1 Inngangur
Í samsetningu rafrásarborðsins er lóðmassi fyrst prentaður á lóðpúða rafrásarborðsins og síðan eru ýmsir rafeindaíhlutir festir. Að lokum, eftir endurflæðisofninn, eru tinperlurnar í lóðmassi bræddar og alls kyns rafeindaíhlutir og lóðpúðar rafrásarborðsins eru soðnir saman til að framkvæma samsetningu rafmagnsundireininga. Yfirborðsfestingartækni (sMT) er sífellt meira notuð í umbúðum með mikla þéttleika, svo sem kerfisstigspakka (siP), kúlulaga raðtengi (BGA) tæki og Power Bare Chip, ferkantað flatt pinnalaust pakka (quad aatNo-lead, kallað QFN) tæki.
Vegna einkenna og efna lóðpasta-suðuferlisins, eftir endurflæðissuðu á þessum stóru lóðfletistækjum, munu göt myndast á lóðsuðusvæðinu eftir endurflæðissuðu, sem mun hafa áhrif á rafmagnseiginleika, varmaeiginleika og vélræna eiginleika vörunnar og jafnvel leiða til bilunar í vörunni. Þess vegna hefur það að bæta endurflæðissuðuholið í lóðpasta orðið ferlis- og tæknilegt vandamál sem þarf að leysa. Sumir vísindamenn hafa greint og rannsakað orsakir BGA lóðkúlusuðuhola og veitt lausnir til úrbóta. Hefðbundin endurflæðissuðuferli fyrir lóðpasta vantar suðusvæði QFN stærra en 10 mm2 eða suðusvæði stærra en 6 mm2 fyrir berum flísum.
Notið forsmíðaða lóðsuðu og lofttæmissuðu með bakflæðisofni til að bæta suðuholuna. Forsmíðaðar lóðsuður krefjast sérstaks búnaðar til að beina flæðissuðu. Til dæmis er flísinni beint á forsmíðaða lóðið færð til hliðar og hallað verulega. Ef flæðisfestingarflísinni er endurflóðað og síðan beitt, eykst ferlið um tvöfalda endurflóðun og kostnaðurinn við forsmíðaðar lóðsuðu og flæðissuðu er mun hærri en lóðpasta.
Lofttæmisbakflæðisbúnaður er dýrari, lofttæmingargeta sjálfstæðs lofttæmishólfs er mjög lág, kostnaðarafköstin eru ekki mikil og vandamálið með skvettingar á tini er alvarlegt, sem er mikilvægur þáttur í notkun á vörum með mikla þéttleika og litla skurði. Í þessari grein er nýtt auka endurflæðissuðuferli þróað og kynnt til sögunnar, byggt á hefðbundinni lóðmassa-bakflæðissuðu, til að bæta suðuholið og leysa vandamál með límingu og sprungur í plastþéttingum af völdum suðuholsins.
2. Lóðmálmprentunar endurflæðissuðuhola og framleiðslukerfi
2.1 Suðuhola
Eftir endursuðu var varan prófuð með röntgengeislum. Götin í suðusvæðinu, sem voru ljósari á litinn, reyndust vera vegna ófullnægjandi lóðmálms í suðulaginu, eins og sést á mynd 1.
Röntgengreining á loftbólugatinu
2.2 Myndunarferli suðuhola
Ef við tökum sAC305 lóðmassi sem dæmi, þá eru helstu samsetningar og virkni þess sýnd í töflu 1. Lóðefnið og tinperlurnar eru tengdar saman í pastaform. Þyngdarhlutfall tinlóðs og flúxefnis er um 9:1 og rúmmálshlutfallið er um 1:1.
Eftir að lóðmassi hefur verið prentaður og festur við ýmsa rafeindabúnað, fer hann í gegnum fjögur stig: forhitun, virkjun, bakflæði og kælingu þegar hann fer í gegnum bakflæðisofninn. Ástand lóðmassisins er einnig mismunandi eftir hitastigi á mismunandi stigum, eins og sést á mynd 2.
Prófíltilvísun fyrir hvert svæði endurflæðislóðunar
Í forhitunar- og virkjunarstiginu munu rokgjörn efni í flæðiefninu í lóðmassanum gufa upp í gas við upphitun. Á sama tíma myndast gas þegar oxíð á yfirborði suðulagsins er fjarlægt. Sum þessara lofttegunda munu gufa upp og yfirgefa lóðmassann og lóðperlurnar munu þéttast vegna uppgufunar flæðisins. Í bakflæðisstiginu mun það sem eftir er af flæðiefninu í lóðmassanum gufa upp hratt, tinperlurnar munu bráðna, lítið magn af rokgjörnu flæðiefni og megnið af loftinu á milli tinperlanna mun ekki dreifast með tímanum og leifarnar í bráðna tininu og undir spennu bráðna tinsins mynda hamborgarasamlokubyggingu og festast í lóðpúða rafrásarborðsins og rafeindabúnaði og gasið sem er vafið í fljótandi tininu á erfitt með að sleppa út, aðeins vegna uppdrifs. Efri bræðslutíminn er mjög stuttur. Þegar bráðna tinið kólnar og verður að föstu tini myndast svigrúm í suðulaginu og lóðgöt myndast, eins og sýnt er á mynd 3.
Skýringarmynd af tómarúmi sem myndast við endursuðu á lóðpasta
Orsök suðuhola er sú að loftið eða rokgjörn gas sem er vafið inn í lóðmassi eftir bráðnun er ekki alveg útrýmt. Áhrifaþættirnir eru meðal annars efni lóðmassisins, lögun prentunar lóðmassisins, magn prentunar lóðmassisins, bakflæðishitastig, bakflæðistími, stærð suðu, uppbygging og svo framvegis.
3. Staðfesting á áhrifaþáttum á endurflæðissuðuholum í lóðpastaprentun
QFN og berar flísarprófanir voru notaðar til að staðfesta helstu orsakir endurflæðissuðuholna og til að finna leiðir til að bæta endurflæðissuðuholurnar sem lóðmassi prentar. Vörulýsing fyrir endurflæðissuðu á QFN og berar flísar er sýnd á mynd 4. Stærð QFN suðuyfirborðs er 4,4 mm x 4,1 mm, suðuyfirborðið er tinnlag (100% hreint tin); suðustærð berrar flísar er 3,0 mm x 2,3 mm, suðulagið er spútrað nikkel-vanadíum tvímálmlag og yfirborðslagið er vanadíum. Suðupúðinn á undirlaginu var raflaus nikkel-palladíum gulldýft og þykktin var 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. SAC305 lóðmassi er notaður, lóðmassi prentbúnaðurinn er DEK Horizon APix, endurflæðisofninn er BTUPyramax150N og röntgenbúnaðurinn er DAGExD7500VR.
Teikningar af QFN og berum flísasuðu
Til að auðvelda samanburð á niðurstöðum prófunarinnar var endursuðun framkvæmd við aðstæðurnar í töflu 2.
Tafla yfir ástand endurflæðissuðu
Eftir að yfirborðsfestingu og endursuðu var lokið var suðulagið greint með röntgengeisla og kom í ljós að stór göt voru í suðulaginu neðst á QFN og berum flísinni, eins og sést á mynd 5.
QFN og flísarhologram (röntgengeisli)
Þar sem stærð tinperlna, þykkt stálmöskva, opnunarflatarmál, lögun stálmöskva, bakflæðistími og hámarkshitastig ofnsins hafa öll áhrif á holrými í bakflæðissuðu, eru margir áhrifaþættir sem verða staðfestir beint með DOE prófun, og fjöldi tilraunahópa verður of mikill. Nauðsynlegt er að skima og ákvarða helstu áhrifaþætti fljótt með fylgni samanburðarprófun og síðan fínstilla helstu áhrifaþættina frekar með DOE.
3.1 Stærð lóðhola og lóðpasta-tinperla
Í lóðpastaprófi af gerð 3 (perlustærð 25-45 μm) SAC305 haldast aðrar aðstæður óbreyttar. Eftir endurflæði eru götin í lóðlaginu mæld og borin saman við lóðpasta af gerð 4. Kom í ljós að götin í lóðlaginu eru ekki marktækt frábrugðin milli þessara tveggja gerða lóðpasta, sem bendir til þess að lóðpasta með mismunandi perlustærð hafi engin augljós áhrif á götin í lóðlaginu, sem er ekki áhrifaþáttur, eins og sýnt er á mynd 6.
Samanburður á holum úr málmdufti með mismunandi agnastærðum
3.2 Þykkt suðuhola og prentaðs stálnets
Eftir endurflæði var holrýmisflatarmál suðulagsins mælt með prentuðu stálneti með þykktina 50 μm, 100 μm og 125 μm, og aðrar aðstæður héldust óbreyttar. Kom í ljós að áhrif mismunandi þykktar stálnets (lóðpasta) á QFN voru borin saman við áhrif prentaðs stálnets með þykktina 75 μm. Þegar þykkt stálnetsins eykst minnkar holrýmisflatarmálið smám saman. Eftir að ákveðinni þykkt (100 μm) er náð snýst holrýmisflatarmálið við og byrjar að aukast með aukinni þykkt stálnetsins, eins og sýnt er á mynd 7.
Þetta sýnir að þegar magn lóðmassi er aukið, þá er fljótandi tinið með bakflæði hulið af flísinni og útrás leifarlofts er aðeins þröng á fjórum hliðum. Þegar magn lóðmassi er breytt, eykst einnig útrás leifarlofts og skyndileg loftsprengja sem er vafið inn í fljótandi tin eða rokgjarnt gas sem sleppur úr fljótandi tin veldur því að fljótandi tin skvettist í kringum QFN og flísina.
Prófunin leiddi í ljós að með aukinni þykkt stálnetsins eykst einnig fjöldi loftbóla sem stafar af leka lofts eða rokgjörns gass, og líkurnar á að tin skvettist í kringum QFN og flís aukast einnig að sama skapi.
Samanburður á götum í stálneti af mismunandi þykkt
3.3 Flatarmálshlutfall suðuhols og stálnetsopnunar
Prentað stálnet með opnunarhraða 100%, 90% og 80% var prófað og aðrar aðstæður voru óbreyttar. Eftir endurflæði var holrými suðulagsins mælt og borið saman við prentað stálnet með opnunarhraða 100%. Kom í ljós að enginn marktækur munur var á holrými suðulagsins við skilyrði opnunarhraða 100% og 90% og 80%, eins og sýnt er á mynd 8.
Samanburður á holrými mismunandi opnunarflatarmáls mismunandi stálneta
3.4 Sveigð hola og prentuð stálnetform
Með prentformprófun á lóðmassa ræmu b og hallandi rist c, haldast aðrar aðstæður óbreyttar. Eftir endurflæði er holrými suðulagsins mælt og borið saman við prentform rist a. Það kemur í ljós að enginn marktækur munur er á holrými suðulagsins við aðstæður rist, ræmu og hallandi rist, eins og sýnt er á mynd 9.
Samanburður á götum í mismunandi opnunarháttum stálnets
3.5 Suðuhola og bakflæðistími
Eftir langvarandi bakflæðisprófun (70 sek., 80 sek., 90 sek.), en aðrar aðstæður eru óbreyttar, gatið í suðulaginu var mælt eftir bakflæði og borið saman við bakflæðistímann upp á 60 sekúndur, kom í ljós að með aukinni bakflæðistíma minnkaði flatarmál suðugatsins, en minnkunarvíddin minnkaði smám saman með auknum tíma, eins og sést á mynd 10. Þetta sýnir að ef bakflæðistími er ófullnægjandi, stuðlar aukning á bakflæðistímanum að fullu yfirflæði lofts sem er vafið í bráðnu fljótandi tininu, en eftir að bakflæðistíminn hefur náð ákveðnum tíma er erfitt fyrir loftið sem er vafið í fljótandi tininu að flæða yfir aftur. Bakflæðistími er einn af þeim þáttum sem hafa áhrif á suðuholið.
Ógild samanburður á mismunandi bakflæðistímalengdum
3.6 Suðuhola og hámarkshitastig ofns
Með hámarkshitastigi ofnsins við 240 ℃ og 250 ℃ og aðrar aðstæður óbreyttar, var holrými suðulagsins mælt eftir endurflæði, og samanborið við hámarkshitastig ofnsins við 260 ℃, kom í ljós að við mismunandi hámarkshitastig ofnsins breyttist holrými suðulagsins af QFN og flísinni ekki marktækt, eins og sést á mynd 11. Þar sést að mismunandi hámarkshitastig ofnsins hefur engin augljós áhrif á QFN og gatið í suðulaginu á flísinni, sem er ekki áhrifaþáttur.
Ógildur samanburður á mismunandi hámarkshitastigum
Ofangreindar prófanir benda til þess að mikilvægir þættir sem hafa áhrif á suðuhola QFN og flísar séu bakflæðistími og þykkt stálnetsins.
4. Endurbætur á lóðmálmprentun með endurflæðissuðu
4.1 DOE próf til að bæta suðuhola
Gatið í suðulaginu á QFN og flísinni var bætt með því að finna bestu gildi helstu áhrifaþátta (endurflæðistíma og þykkt stálnetsins). Lóðmassi var SAC305 gerð 4, lögun stálnetsins var af ristagerð (100% opnunargráðu), hámarkshitastig ofnsins var 260 ℃ og aðrar prófunaraðstæður voru þær sömu og í prófunarbúnaðinum. DOE prófun og niðurstöður eru sýndar í töflu 3. Áhrif þykktar stálnetsins og endurflæðistíma á suðugöt á QFN og flísinni eru sýnd á mynd 12. Með víxlverkunargreiningu helstu áhrifaþátta kom í ljós að með því að nota 100 μm þykkt stálnets og 80 sekúndna endurflæðistíma er hægt að minnka suðuholið á QFN og flísinni verulega. Suðuholuhlutfall QFN minnkar úr hámarki 27,8% í 16,1% og suðuholuhlutfall flísarinnar minnkar úr hámarki 20,5% í 14,5%.
Í prófuninni voru 1000 vörur framleiddar við bestu mögulegu aðstæður (100 μm þykkt stálmöskva, 80 sekúndna bakflæðistími) og suðuholuhraði 100 QFN og flísar var mældur af handahófi. Meðal suðuholuhraði QFN var 16,4% og meðal suðuholuhraði flísar var 14,7%. Suðuholuhraði flísar og flísar minnkar greinilega.
4.2 Nýja ferlið bætir suðuholið
Raunverulegar framleiðsluaðstæður og prófanir sýna að þegar suðuholaflatarmálið neðst á flísinni er minna en 10%, þá mun sprunguvandamál í flísholastöðu ekki koma upp við límingu og mótun blýsins. Ferlibreyturnar sem DOE hefur fínstillt geta ekki uppfyllt kröfur um greiningu og lausn á holum í hefðbundinni lóðmassa-endurflæðissuðu og þarf að minnka enn frekar suðuholaflatarmál flísarinnar.
Þar sem flísin sem er þakin lóðmálminum kemur í veg fyrir að gasið í lóðmálminum sleppi út, er gatatíðnin neðst í flísinni enn frekar minnkuð með því að fjarlægja eða minnka lóðmálmshúðað gas. Ný aðferð við endurflæðissuðu með tveimur lóðmálmprentunum er tekin upp: ein lóðmálmprentun, ein endurflæðissuðu sem hylur ekki QFN og berum flísum sem losar gasið í lóðmálminum; Sérstakt ferli við auka lóðmálmprentun, plástur og auka endurflæði er sýnt á mynd 13.
Þegar 75 μm þykkt lóðmassi er prentað í fyrsta skipti sleppur megnið af gasinu í lóðmálminum án flísþekju af yfirborðinu og þykktin eftir bakflæði er um 50 μm. Eftir að aðalbakflæðinu er lokið eru litlir ferningar prentaðir á yfirborð kælda storknaða lóðmálmsins (til að minnka magn lóðmassi, draga úr magni gass sem lekur út, draga úr eða útrýma lóðslettum) og lóðmassi með þykkt upp á 50 μm (niðurstöður prófana hér að ofan sýna að 100 μm er best, þannig að þykkt aukaprentunar er 100 μm .50 μm = 50 μm), síðan er flísinni komið fyrir og síðan er lóðmálminn settur aftur inn eftir 80 sekúndur. Það er næstum ekkert gat í lóðmálminum eftir fyrstu prentun og bakflæði, og lóðmassi í annarri prentun er lítið og suðugatið er lítið, eins og sýnt er á mynd 14.
Eftir tvær prentanir af lóðpasta, hol teikning
4.3 Staðfesting á áhrifum suðuhola
Framleiðsla á 2000 vörum (þykkt fyrsta prentstálsnetsins er 75 μm, þykkt annars prentstálsnetsins er 50 μm), óbreytt að öðru leyti, handahófskennd mæling á 500 QFN og flísarsuðuholahraða, leiddi í ljós að nýja ferlið er án hola eftir fyrsta bakflæði, hámarkssuðuholahraða QFN eftir annað bakflæði er 4,8% og hámarkssuðuholahraða flísarinnar er 4,1%. Samanborið við upprunalegu einprentunarsuðuferlið og DOE-bjartsýnisferlið, er suðuholahraðann verulega minnkaður, eins og sést á mynd 15. Engar flísarsprungur fundust eftir virkniprófanir á öllum vörunum.
5 Yfirlit
Með því að hámarka prentmagn lóðpasta og bakflæðistíma getur það minnkað flatarmál suðuholsins, en suðuhraðinn er samt mikill. Með því að nota tvær aðferðir við endurflæðissuðu með lóðpasta getur suðuholshraðann verið á áhrifaríkan hátt og hámarkað hann. Suðusvæði berum QFN-flísum getur verið 4,4 mm x 4,1 mm og 3,0 mm x 2,3 mm í fjöldaframleiðslu. Holrýmd endurflæðissuðu er stýrt undir 5%, sem bætir gæði og áreiðanleika endurflæðissuðu. Rannsóknin í þessari grein veitir mikilvæga heimild til að bæta suðuholavandamálið á stórum suðuflötum.
Birtingartími: 5. júlí 2023
