SMT uporablja analizo in rešitev za varjenje votlin z zračnim reflowom, ki je običajno pri spajkanju s spajkalno pasto (izdaja Essence 2023), zaslužite si jo!
1 Uvod
Pri sestavljanju tiskanega vezja se spajkalna pasta najprej natisne na spajkalno blazinico tiskanega vezja, nato pa se pritrdijo različne elektronske komponente. Nazadnje se po reflow peči kositrove kroglice v spajkalni pasti stopijo in vse vrste elektronskih komponent ter spajkalna blazinica tiskanega vezja se zvarijo skupaj, da se izvede sestavljanje električnih podmodulov. Tehnologija površinske montaže (SMT) se vse pogosteje uporablja v izdelkih z visoko gostoto pakiranja, kot so sistemska pakiranja (siP), naprave s krogličnim gridarrayom (BGA) in naprave z golimi čipi, kvadratnimi ravnimi brezpinskimi pakiranji (quad AA/No-lead, imenovane QFN).
Zaradi značilnosti postopka varjenja s spajkalno pasto in materialov se po reflow varjenju teh naprav z veliko spajkalno površino na območju spajkanja pojavijo luknje, ki vplivajo na električne, toplotne in mehanske lastnosti izdelka ter celo povzročijo okvaro izdelka. Izboljšanje varilne votline s reflow spajkalno pasto je postalo procesni in tehnični problem, ki ga je treba rešiti. Nekateri raziskovalci so analizirali in preučevali vzroke varilne votline s spajkalno kroglico BGA ter ponudili rešitve za izboljšanje. Pri običajnem postopku reflow varjenja s spajkalno pasto, ki ima varilno površino QFN večjo od 10 mm2 ali varilno površino večjo od 6 mm2, ni rešitve za gole čipe.
Za izboljšanje varilne luknje uporabite varjenje s predoblikovanim spajkanjem in varjenje z vakuumsko refluksno pečjo. Za predobdelano spajkanje je potrebna posebna oprema za konico fluksa. Na primer, čip je po namestitvi čipa neposredno na predobdelano spajko močno odmaknjen in nagnjen. Če se čip za namestitev fluksa ponovno tali in nato konica, se postopek dvakrat podaljša, stroški predobdelanega spajka in fluksa pa so veliko višji od stroškov spajkalne paste.
Oprema za vakuumsko refluksiranje je dražja, vakuumska zmogljivost neodvisne vakuumske komore je zelo nizka, stroškovna učinkovitost ni visoka, problem brizganja kositra pa je resen, kar je pomemben dejavnik pri uporabi izdelkov z visoko gostoto in majhnim korakom. V tem članku je na podlagi običajnega postopka reflow varjenja s spajkalno pasto razvit in predstavljen nov postopek sekundarnega reflow varjenja za izboljšanje varilne votline in reševanje težav z lepljenjem in razpokami plastičnih tesnil, ki jih povzroča varilna votlina.
2. Votlina za reflow varjenje s tiskanjem spajkalne paste in proizvodni mehanizem
2.1 Varilna votlina
Po reflow varjenju je bil izdelek preizkušen pod rentgenskim pregledom. Ugotovljeno je bilo, da so luknje v varilnem območju s svetlejšo barvo posledica nezadostne količine spajke v varilnem sloju, kot je prikazano na sliki 1.
Rentgensko zaznavanje mehurčkaste luknje
2.2 Mehanizem nastanka varilne votline
Na primeru spajkalne paste sAC305 sta glavna sestava in funkcija prikazani v tabeli 1. Talilo in kositrove kroglice so skupaj vezane v pasto. Masno razmerje med kositrovo spajko in talilom je približno 9:1, volumsko razmerje pa približno 1:1.
Ko je spajkalna pasta natisnjena in pritrjena z različnimi elektronskimi komponentami, bo spajkalna pasta med prehodom skozi refluksno peč prestala štiri faze predgrevanja, aktivacije, refluksa in hlajenja. Stanje spajkalne paste se razlikuje tudi glede na temperaturo v različnih fazah, kot je prikazano na sliki 2.
Referenčni profil za vsako območje spajkanja s ponovnim nanosom
V fazi predgrevanja in aktivacije se hlapne sestavine v fluksu v spajkalni pasti pri segrevanju uparijo v plin. Hkrati se pri odstranjevanju oksida na površini varilne plasti proizvajajo plini. Nekateri od teh plinov bodo uparili in zapustili spajkalno pasto, spajkalne kroglice pa se bodo zaradi uparjanja fluksa močno zgostile. V fazi refluksa preostali fluks v spajkalni pasti hitro izhlapi, kositrove kroglice se stopijo, majhna količina hlapnega plina fluksa in večina zraka med kositrovimi kroglicami se ne bodo pravočasno razpršili, preostali del v staljeni kositru in pod napetostjo staljenega kositra pa ima strukturo hamburger-sendviča in ga ujamejo spajkalna ploščica na vezju in elektronske komponente, plin, ovit v tekoči kositer, pa je težko uiti le zaradi vzgona navzgor. Čas taljenja zgornje plasti je zelo kratek. Ko se staljeni kositer ohladi in postane trden, se v varilni plasti pojavijo pore in nastanejo spajkalne luknje, kot je prikazano na sliki 3.
Shematski diagram praznine, ki nastane pri varjenju s spajkalno pasto
Osnovni vzrok za nastanek varilne votline je, da se zrak ali hlapni plin, ki je ovit v spajkalno pasto po taljenju, ne sprosti v celoti. Med vplivne dejavnike spadajo material spajkalne paste, oblika nanosa spajkalne paste, količina nanosa spajkalne paste, temperatura refluksa, čas refluksa, velikost varjenja, struktura in tako naprej.
3. Preverjanje vplivnih dejavnikov pri tiskanju s spajkalno pasto na varilne luknje
Za potrditev glavnih vzrokov za nastanek praznin pri reflow varjenju in za iskanje načinov za izboljšanje praznin pri reflow varjenju, natisnjenih s spajkalno pasto, so bili uporabljeni testi QFN in testi z golimi odrezki, pridobljeni s reflow varjenjem. Profil izdelka za reflow varjenje s spajkalno pasto QFN in golimi odrezki je prikazan na sliki 4. Velikost varjene površine QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, varjena površina je iz kositrjene plasti (100 % čisti kositer); velikost varjenega golega odrezka je 3,0 mm x 2,3 mm, varjena plast je iz brizgane bimetalne plasti nikelj-vanadij, površinska plast pa je iz vanadija. Varilna blazinica substrata je bila breztokovno nanešena z zlatom iz nikelj-paladija, debelina pa je bila 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Uporabljena je bila spajkalna pasta SAC305, oprema za tiskanje spajkalne paste je DEK Horizon APix, oprema za refluksno peč je BTUPyramax150N, rentgenska oprema pa je DAGExD7500VR.
Risbe varjenja QFN in golih odrezkov
Za lažjo primerjavo rezultatov preskusov je bilo varjenje s ponovnim navarjanjem izvedeno pod pogoji, navedenimi v tabeli 2.
Tabela pogojev reflow varjenja
Po končanem površinskem montaži in reflow varjenju je bila varilna plast zaznana z rentgenskim slikanjem in ugotovljeno je bilo, da so v varilni plasti na dnu QFN in golem odrezku velike luknje, kot je prikazano na sliki 5.
QFN in čipni hologram (rentgenski žarki)
Ker velikost kositrnih kroglic, debelina jeklene mreže, hitrost odpiranja, oblika jeklene mreže, čas refluksa in najvišja temperatura peči vplivajo na praznine pri reflow varjenju, obstaja veliko vplivnih dejavnikov, ki jih bo neposredno preveril test DOE, število eksperimentalnih skupin pa bo preveliko. Potrebno je hitro pregledati in določiti glavne vplivne dejavnike s korelacijskim primerjalnim testom, nato pa glavne vplivne dejavnike dodatno optimizirati z DOE.
3.1 Dimenzije spajkalnih lukenj in kositrnih kroglic spajkalne paste
Pri preskusu spajkalne paste SAC305 tipa 3 (velikost zrn 25–45 μm) ostanejo drugi pogoji nespremenjeni. Po ponovnem talilu se izmerijo luknje v spajkalni plasti in primerjajo s spajkalno pasto tipa 4. Ugotovljeno je, da se luknje v spajkalni plasti med obema vrstama spajkalne paste bistveno ne razlikujejo, kar kaže, da spajkalna pasta z različno velikostjo zrn nima očitnega vpliva na luknje v spajkalni plasti, kar ni vplivni dejavnik, kot je prikazano na sliki 6.
Primerjava lukenj kovinskega kositrovega prahu z različnimi velikostmi delcev
3.2 Debelina varilne votline in tiskane jeklene mreže
Po ponovnem varjenju je bila površina votline varjene plasti izmerjena z natisnjeno jekleno mrežo debeline 50 μm, 100 μm in 125 μm, drugi pogoji pa so ostali nespremenjeni. Ugotovljeno je bilo, da je bil vpliv različnih debelin jeklene mreže (spajkalne paste) na QFN primerjan z vplivom natisnjene jeklene mreže debeline 75 μm. Z naraščanjem debeline jeklene mreže se površina votline postopoma zmanjšuje. Ko doseže določeno debelino (100 μm), se površina votline obrne in začne naraščati z naraščanjem debeline jeklene mreže, kot je prikazano na sliki 7.
To kaže, da ko se količina spajkalne paste poveča, čip prekrije tekoči kositer z refluksom, izhod preostalega zraka pa je ozek le na štirih straneh. Ko se količina spajkalne paste spremeni, se poveča tudi izhod preostalega zraka, in takojšen izbruh zraka, ovitega v tekoči kositer, ali hlapnega plina, ki uhaja iz tekočega kositra, povzroči, da tekoči kositer brizga okoli QFN in čipa.
Preskus je pokazal, da se z naraščanjem debeline jeklene mreže poveča tudi pokanje mehurčkov, ki ga povzroči uhajanje zraka ali hlapnega plina, in ustrezno se poveča tudi verjetnost brizganja kositra okoli QFN in odrezka.
Primerjava lukenj v jekleni mreži različnih debelin
3.3 Razmerje površin varilne votline in odprtine jeklene mreže
Preizkušena je bila tiskana jeklena mreža z odpiralno stopnjo 100 %, 90 % in 80 %, pri čemer so ostali pogoji ostali nespremenjeni. Po ponovnem valovanju je bila izmerjena površina votline varjene plasti in primerjana s tiskano jekleno mrežo s 100-odstotno odpiralno stopnjo. Ugotovljeno je bilo, da ni bistvene razlike v votlini varjene plasti pri pogojih odpiralne stopnje 100 % in 90 % 80 %, kot je prikazano na sliki 8.
Primerjava votlin različnih površin odprtin različnih jeklenih mrež
3.4 Varjena votlina in tiskana jeklena mrežasta oblika
Pri preizkusu tiskarske oblike spajkalne paste traku b in nagnjene mreže c ostanejo drugi pogoji nespremenjeni. Po ponovnem taljenju se izmeri površina votline varilne plasti in primerja z tiskarsko obliko mreže a. Ugotovljeno je, da ni bistvene razlike v votlini varilne plasti pri pogojih mreže, traku in nagnjene mreže, kot je prikazano na sliki 9.
Primerjava lukenj pri različnih načinih odpiranja jeklene mreže
3.5 Varilna votlina in čas refluksa
Po daljšem času refluksa (70 s, 80 s, 90 s), pri čemer so ostali pogoji ostali nespremenjeni, je bila po refluksu izmerjena luknja v varilni plasti in v primerjavi s časom refluksa 60 s ugotovljeno, da se je z naraščajočim časom refluksa površina varilne luknje zmanjšala, vendar se je amplituda zmanjšanja postopoma zmanjševala z naraščajočim časom, kot je prikazano na sliki 10. To kaže, da v primeru nezadostnega časa refluksa povečanje časa refluksa prispeva k popolnemu prelivanju zraka, ovitega v staljeno tekočo kositer, vendar se po določenem času časa refluksa zrak, ovit v tekočo kositer, težko ponovno preliva. Čas refluksa je eden od dejavnikov, ki vplivajo na varilno votlino.
Neveljavna primerjava različnih dolžin časa refluksa
3.6 Varilna votlina in najvišja temperatura peči
Pri preskusu najvišje temperature peči pri 240 ℃ in 250 ℃ ter drugih nespremenjenih pogojih je bila po ponovnem talinju izmerjena površina votline varjene plasti in v primerjavi z najvišjo temperaturo peči pri 260 ℃ ugotovljeno, da se pri različnih pogojih najvišje temperature peči votlina varjene plasti QFN in odrezka ni bistveno spremenila, kot je prikazano na sliki 11. Slika kaže, da različna najvišja temperatura peči nima očitnega vpliva na QFN in luknjo v varjeni plasti odrezka, kar ni vplivni dejavnik.
Neveljavna primerjava različnih najvišjih temperatur
Zgornji testi kažejo, da sta pomembna dejavnika, ki vplivata na votlino varilne plasti QFN in odrezek, čas refluksa in debelina jeklene mreže.
4 Izboljšanje votline za reflow varjenje s tiskanjem spajkalne paste
4.1 DOE test za izboljšanje varilne votline
Luknja v varilni plasti QFN in odrezka je bila izboljšana z iskanjem optimalne vrednosti glavnih vplivnih dejavnikov (čas refluksa in debelina jeklene mreže). Spajkalna pasta je bila SAC305 tipa 4, oblika jeklene mreže je bila mrežastega tipa (100 % stopnja odpiranja), najvišja temperatura peči je bila 260 ℃, drugi preskusni pogoji pa so bili enaki kot pri preskusni opremi. Preskus DOE in rezultati so prikazani v tabeli 3. Vpliv debeline jeklene mreže in časa refluksa na QFN in varilne luknje odrezka je prikazan na sliki 12. Z analizo interakcij glavnih vplivnih dejavnikov je bilo ugotovljeno, da lahko uporaba debeline jeklene mreže 100 μm in časa refluksa 80 s znatno zmanjša varilno votlino QFN in odrezka. Stopnja varilne votline QFN se je zmanjšala z največjih 27,8 % na 16,1 %, stopnja varilne votline odrezka pa se je zmanjšala z največjih 20,5 % na 14,5 %.
V testu je bilo izdelanih 1000 izdelkov pod optimalnimi pogoji (debelina jeklene mreže 100 μm, čas refluksa 80 s), naključno pa je bila izmerjena stopnja varilnih votlin 100 QFN in odrezka. Povprečna stopnja varilnih votlin QFN je bila 16,4 %, povprečna stopnja varilnih votlin odrezka pa 14,7 %. Stopnja varilnih votlin odrezka in odrezka se je očitno zmanjšala.
4.2 Novi postopek izboljša varilno votlino
Dejanske proizvodne razmere in testi kažejo, da se pri varjenju in oblikovanju čipa, ko je površina varilne votline na dnu manjša od 10 %, težave z razpokami na mestu varjenja čipa ne bodo pojavile med spajanjem in brizganjem svinca. Procesni parametri, ki jih je optimiziral DOE, ne morejo izpolniti zahtev za analizo in reševanje lukenj pri običajnem reflow varjenju s spajkalno pasto, zato je treba stopnjo površine varilne votline čipa še dodatno zmanjšati.
Ker čip, prekrit s spajko, preprečuje uhajanje plina v spajki, se stopnja lukenj na dnu čipa dodatno zmanjša z odstranitvijo ali zmanjšanjem plina, prevlečenega s spajko. Uporabljen je nov postopek reflow varjenja z dvema nanosoma spajkalne paste: en nanos spajkalne paste, en reflow, ki ne prekriva QFN, in gol čip, ki oddaja plin v spajki; specifičen postopek sekundarnega nanosa spajkalne paste, obliža in sekundarnega refluksa je prikazan na sliki 13.
Ko se prvič natisne spajkalna pasta debeline 75 μm, večina plina v spajki brez pokrova čipa uide s površine, debelina po refluksu pa je približno 50 μm. Po zaključku primarnega refluksa se na površino ohlajenega strjenega spajka natisnejo majhni kvadratki (da se zmanjša količina spajkalne paste, zmanjša količina razlitja plina, zmanjša ali odpravi brizganje spajke) in spajkalna pasta z debelino 50 μm (zgornji rezultati preskusov kažejo, da je 100 μm najboljša debelina, zato je debelina sekundarnega tiska 100 μm. 50 μm = 50 μm), nato se namesti čip in se po 80 sekundah vrne. Po prvem tisku in ponovnem nanosu skoraj ni lukenj v spajki, spajkalna pasta pri drugem tisku pa je majhna in varilna luknja je majhna, kot je prikazano na sliki 14.
Po dveh odtisih spajkalne paste, votla risba
4.3 Preverjanje vpliva varilne votline
Proizvodnja 2000 izdelkov (debelina prve tiskarske jeklene mreže je 75 μm, debelina druge tiskarske jeklene mreže je 50 μm), drugi pogoji nespremenjeni, naključna meritev 500 QFN in stopnje varjenja votline odrezkov je pokazala, da novi postopek po prvem refluksu ni votline, po drugem refluksu QFN pa je največja stopnja varjenja votline 4,8 %, največja stopnja varjenja votline odrezka pa 4,1 %. V primerjavi s prvotnim postopkom varjenja z eno pasto za tiskanje in postopkom, optimiziranim z DOE, se je varjenje votline znatno zmanjšalo, kot je prikazano na sliki 15. Po funkcionalnih preizkusih vseh izdelkov niso bile ugotovljene razpoke v odrezkih.
5 Povzetek
Optimizacija količine nanosa spajkalne paste in časa refluksa lahko zmanjša površino varilne votline, vendar je stopnja varilne votline še vedno velika. Uporaba dveh tehnik reflow varjenja s tiskanjem spajkalne paste lahko učinkovito poveča stopnjo varilne votline. Varilna površina golega čipa QFN vezja je lahko pri množični proizvodnji 4,4 mm x 4,1 mm oziroma 3,0 mm x 2,3 mm. Stopnja reflow varjenja je pod 5 %, kar izboljša kakovost in zanesljivost reflow varjenja. Raziskava v tem članku ponuja pomembno referenco za izboljšanje problema varilnih votlin na velikih varjenih površinah.
