1 Introdução
Na montagem da placa de circuito, a pasta de solda é impressa primeiro na almofada de solda da placa de circuito e, em seguida, vários componentes eletrônicos são fixados. Finalmente, após o forno de refluxo, os grânulos de estanho na pasta de solda são derretidos e todos os tipos de componentes eletrônicos e a almofada de solda da placa de circuito são soldados entre si para realizar a montagem de submódulos elétricos. A tecnologia de montagem em superfície (sMT) é cada vez mais usada em produtos de embalagem de alta densidade, como pacote de nível de sistema (siP), dispositivos ballgridarray (BGA) e chip power bare, pacote quadrado plano sem pino (quad aatNo-lead, conhecido como QFN ) dispositivo.
Devido às características do processo e dos materiais de soldagem de pasta de solda, após a soldagem por refluxo desses grandes dispositivos de superfície de solda, haverá furos na área de soldagem da solda, o que afetará as propriedades elétricas, propriedades térmicas e propriedades mecânicas do desempenho do produto, e até mesmo levar à falha do produto, portanto, para melhorar a cavidade de soldagem por refluxo da pasta de solda tornou-se um processo e um problema técnico que deve ser resolvido, alguns pesquisadores analisaram e estudaram as causas da cavidade de soldagem de esfera de solda BGA e forneceram soluções de melhoria, solda convencional processo de soldagem por refluxo de pasta, área de soldagem de QFN superior a 10 mm2 ou área de soldagem superior a 6 mm2, falta solução de chip nu.
Use soldagem pré-formada e soldagem em forno de refluxo a vácuo para melhorar o furo de solda. A solda pré-fabricada requer equipamento especial para apontar o fluxo. Por exemplo, o chip é deslocado e inclinado seriamente depois que o chip é colocado diretamente na solda pré-fabricada. Se o chip de montagem de fluxo for refluxado e depois apontado, o processo será aumentado em dois refluxos, e o custo da solda pré-fabricada e do material de fluxo será muito maior do que a pasta de solda.
O equipamento de refluxo a vácuo é mais caro, a capacidade de vácuo da câmara de vácuo independente é muito baixa, o desempenho de custo não é alto e o problema de respingos de estanho é sério, o que é um fator importante na aplicação de alta densidade e pequeno passo produtos. Neste artigo, com base no processo convencional de soldagem por refluxo de pasta de solda, um novo processo de soldagem por refluxo secundário é desenvolvido e introduzido para melhorar a cavidade de soldagem e resolver os problemas de colagem e rachaduras na vedação plástica causadas pela cavidade de soldagem.
2 Cavidade de soldagem por refluxo de impressão em pasta de solda e mecanismo de produção
2.1 Cavidade de soldagem
Após a soldagem por refluxo, o produto foi testado sob raio-x. Os furos na zona de soldagem com cor mais clara foram encontrados devido à insuficiência de solda na camada de soldagem, conforme mostrado na Figura 1
Detecção de raios X do buraco da bolha
2.2 Mecanismo de formação da cavidade de soldagem
Tomando como exemplo a pasta de solda sAC305, a principal composição e função são mostradas na Tabela 1. O fluxo e os grânulos de estanho são unidos em forma de pasta. A proporção em peso da solda de estanho para o fluxo é de cerca de 9:1 e a proporção de volume é de cerca de 1:1.
Após a pasta de solda ser impressa e montada com diversos componentes eletrônicos, a pasta de solda passará por quatro estágios de pré-aquecimento, ativação, refluxo e resfriamento ao passar pelo forno de refluxo. O estado da pasta de solda também é diferente com diferentes temperaturas em diferentes estágios, conforme mostrado na Figura 2.
Referência de perfil para cada área de soldagem por refluxo
Na fase de pré-aquecimento e ativação, os componentes voláteis do fluxo na pasta de solda serão volatilizados em gás quando aquecidos. Ao mesmo tempo, serão produzidos gases quando o óxido da superfície da camada de soldagem for removido. Alguns desses gases irão volatilizar e deixar a pasta de solda, e os grânulos de solda ficarão fortemente condensados devido à volatilização do fluxo. No estágio de refluxo, o fluxo restante na pasta de solda irá evaporar rapidamente, os grânulos de estanho derreterão, uma pequena quantidade de gás volátil de fluxo e a maior parte do ar entre os grânulos de estanho não serão dispersos a tempo, e o resíduo no o estanho fundido e sob a tensão do estanho fundido têm uma estrutura de sanduíche de hambúrguer e são capturados pela almofada de solda da placa de circuito e pelos componentes eletrônicos, e o gás envolto no estanho líquido é difícil de escapar apenas pela flutuabilidade ascendente O tempo de fusão superior é muito curto. Quando o estanho fundido esfria e se transforma em estanho sólido, aparecem poros na camada de soldagem e formam-se furos de solda, conforme mostrado na Figura 3.
Diagrama esquemático do vazio gerado pela soldagem por refluxo de pasta de solda
A causa raiz da cavidade de soldagem é que o ar ou gás volátil envolvido na pasta de solda após a fusão não é completamente descarregado. Os fatores de influência incluem material da pasta de solda, formato de impressão da pasta de solda, quantidade de impressão da pasta de solda, temperatura de refluxo, tempo de refluxo, tamanho da soldagem, estrutura e assim por diante.
3. Verificação dos fatores que influenciam os furos de soldagem por refluxo de impressão de pasta de solda
Testes QFN e chip nu foram usados para confirmar as principais causas dos vazios de soldagem por refluxo e para encontrar maneiras de melhorar os vazios de soldagem por refluxo impressos pela pasta de solda. O perfil do produto de soldagem por refluxo de pasta de solda QFN e chip nu é mostrado na Figura 4, o tamanho da superfície de soldagem QFN é 4,4 mm x 4,1 mm, a superfície de soldagem é uma camada estanhada (estanho 100% puro); O tamanho de soldagem do chip nu é 3,0 mm x 2,3 mm, a camada de soldagem é uma camada bimetálica de níquel-vanádio e a camada superficial é vanádio. A almofada de soldagem do substrato foi mergulhada em níquel-paládio sem eletrodo e a espessura foi de 0,4μm/0,06μm/0,04μm. É usada pasta de solda SAC305, o equipamento de impressão de pasta de solda é DEK Horizon APix, o equipamento de forno de refluxo é BTUPyramax150N e o equipamento de raio X é DAGExD7500VR.
Desenhos de soldagem QFN e chip nu
Para facilitar a comparação dos resultados dos testes, a soldagem por refluxo foi realizada nas condições da Tabela 2.
Tabela de condições de soldagem por refluxo
Após a conclusão da montagem da superfície e da soldagem por refluxo, a camada de soldagem foi detectada por raios X e descobriu-se que havia grandes furos na camada de soldagem na parte inferior do QFN e no chip descoberto, conforme mostrado na Figura 5.
QFN e Chip Holograma (raios X)
Como o tamanho do cordão de estanho, a espessura da malha de aço, a taxa de área de abertura, o formato da malha de aço, o tempo de refluxo e a temperatura máxima do forno afetarão os vazios de soldagem por refluxo, há muitos fatores de influência, que serão verificados diretamente pelo teste DOE, e o número de testes experimentais os grupos serão muito grandes. É necessário selecionar e determinar rapidamente os principais fatores de influência por meio do teste de comparação de correlação e, em seguida, otimizar ainda mais os principais fatores de influência por meio do DOE.
3.1 Dimensões dos furos de solda e dos grânulos de estanho da pasta de solda
Com o teste de pasta de solda SAC305 tipo3 (tamanho do cordão 25-45 μm), outras condições permanecem inalteradas. Após o refluxo, os furos na camada de solda são medidos e comparados com a pasta de solda tipo 4. Verifica-se que os furos na camada de solda não são significativamente diferentes entre os dois tipos de pasta de solda, indicando que a pasta de solda com tamanhos de cordão diferentes não tem influência óbvia nos furos na camada de solda, o que não é um fator de influência, como mostrado na FIG. 6 Conforme mostrado.
Comparação de furos de pó de estanho metálico com diferentes tamanhos de partículas
3.2 Espessura da cavidade de soldagem e malha de aço impressa
Após o refluxo, a área da cavidade da camada soldada foi medida com a malha de aço impressa com espessura de 50 μm, 100 μm e 125 μm, e as demais condições permaneceram inalteradas. Verificou-se que o efeito de diferentes espessuras da malha de aço (pasta de solda) no QFN foi comparado com o da malha de aço impressa com espessura de 75 μm. À medida que a espessura da malha de aço aumenta, a área da cavidade diminui gradualmente lentamente. Após atingir uma determinada espessura (100μm), a área da cavidade se inverterá e começará a aumentar com o aumento da espessura da malha de aço, conforme mostra a Figura 7.
Isso mostra que quando a quantidade de pasta de solda é aumentada, o estanho líquido com refluxo é coberto pelo chip, e a saída do escape de ar residual é estreita apenas nos quatro lados. Quando a quantidade de pasta de solda é alterada, a saída de escape de ar residual também aumenta, e a explosão instantânea de ar envolto em estanho líquido ou gás volátil que escapa do estanho líquido fará com que o estanho líquido respingue ao redor do QFN e do chip.
O teste descobriu que com o aumento da espessura da malha de aço, o estouro da bolha causado pelo escape de ar ou gás volátil também aumentará, e a probabilidade de respingos de estanho ao redor do QFN e do chip também aumentará correspondentemente.
Comparação de furos em malhas de aço de diferentes espessuras
3.3 Relação da área da cavidade de soldagem e abertura da malha de aço
A malha de aço impressa com taxa de abertura de 100%, 90% e 80% foi testada, e as demais condições permaneceram inalteradas. Após o refluxo, a área da cavidade da camada soldada foi medida e comparada com a malha de aço impressa com taxa de abertura de 100%. Verificou-se que não houve diferença significativa na cavidade da camada soldada nas condições de taxa de abertura de 100% e 90% 80%, conforme mostra a Figura 8.
Comparação de cavidades de diferentes áreas de abertura de diferentes malhas de aço
3.4 Cavidade soldada e formato de malha de aço impressa
Com o teste de forma de impressão da pasta de solda da tira b e da grade inclinada c, as demais condições permanecem inalteradas. Após o refluxo, a área da cavidade da camada de soldagem é medida e comparada com o formato de impressão da grade a. Verifica-se que não há diferença significativa na cavidade da camada de soldagem nas condições de grade, tira e grade inclinada, conforme mostra a Figura 9.
Comparação de furos em diferentes modos de abertura de malha de aço
3.5 Cavidade de soldagem e tempo de refluxo
Após teste de tempo de refluxo prolongado (70 s, 80 s, 90 s), as demais condições permanecem inalteradas, o furo na camada de soldagem foi medido após o refluxo, e comparado com o tempo de refluxo de 60 s, constatou-se que com o aumento de tempo de refluxo, a área do furo de soldagem diminuiu, mas a amplitude de redução diminuiu gradativamente com o aumento do tempo, conforme mostrado na Figura 10. Isso mostra que no caso de tempo de refluxo insuficiente, aumentar o tempo de refluxo conduz ao transbordamento total de ar envolto em estanho líquido fundido, mas depois que o tempo de refluxo aumenta para um certo tempo, é difícil transbordar novamente o ar envolto em estanho líquido. O tempo de refluxo é um dos fatores que afetam a cavidade de soldagem.
Comparação nula de diferentes durações de tempo de refluxo
3.6 Cavidade de soldagem e pico de temperatura do forno
Com o teste de temperatura de pico do forno de 240 ℃ e 250 ℃ e outras condições inalteradas, a área da cavidade da camada soldada foi medida após o refluxo e comparada com a temperatura de pico do forno de 260 ℃, descobriu-se que sob diferentes condições de temperatura de pico do forno, a cavidade de a camada soldada de QFN e chip não mudou significativamente, conforme mostrado na Figura 11. Isso mostra que diferentes temperaturas de pico do forno não têm efeito óbvio sobre QFN e o furo na camada de soldagem do chip, o que não é um fator de influência.
Comparação nula de diferentes temperaturas de pico
Os testes acima indicam que os fatores significativos que afetam a cavidade da camada de solda do QFN e do cavaco são o tempo de refluxo e a espessura da malha de aço.
4 Melhoria da cavidade de soldagem por refluxo de impressão em pasta de solda
Teste 4.1DOE para melhorar a cavidade de soldagem
O furo na camada de soldagem do QFN e do cavaco foi melhorado encontrando-se o valor ideal dos principais fatores de influência (tempo de refluxo e espessura da malha de aço). A pasta de solda era SAC305 tipo 4, o formato da malha de aço era do tipo grade (grau de abertura de 100%), a temperatura máxima do forno era de 260 ℃ e outras condições de teste eram as mesmas do equipamento de teste. O teste DOE e os resultados foram mostrados na Tabela 3. As influências da espessura da malha de aço e do tempo de refluxo no QFN e nos furos de soldagem de cavacos são mostradas na Figura 12. Através da análise de interação dos principais fatores de influência, verifica-se que usando espessura de malha de aço de 100 μm e o tempo de refluxo de 80 s pode reduzir significativamente a cavidade de soldagem do QFN e do chip. A taxa de cavidade de soldagem do QFN é reduzida do máximo de 27,8% para 16,1%, e a taxa de cavidade de soldagem do cavaco é reduzida do máximo de 20,5% para 14,5%.
No teste, 1.000 produtos foram produzidos sob condições ideais (espessura da malha de aço de 100 μm, tempo de refluxo de 80 s), e a taxa de cavidade de soldagem de 100 QFN e cavaco foi medida aleatoriamente. A taxa média de cavidade de soldagem de QFN foi de 16,4%, e a taxa média de cavidade de soldagem de chip foi de 14,7%. A taxa de cavidade de soldagem do chip e do chip foi obviamente reduzida.
4.2 O novo processo melhora a cavidade de soldagem
A situação real de produção e o teste mostram que quando a área da cavidade de soldagem na parte inferior do chip é inferior a 10%, o problema de rachadura na posição da cavidade do chip não ocorrerá durante a colagem e moldagem do chumbo. Os parâmetros do processo otimizados pelo DOE não podem atender aos requisitos de análise e resolução dos furos na soldagem por refluxo de pasta de solda convencional, e a taxa de área da cavidade de soldagem do chip precisa ser ainda mais reduzida.
Como o chip coberto pela solda evita que o gás da solda escape, a taxa de furos na parte inferior do chip é ainda mais reduzida pela eliminação ou redução do gás revestido pela solda. É adotado um novo processo de soldagem por refluxo com duas impressões de pasta de solda: uma impressão de pasta de solda, um refluxo não cobrindo QFN e chip nu descarregando o gás na solda; O processo específico de impressão de pasta de solda secundária, patch e refluxo secundário é mostrado na Figura 13.
Quando a pasta de solda com 75 μm de espessura é impressa pela primeira vez, a maior parte do gás na solda sem cobertura de chip escapa da superfície e a espessura após o refluxo é de cerca de 50 μm. Após a conclusão do refluxo primário, pequenos quadrados são impressos na superfície da solda solidificada resfriada (para reduzir a quantidade de pasta de solda, reduzir a quantidade de derramamento de gás, reduzir ou eliminar respingos de solda), e a pasta de solda com uma espessura de 50 μm (os resultados do teste acima mostram que 100 μm é o melhor, então a espessura da impressão secundária é 100 μm.50 μm = 50 μm), em seguida, instale o chip e retorne após 80 s. Quase não há furo na solda após a primeira impressão e refluxo, e a pasta de solda na segunda impressão é pequena, e o furo de soldagem é pequeno, conforme mostrado na Figura 14.
Após duas impressões de pasta de solda, desenho oco
4.3 Verificação do efeito da cavidade de soldagem
Produção de 2.000 produtos (a espessura da primeira malha de aço de impressão é de 75 μm, a espessura da segunda malha de aço de impressão é de 50 μm), outras condições inalteradas, medição aleatória de 500 QFN e taxa de cavidade de soldagem de cavacos, descobriu que o novo processo após o primeiro refluxo sem cavidade, após o segundo refluxo QFN A taxa máxima de cavidade de soldagem é de 4,8% e a taxa máxima de cavidade de soldagem do chip é de 4,1%. Em comparação com o processo original de soldagem por impressão de pasta única e o processo otimizado DOE, a cavidade de soldagem é significativamente reduzida, conforme mostrado na Figura 15. Nenhuma rachadura de cavaco foi encontrada após testes funcionais de todos os produtos.
5 Resumo
A otimização da quantidade de impressão da pasta de solda e do tempo de refluxo pode reduzir a área da cavidade de soldagem, mas a taxa de cavidade de soldagem ainda é grande. O uso de duas técnicas de soldagem por refluxo de impressão em pasta de solda pode efetivamente maximizar a taxa de cavidade de soldagem. A área de soldagem do chip nu do circuito QFN pode ser de 4,4 mm x 4,1 mm e 3,0 mm x 2,3 mm, respectivamente, na produção em massa. A taxa de cavidade da soldagem por refluxo é controlada abaixo de 5%, o que melhora a qualidade e a confiabilidade da soldagem por refluxo. A pesquisa neste artigo fornece uma referência importante para melhorar o problema da cavidade de soldagem em superfícies de soldagem de grandes áreas.
Horário da postagem: 05/07/2023
