
3. Lehim pastası çapının reflow qaynaq deşiklərinə təsir edən amillərin yoxlanılması
QFN və çılpaq çip testləri təkrar qaynaq boşluqlarının əsas səbəblərini təsdiqləmək və lehim pastası ilə çap edilmiş təkrar qaynaq boşluqlarını yaxşılaşdırmaq yollarını tapmaq üçün istifadə edilmişdir.QFN və çılpaq çip lehim pastası reflow qaynaq məhsulunun profili Şəkil 4-də göstərilmişdir, QFN qaynaq səthinin ölçüsü 4.4mmx4.1mm, qaynaq səthi qalaylanmış təbəqədir (100% təmiz qalay);Çılpaq çipin qaynaq ölçüsü 3.0mmx2.3mm, qaynaq təbəqəsi püskürən nikel-vanadium bimetal təbəqəsi və səth təbəqəsi vanadiumdur.Substratın qaynaq yastığı elektriksiz nikel-palladium qızıl daldırma idi və qalınlığı 0.4μm/0.06μm/0.04μm idi.SAC305 lehim pastası istifadə olunur, lehim pastası çap avadanlığı DEK Horizon APix, reflü soba avadanlığı BTUPyramax150N, rentgen avadanlığı isə DAGExD7500VR-dir.
QFN və çılpaq çip qaynaq təsvirləri
Sınaq nəticələrinin müqayisəsini asanlaşdırmaq üçün Cədvəl 2-də göstərilən şərtlərə uyğun olaraq təkrar qaynaq edildi.
Reflow qaynaq vəziyyəti cədvəli
Səth montajı və təkrar qaynaq işləri başa çatdıqdan sonra rentgen şüaları ilə qaynaq təbəqəsi aşkar edildi və Şəkil 5-də göstərildiyi kimi QFN-nin altındakı qaynaq təbəqəsində böyük dəliklər və çılpaq çip olduğu aşkar edildi.
QFN və Chip Hologram (Rentgen)
Kalay muncuq ölçüsü, polad mesh qalınlığı, açılış sahəsi dərəcəsi, polad mesh forması, geri axını vaxtı və pik soba temperaturu bütün təkrar qaynaq boşluqlarına təsir göstərdiyindən, DOE testi ilə birbaşa yoxlanılacaq bir çox təsir edən amillər var və eksperimental sayı qruplar çox böyük olacaq.Korrelyasiya müqayisə testi vasitəsilə əsas təsir edən amilləri tez bir zamanda yoxlamaq və müəyyən etmək, sonra isə DOE vasitəsilə əsas təsir edən amilləri daha da optimallaşdırmaq lazımdır.
3.1 Lehim dəliklərinin və lehim pastası qalay muncuqlarının ölçüləri
Type3 (muncuq ölçüsü 25-45 μm) SAC305 lehim pastası testi ilə digər şərtlər dəyişməz olaraq qalır.Yenidən axdıqdan sonra lehim təbəqəsindəki deliklər ölçülür və tip 4 lehim pastası ilə müqayisə edilir.Lehim təbəqəsindəki deliklərin iki növ lehim pastası arasında əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənmədiyi aşkar edilmişdir, bu da müxtəlif muncuq ölçüsünə malik lehim pastasının lehim təbəqəsindəki deliklərə heç bir açıq təsir göstərmədiyini göstərir, bu da təsiredici amil deyil, Şəkildə göstərildiyi kimi.6 göstərildiyi kimi.
Müxtəlif hissəcik ölçüləri olan metal qalay toz dəliklərinin müqayisəsi
3.2 Qaynaq boşluğunun və çap olunmuş polad torun qalınlığı
Yenidən axdıqdan sonra qaynaqlanmış təbəqənin boşluq sahəsi 50 μm, 100 μm və 125 μm qalınlığında çap edilmiş polad mesh ilə ölçüldü və digər şərtlər dəyişməz qaldı.Müəyyən edilmişdir ki, müxtəlif qalınlıqdakı polad torun (lehim pastası) QFN-ə təsiri 75 mkm qalınlığında çap olunmuş polad torla müqayisə edilmişdir. Polad torun qalınlığı artdıqca boşluq sahəsi tədricən azalır.Müəyyən bir qalınlığa (100μm) çatdıqdan sonra boşluq sahəsi tərsinə çevriləcək və Şəkil 7-də göstərildiyi kimi polad torun qalınlığının artması ilə artmağa başlayacaq.
Bu göstərir ki, lehim pastasının miqdarı artırıldıqda, reflü olan maye qalay çiplə örtülür və qalıq havanın çıxışı yalnız dörd tərəfdən dardır.Lehim pastasının miqdarı dəyişdirildikdə, qalıq hava çıxışı da artır və maye qalaya bükülmüş havanın ani partlaması və ya maye qalaydan çıxan uçucu qaz maye qalayın QFN və çip ətrafında sıçramasına səbəb olacaq.
Test müəyyən etdi ki, polad mesh qalınlığının artması ilə hava və ya uçucu qazın qaçması nəticəsində yaranan qabarcıq partlaması da artacaq və QFN və çip ətrafında qalay sıçraması ehtimalı da müvafiq olaraq artacaq.
Müxtəlif qalınlıqdakı polad torda deşiklərin müqayisəsi
3.3 Qaynaq boşluğunun və polad mesh açılışının sahə nisbəti
Açılış dərəcəsi 100%, 90% və 80% olan çap edilmiş polad mesh sınaqdan keçirildi və digər şərtlər dəyişməz qaldı.Yenidən axdıqdan sonra qaynaqlanmış təbəqənin boşluq sahəsi ölçüldü və 100% açılış dərəcəsi ilə çap edilmiş polad mesh ilə müqayisə edildi.Şəkil 8-də göstərildiyi kimi 100% və 90% 80% açılma dərəcəsi şəraitində qaynaqlanmış təbəqənin boşluğunda əhəmiyyətli fərq olmadığı aşkar edilmişdir.
Fərqli polad mesh müxtəlif açılış sahəsinin boşluq müqayisəsi
3.4 Qaynaqlanmış boşluq və çap olunmuş polad mesh forması
B zolağının lehim pastasının çap forması sınağı və c maili şəbəkəsi ilə digər şərtlər dəyişməz olaraq qalır.Yenidən axandan sonra qaynaq təbəqəsinin boşluq sahəsi ölçülür və a şəbəkəsinin çap forması ilə müqayisə edilir.Şəkil 9-da göstərildiyi kimi, tor, zolaq və maili tor şəraitində qaynaq təbəqəsinin boşluğunda əhəmiyyətli fərq olmadığı aşkar edilmişdir.
Polad meshin müxtəlif açılış rejimlərində deşiklərin müqayisəsi
3.5 Qaynaq boşluğu və reflü müddəti
Uzun müddət davam edən reflüks müddəti (70 s, 80 s, 90 s) sınağından sonra digər şərtlər dəyişməz qalır, qaynaq təbəqəsindəki deşik reflüdən sonra ölçülür və 60 s geri axını müddəti ilə müqayisə edildikdə, müəyyən edilmişdir ki, artımla reflüks vaxtı, qaynaq deşiyi sahəsi azaldı, lakin azalma amplitudası zamanın artması ilə tədricən azaldı, Şəkil 10-da göstərildiyi kimi. Bu göstərir ki, geri axının vaxtı qeyri-kafi olduqda, geri axının vaxtının artırılması havanın tam daşmasına şərait yaradır. ərinmiş maye qalaya bükülmüş, lakin geri axının müddəti müəyyən vaxta qədər artdıqdan sonra maye qalaya bükülmüş havanın yenidən daşması çətinləşir.Reflü vaxtı qaynaq boşluğuna təsir edən amillərdən biridir.
Müxtəlif reflü müddətlərinin müqayisəsi boşdur
3.6 Qaynaq boşluğu və sobanın pik temperaturu
240 ℃ və 250 ℃ pik soba temperaturu sınağı və digər şərtlər dəyişməz olaraq, qaynaqlanmış təbəqənin boşluq sahəsi yenidən axdıqdan sonra ölçüldü və 260 ℃ pik soba temperaturu ilə müqayisədə, müxtəlif pik soba temperaturu şəraitində, boşluğun QFN və çipin qaynaqlanmış təbəqəsi Şəkil 11-də göstərildiyi kimi əhəmiyyətli dərəcədə dəyişməmişdir. Bu göstərir ki, müxtəlif pik soba temperaturu QFN-ə və çipin qaynaq təbəqəsindəki çuxura heç bir aşkar təsir göstərmir ki, bu da təsiredici amil deyil.
Müxtəlif pik temperaturların müqayisəsi etibarsızdır
Yuxarıdakı testlər göstərir ki, QFN və çipin qaynaq qatının boşluğuna təsir edən əhəmiyyətli amillər geri axını müddəti və polad mesh qalınlığıdır.
4 Lehim pastası çapı reflow qaynaq boşluğunun təkmilləşdirilməsi
4.1 Qaynaq boşluğunu yaxşılaşdırmaq üçün DOE testi
QFN və çipin qaynaq təbəqəsindəki çuxur əsas təsir edən amillərin (reflüks vaxtı və polad mesh qalınlığı) optimal dəyərini tapmaqla təkmilləşdirilmişdir.Lehim pastası SAC305 type4 idi, polad mesh forması şəbəkə tipli (100% açılış dərəcəsi), pik soba temperaturu 260 ℃ idi və digər sınaq şərtləri sınaq avadanlığı ilə eyni idi.DOE testi və nəticələri Cədvəl 3-də göstərilmişdir. QFN və çip qaynaq dəliklərinə polad mesh qalınlığının və geri axını vaxtının təsiri Şəkil 12-də göstərilmişdir. Əsas təsir edən amillərin qarşılıqlı təsir təhlili nəticəsində məlum olmuşdur ki, 100 μm polad mesh qalınlığından istifadə etməklə və 80 s reflü vaxtı QFN və çipin qaynaq boşluğunu əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər.QFN-nin qaynaq boşluğunun dərəcəsi maksimum 27,8% -dən 16,1% -ə, çipin qaynaq boşluğunun dərəcəsi isə maksimum 20,5% -dən 14,5% -ə endirilir.
Testdə 1000 məhsul optimal şəraitdə (100 μm polad mesh qalınlığı, 80 s reflü vaxtı) istehsal edildi və 100 QFN və çip qaynaq boşluğunun dərəcəsi təsadüfi olaraq ölçüldü.QFN-nin orta qaynaq boşluğunun dərəcəsi 16,4%, çipin orta qaynaq boşluğunun dərəcəsi isə 14,7% idi. Çip və çipin qaynaq boşluğunun nisbəti açıq şəkildə azalır.
4.2 Yeni proses qaynaq boşluğunu yaxşılaşdırır
Faktiki istehsal vəziyyəti və sınaq göstərir ki, çipin altındakı qaynaq boşluğunun sahəsi 10% -dən az olduqda, qurğuşun bağlanması və qəlibləmə zamanı çip boşluğunun mövqeyinin krekinq problemi baş verməyəcəkdir.DOE tərəfindən optimallaşdırılmış proses parametrləri adi lehim pastası reflow qaynaqında deşiklərin təhlili və həlli tələblərinə cavab verə bilməz və çipin qaynaq boşluğunun sahəsinin nisbətini daha da azaltmaq lazımdır.
Lehimlə örtülmüş çip lehimdəki qazın qaçmasına mane olduğundan, lehimlə örtülmüş qazı aradan qaldırmaq və ya azaltmaqla çipin altındakı deşik dərəcəsi daha da azalır.İki lehim pastası çapı ilə reflow qaynaqının yeni prosesi qəbul edilir: bir lehim pastası çapı, QFN-ni əhatə etməyən bir reflow və lehimdə qazı boşaldan çılpaq çip;İkincil lehim pastasının çapı, yamaq və ikincil reflü xüsusi prosesi Şəkil 13-də göstərilmişdir.
75 μm qalınlığında lehim pastası ilk dəfə çap edildikdə, çip örtüyü olmayan lehimdəki qazın çoxu səthdən qaçır və reflüdən sonra qalınlıq təxminən 50μm-dir.İlkin reflüks başa çatdıqdan sonra, soyudulmuş bərkimiş lehimin səthinə kiçik kvadratlar (lehim pastasının miqdarını azaltmaq, qazın yayılmasını azaltmaq, lehim sıçramasını azaltmaq və ya aradan qaldırmaq üçün) və lehim pastası ilə çap olunur. qalınlığı 50 μm (yuxarıdakı sınaq nəticələri 100 μm-in ən yaxşı olduğunu göstərir, ona görə də ikinci dərəcəli çapın qalınlığı 100 μm-dir.50 μm=50 μm), sonra çipi quraşdırın və sonra 80 s ərzində geri qayıdın.Birinci çapdan və təkrar axmadan sonra lehimdə demək olar ki, heç bir deşik yoxdur və ikinci çapda lehim pastası kiçik, qaynaq dəliyi isə Şəkil 14-də göstərildiyi kimi kiçikdir.
Lehim pastasının iki çapından sonra içi boş rəsm
4.3 Qaynaq boşluğunun təsirinin yoxlanılması
2000 məhsulun istehsalı (ilk çap polad mesh qalınlığı 75 μm, ikinci çap polad mesh qalınlığı 50 μm), digər şərtlər dəyişməz, 500 QFN və çip qaynaq boşluğu dərəcəsi təsadüfi ölçülməsi, yeni proses olduğunu aşkar etdi. birinci reflüdən sonra boşluq yoxdur, ikinci reflüksdən sonra QFN Maksimum qaynaq boşluğunun dərəcəsi 4,8%, çipin maksimum qaynaq boşluğunun dərəcəsi isə 4,1% təşkil edir.Orijinal tək pastalı çap qaynaq prosesi və DOE optimallaşdırılmış prosesi ilə müqayisədə, Şəkil 15-də göstərildiyi kimi, qaynaq boşluğu əhəmiyyətli dərəcədə azaldılır. Bütün məhsulların funksional sınaqlarından sonra çip çatlaqları aşkar edilmədi.
5 Xülasə
Lehim pastası çap miqdarının və geri axını vaxtının optimallaşdırılması qaynaq boşluğunun sahəsini azalda bilər, lakin qaynaq boşluğunun dərəcəsi hələ də böyükdür.İki lehim pastası çapının təkrar qaynaq üsullarından istifadə qaynaq boşluğunun dərəcəsini effektiv şəkildə artıra və maksimum dərəcədə artıra bilər.QFN dövrəsinin çılpaq çipinin qaynaq sahəsi kütləvi istehsalda müvafiq olaraq 4,4 mm x4,1 mm və 3,0 mm x2,3 mm ola bilər.Bu yazıda aparılan tədqiqatlar böyük sahəli qaynaq səthinin qaynaq boşluğu problemini yaxşılaşdırmaq üçün mühüm istinad təmin edir.