1 Introduzione
In l'assemblea di a scheda di circuitu, a pasta di saldatura hè stampata prima nantu à u pad di saldatura di a scheda di circuitu, è dopu i vari cumpunenti elettronichi sò fissati. Infine, dopu à u fornu di rifusione, e perle di stagnu in a pasta di saldatura sò fuse è tutti i tipi di cumpunenti elettronichi è u pad di saldatura di a scheda di circuitu sò saldati inseme per realizà l'assemblea di sottomoduli elettrici. A tecnulugia di montaggio superficiale (sMT) hè sempre più aduprata in i prudutti di imballaggio ad alta densità, cum'è i dispositivi di imballaggio à livellu di sistema (siP), i dispositivi ballgridarray (BGA) è u chip nudu di putenza, u dispositivu di imballaggio quadratu pianu senza pin (quad aatNo-lead, chjamatu QFN).
A causa di e caratteristiche di u prucessu di saldatura di pasta di saldatura è di i materiali, dopu a saldatura à riflussu di sti dispositivi à grande superficia di saldatura, ci saranu buchi in l'area di saldatura à saldatura, chì affettanu e proprietà elettriche, e proprietà termiche è e proprietà meccaniche di u pruduttu. Prestazioni, è ancu portanu à un fallimentu di u pruduttu, dunque, migliurà a cavità di saldatura à riflussu di pasta di saldatura hè diventatu un prublema di prucessu è tecnicu chì deve esse risoltu, alcuni circadori anu analizatu è studiatu e cause di a cavità di saldatura à sfera di saldatura BGA, è anu furnitu suluzioni di miglioramentu, l'area di saldatura di u prucessu di saldatura à riflussu di pasta di saldatura cunvinziunale di QFN più grande di 10 mm2 o l'area di saldatura più grande di 6 mm2 manca a suluzione à chip nudu.
Aduprate a saldatura Preformsolder è a saldatura à fornu à reflux à vuoto per migliurà u foru di saldatura. A saldatura prefabbricata richiede un equipaggiamentu speciale per puntà u flussu. Per esempiu, u chip hè sfalsatu è inclinatu seriamente dopu chì u chip hè piazzatu direttamente nantu à a saldatura prefabbricata. Se u chip di montaggio di flussu hè riflussatu è poi puntà, u prucessu hè aumentatu di dui riflussi, è u costu di a saldatura prefabbricata è di u materiale di flussu hè assai più altu ch'è a pasta di saldatura.
L'equipaggiu di refluxu à vuoto hè più caru, a capacità di vuoto di a camera di vuoto indipendente hè assai bassa, u rendimentu di u costu ùn hè micca altu, è u prublema di schizzi di stagnu hè seriu, chì hè un fattore impurtante in l'applicazione di prudutti à alta densità è à picculu passu. In questu articulu, basatu annantu à u prucessu di saldatura à reflow di pasta di saldatura cunvinziunale, un novu prucessu di saldatura à reflow secundariu hè sviluppatu è introduttu per migliurà a cavità di saldatura è risolve i prublemi di incollaggio è di frattura di a guarnizione plastica causati da a cavità di saldatura.
2 Cavità di saldatura à reflow per stampa di pasta di saldatura è mecanismu di pruduzzione
2.1 Cavità di saldatura
Dopu a saldatura à rifusione, u pruduttu hè statu testatu sottu à i raggi X. I fori in a zona di saldatura cù un culore più chjaru sò stati trovati duvuti à una saldatura insufficiente in u stratu di saldatura, cum'è mostratu in a Figura 1.
Rilevazione à raggi X di u foru di bolla
2.2 Meccanismu di furmazione di a cavità di saldatura
Pigliendu cum'è esempiu a pasta di saldatura sAC305, a cumpusizione è a funzione principale sò mostrate in a Tavula 1. U flussu è e perle di stagnu sò ligate inseme in forma di pasta. U rapportu di pesu trà a saldatura di stagnu è u flussu hè di circa 9:1, è u rapportu di vulume hè di circa 1:1.
Dopu chì a pasta di saldatura hè stata stampata è muntata cù diversi cumpunenti elettronichi, a pasta di saldatura subirà quattru tappe di preriscaldamentu, attivazione, reflux è raffreddamentu quandu passa per u fornu di reflux. U statu di a pasta di saldatura hè ancu diversu cù diverse temperature in diverse tappe, cum'è mostratu in a Figura 2.
Riferimentu di prufilu per ogni zona di saldatura à riflussu
In a fase di preriscaldamentu è attivazione, i cumpunenti volatili in u flussu in a pasta di saldatura saranu volatilizati in gas quandu sò riscaldati. À u listessu tempu, i gasi saranu prudutti quandu l'ossidu nantu à a superficia di u stratu di saldatura hè eliminatu. Alcuni di sti gasi si volatilizeranu è abbanduneranu a pasta di saldatura, è e perle di saldatura saranu strettamente condensate per via di a volatilizazione di u flussu. In a fase di reflux, u flussu restante in a pasta di saldatura evaporerà rapidamente, e perle di stagnu si scioglieranu, una piccula quantità di gas volatile di flussu è a maiò parte di l'aria trà e perle di stagnu ùn saranu micca disperse in tempu, è i residui in u stagnu fusu è sottu a tensione di u stagnu fusu sò una struttura di sandwich di hamburger è sò catturati da u pad di saldatura di a scheda di circuitu è i cumpunenti elettronichi, è u gasu avvoltu in u stagnu liquidu hè difficiule da scappà solu per via di a galleggiabilità ascendente. U tempu di fusione superiore hè assai cortu. Quandu u stagnu fusu si raffredda è diventa stagnu solidu, i pori appariscenu in u stratu di saldatura è si formanu fori di saldatura, cum'è mostratu in a Figura 3.
Schema di u vuotu generatu da a saldatura à rifusione di pasta di saldatura
A causa principale di a cavità di saldatura hè chì l'aria o u gasu volatile avvoltu in a pasta di saldatura dopu a fusione ùn hè micca cumpletamente scaricatu. I fattori chì influenzanu includenu u materiale di a pasta di saldatura, a forma di stampa di a pasta di saldatura, a quantità di stampa di a pasta di saldatura, a temperatura di reflux, u tempu di reflux, a dimensione di a saldatura, a struttura è cusì.
3. Verificazione di i fattori d'influenza di i fori di saldatura à riflussu per a stampa di pasta di saldatura
I testi QFN è di chip nudu sò stati utilizati per cunfirmà e cause principali di i vuoti di saldatura à riflussu, è per truvà modi per migliurà i vuoti di saldatura à riflussu stampati da a pasta di saldatura. U prufilu di u pruduttu di saldatura à riflussu QFN è di pasta di saldatura à chip nudu hè mostratu in a Figura 4, a dimensione di a superficia di saldatura QFN hè 4,4 mm x 4,1 mm, a superficia di saldatura hè un stratu stagnatu (100% stagnu puru); A dimensione di saldatura di u chip nudu hè 3,0 mm x 2,3 mm, u stratu di saldatura hè un stratu bimetallicu di nichel-vanadiu sputterizatu, è u stratu superficiale hè vanadiu. U pad di saldatura di u sustratu era immersione d'oru di nichel-palladiu senza elettrodi, è u spessore era 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm. Hè aduprata pasta di saldatura SAC305, l'equipaggiu di stampa di pasta di saldatura hè DEK Horizon APix, l'equipaggiu di fornu à riflussu hè BTUPyramax150N, è l'equipaggiu à raggi X hè DAGExD7500VR.
Disegni di saldatura QFN è à trucioli nudi
Per facilità a paragunazione di i risultati di e prove, a saldatura à rifusione hè stata effettuata in e cundizioni di a Tabella 2.
Tavula di e cundizioni di saldatura à riflussu
Dopu à u montaggio superficiale è a saldatura à riflussu, u stratu di saldatura hè statu rilevatu da i raggi X, è hè statu trovu chì ci eranu grandi fori in u stratu di saldatura in u fondu di QFN è in u chip nudu, cum'è mostratu in a Figura 5.
QFN è Ologramma di Chip (raggi X)
Siccomu a dimensione di a perla di stagnu, u spessore di a maglia d'acciaiu, a velocità di l'area d'apertura, a forma di a maglia d'acciaiu, u tempu di reflux è a temperatura di piccu di u fornu influenzanu tutti i vuoti di saldatura à reflow, ci sò parechji fattori d'influenza, chì saranu verificati direttamente da u test DOE, è u numeru di gruppi sperimentali serà troppu grande. Hè necessariu di screening è determinà rapidamente i principali fattori d'influenza per mezu di u test di paragone di currelazione, è dopu ottimizà ulteriormente i principali fattori d'influenza per mezu di DOE.
3.1 Dimensioni di i fori di saldatura è di e perle di stagnu di pasta di saldatura
Cù a prova di pasta di saldatura SAC305 di tipu 3 (dimensione di u perli 25-45 μm), l'altre cundizioni restanu invariate. Dopu a rifusione, i fori in u stratu di saldatura sò misurati è paragunati cù a pasta di saldatura di tipu 4. Si trova chì i fori in u stratu di saldatura ùn sò micca significativamente diffirenti trà i dui tipi di pasta di saldatura, ciò chì indica chì a pasta di saldatura cù diverse dimensioni di perli ùn hà micca influenza evidente nantu à i fori in u stratu di saldatura, ciò chì ùn hè micca un fattore d'influenza, cum'è mostratu in a FIG. 6.
Paragone di i fori di polvere di stagnu metallicu cù diverse dimensioni di particelle
3.2 Spessore di a cavità di saldatura è di a maglia d'acciaio stampata
Dopu a rifusione, l'area di a cavità di u stratu saldatu hè stata misurata cù a maglia d'acciaio stampata cù u spessore di 50 μm, 100 μm è 125 μm, è l'altre cundizioni sò rimaste invariate. Hè statu trovu chì l'effettu di diversi spessori di a maglia d'acciaio (pasta di saldatura) nantu à QFN hè statu paragunatu cù quellu di a maglia d'acciaio stampata cù u spessore di 75 μm. Cù l'aumentu di u spessore di a maglia d'acciaio, l'area di a cavità diminuisce gradualmente. Dopu avè righjuntu un certu spessore (100 μm), l'area di a cavità s'inverterà è cumincierà à aumentà cù l'aumentu di u spessore di a maglia d'acciaio, cum'è mostratu in a Figura 7.
Questu mostra chì quandu a quantità di pasta di saldatura hè aumentata, u stagnu liquidu cù reflux hè cupertu da u chip, è l'uscita di l'aria residuale hè stretta solu da quattru lati. Quandu a quantità di pasta di saldatura hè cambiata, l'uscita di l'aria residuale hè ancu aumentata, è a raffica istantanea d'aria avvolta in stagnu liquidu o gas volatile chì scappa da u stagnu liquidu farà chì u stagnu liquidu schizzi intornu à QFN è u chip.
A prova hà trovu chì cù l'aumentu di u spessore di a maglia d'acciaio, u scoppiu di bolle causatu da a fuga d'aria o di gas volatile aumenterà ancu, è a probabilità di schizzi di stagnu intornu à QFN è u chip aumenterà ancu di conseguenza.
Paragone di fori in maglia d'acciaio di diversi spessori
3.3 Rapportu di l'area di a cavità di saldatura è di l'apertura di a maglia d'acciaiu
A maglia d'acciaio stampata cù una velocità d'apertura di 100%, 90% è 80% hè stata testata, è l'altre cundizioni sò rimaste invariate. Dopu a rifusione, l'area di a cavità di u stratu saldatu hè stata misurata è paragunata cù a maglia d'acciaio stampata cù una velocità d'apertura di 100%. Hè statu trovu chì ùn ci era micca una differenza significativa in a cavità di u stratu saldatu in e cundizioni di a velocità d'apertura di 100% è 90% 80%, cum'è mostratu in a Figura 8.
Cunfrontu di cavità di diverse zone d'apertura di diverse maglie d'acciaio
3.4 Cavità saldata è forma di maglia d'acciaio stampata
Cù a prova di forma di stampa di a pasta di saldatura di a striscia b è di a griglia inclinata c, l'altre cundizioni restanu invariate. Dopu a rifusione, l'area di a cavità di u stratu di saldatura hè misurata è paragunata cù a forma di stampa di a griglia a. Si constata chì ùn ci hè micca differenza significativa in a cavità di u stratu di saldatura in e cundizioni di griglia, striscia è griglia inclinata, cum'è mostratu in a Figura 9.
Paragone di i fori in diverse modalità d'apertura di a maglia d'acciaiu
3.5 Cavità di saldatura è tempu di reflux
Dopu à una prova di tempu di reflux prulungata (70 s, 80 s, 90 s), l'altre cundizioni restanu invariate, u foru in u stratu di saldatura hè statu misuratu dopu à u reflux, è paragunatu cù u tempu di reflux di 60 s, hè statu trovu chì cù l'aumentu di u tempu di reflux, l'area di u foru di saldatura hè diminuita, ma l'amplitude di riduzione hè diminuita gradualmente cù l'aumentu di u tempu, cum'è mostratu in a Figura 10. Questu mostra chì in casu di tempu di reflux insufficiente, l'aumentu di u tempu di reflux hè favurevule à u traboccu cumpletu di l'aria avvolta in u stagnu liquidu fusu, ma dopu chì u tempu di reflux aumenta à un certu tempu, l'aria avvolta in u stagnu liquidu hè difficiule à traboccà di novu. U tempu di reflux hè unu di i fattori chì influenzanu a cavità di saldatura.
Cunfrontu di vuoti di diverse durate di reflux
3.6 Cavità di saldatura è temperatura massima di u fornu
Cù una prova di temperatura di piccu di u fornu di 240 ℃ è 250 ℃ è altre cundizioni invariate, l'area di a cavità di u stratu saldatu hè stata misurata dopu a rifusione, è paragunata cù a temperatura di piccu di u fornu di 260 ℃, hè statu trovu chì in diverse cundizioni di temperatura di piccu di u fornu, a cavità di u stratu saldatu di QFN è di u chip ùn hè micca cambiata significativamente, cum'è mostratu in a Figura 11. Mostra chì diverse temperature di piccu di u fornu ùn anu micca effettu evidenti nantu à QFN è u foru in u stratu di saldatura di u chip, chì ùn hè micca un fattore influente.
Cunfrontu viotu di diverse temperature di piccu
I testi sopra indicanu chì i fattori significativi chì affettanu a cavità di u stratu di saldatura di QFN è di u chip sò u tempu di reflux è u spessore di a maglia d'acciaio.
4 Miglioramentu di a cavità di saldatura à reflow per a stampa di pasta di saldatura
4.1 Test DOE per migliurà a cavità di saldatura
U foru in u stratu di saldatura di QFN è di u chip hè statu migliuratu truvendu u valore ottimale di i principali fattori d'influenza (tempu di reflux è spessore di a maglia d'acciaio). A pasta di saldatura era SAC305 type4, a forma di a maglia d'acciaio era di tipu griglia (gradu d'apertura 100%), a temperatura di piccu di u fornu era di 260 ℃, è l'altre cundizioni di prova eranu listesse à quelle di l'equipaggiu di prova. A prova DOE è i risultati sò stati mostrati in a Tabella 3. L'influenze di u spessore di a maglia d'acciaio è di u tempu di reflux nantu à i fori di saldatura QFN è di u chip sò mostrate in a Figura 12. Attraversu l'analisi d'interazione di i principali fattori d'influenza, si hè trovu chì l'usu di un spessore di maglia d'acciaio di 100 μm è un tempu di reflux di 80 s pò riduce significativamente a cavità di saldatura di QFN è di u chip. A velocità di a cavità di saldatura di QFN hè ridutta da u massimu di 27,8% à u 16,1%, è a velocità di a cavità di saldatura di u chip hè ridutta da u massimu di 20,5% à u 14,5%.
In a prova, 1000 prudutti sò stati pruduciuti in cundizioni ottimali (spessore di maglia d'acciaio di 100 μm, tempu di reflux di 80 s), è a velocità di cavità di saldatura di 100 QFN è di u chip hè stata misurata à casu. A velocità media di cavità di saldatura di QFN era di 16,4%, è a velocità media di cavità di saldatura di u chip era di 14,7%. A velocità di cavità di saldatura di u chip è di u chip hè ovviamente ridutta.
4.2 U novu prucessu migliora a cavità di saldatura
A situazione di pruduzzione attuale è i testi mostranu chì quandu l'area di a cavità di saldatura in u fondu di u chip hè menu di 10%, u prublema di cracking di pusizione di a cavità di u chip ùn si verificarà micca durante u ligame è u stampaggio di piombu. I parametri di prucessu ottimizzati da DOE ùn ponu micca risponde à i requisiti di analisi è risoluzione di i fori in a saldatura convenzionale di riflussu di pasta di saldatura, è a velocità di l'area di a cavità di saldatura di u chip deve esse ulteriormente ridutta.
Siccomu u chip cupertu nantu à a saldatura impedisce à u gasu in a saldatura di scappà, a velocità di i fori in u fondu di u chip hè ulteriormente ridutta eliminendu o riducendu u gasu rivestitu di saldatura. Un novu prucessu di saldatura à reflow cù duie stampa di pasta di saldatura hè aduttatu: una stampa di pasta di saldatura, una reflow chì ùn copre micca QFN è u chip nudu chì scarica u gasu in a saldatura; U prucessu specificu di stampa secundaria di pasta di saldatura, patch è refluxu secundariu hè mostratu in a Figura 13.
Quandu a pasta di saldatura di 75 μm di spessore hè stampata per a prima volta, a maiò parte di u gasu in a saldatura senza copertura di chip scappa da a superficia, è u spessore dopu u refluxu hè di circa 50 μm. Dopu à u cumpletamentu di u refluxu primariu, picculi quadrati sò stampati nantu à a superficia di a saldatura solidificata raffreddata (per riduce a quantità di pasta di saldatura, riduce a quantità di fuoriuscita di gasu, riduce o eliminà i spruzzi di saldatura), è a pasta di saldatura cù un spessore di 50 μm (i risultati di i testi sopra mostranu chì 100 μm hè u megliu, dunque u spessore di a stampa secundaria hè 100 μm.50 μm = 50 μm), poi installate u chip, è poi vultate per 80 s. Ùn ci hè quasi nisun foru in a saldatura dopu a prima stampa è reflow, è a pasta di saldatura in a seconda stampa hè chjuca, è u foru di saldatura hè chjucu, cum'è mostratu in a Figura 14.
Dopu à duie stampe di pasta di saldatura, disegnu cavu
4.3 Verificazione di l'effettu di a cavità di saldatura
Pruduzzione di 2000 prudutti (u spessore di a prima maglia d'acciaio di stampa hè 75 μm, u spessore di a seconda maglia d'acciaio di stampa hè 50 μm), altre cundizioni invariate, misurazione aleatoria di 500 QFN è a velocità di cavità di saldatura di chip, hà trovu chì u novu prucessu dopu à u primu reflux ùn hà cavità, dopu à u secondu reflux QFN A velocità massima di cavità di saldatura hè 4,8%, è a velocità massima di cavità di saldatura di u chip hè 4,1%. In paragone cù u prucessu di saldatura di stampa à pasta unica originale è u prucessu ottimizatu DOE, a cavità di saldatura hè significativamente ridutta, cum'è mostratu in a Figura 15. Nisuna crepa di chip hè stata trovata dopu à e prove funziunali di tutti i prudutti.
5 Riassuntu
L'ottimisazione di a quantità di stampa di pasta di saldatura è di u tempu di refluxu pò riduce l'area di a cavità di saldatura, ma a velocità di a cavità di saldatura hè sempre grande. L'usu di duie tecniche di saldatura à reflow per a stampa di pasta di saldatura pò massimizà efficacemente a velocità di a cavità di saldatura. L'area di saldatura di u chip nudu di u circuitu QFN pò esse rispettivamente di 4,4 mm x 4,1 mm è 3,0 mm x 2,3 mm in a pruduzzione di massa. A velocità di a cavità di a saldatura à reflow hè cuntrullata sottu à u 5%, ciò chì migliora a qualità è l'affidabilità di a saldatura à reflow. A ricerca in questu articulu furnisce una riferenza impurtante per migliurà u prublema di a cavità di saldatura di una grande superficia di saldatura.
Data di publicazione: 05 lugliu 2023
