SMT usa solución e análise de cavidades de soldadura por refluxo de aire de pasta de soldadura convencional (Edición Esencia 2023), meréceo.
1. Introdución
No conxunto da placa de circuíto, a pasta de soldadura impresa primeiro na almofada de soldadura da placa de circuíto e despois colócanse varios compoñentes electrónicos.Finalmente, despois do forno de refluxo, as perlas de estaño na pasta de soldadura son fundidas e todo tipo de compoñentes electrónicos e a almofada de soldadura da placa de circuíto son soldadas para realizar a montaxe de submódulos eléctricos.a tecnoloxía de montaxe superficial (sMT) utilízase cada vez máis en produtos de envasado de alta densidade, como paquetes de nivel de sistema (siP), dispositivos ballgridarray (BGA) e chips de potencia sen pines planos cadrados (quad aatNo-lead, denominado QFN). ) dispositivo.
Debido ás características do proceso e dos materiais de soldadura con pasta de soldadura, despois da soldadura por refluxo destes dispositivos de gran superficie de soldadura, haberá buratos na zona de soldadura, o que afectará ás propiedades eléctricas, térmicas e mecánicas do produto. mesmo levar ao fracaso do produto, polo tanto, para mellorar a cavidade de soldeo de refluxo de pasta de soldar converteuse nun proceso e problema técnico que debe ser resolto, algúns investigadores analizaron e estudaron as causas da cavidade de soldadura de bolas de soldadura BGA e proporcionaron solucións de mellora, soldadura convencional Proceso de soldadura por refluxo de pasta de área de soldadura de QFN superior a 10 mm2 ou área de soldadura superior a 6 mm2 Falta a solución de chip desnudo.
Use soldadura de Preformsolder e soldadura de forno de refluxo ao baleiro para mellorar o orificio de soldadura.A soldadura prefabricada require un equipo especial para apuntar o fluxo.Por exemplo, o chip está desviado e inclinado seriamente despois de que o chip se coloque directamente sobre a soldadura prefabricada.Se o chip de montaxe de fluxo é refluxo e despois apunta, o proceso aumenta en dous refluxos e o custo da soldadura prefabricada e do material de fluxo é moito maior que a pasta de soldadura.
O equipo de refluxo ao baleiro é máis caro, a capacidade de baleiro da cámara de baleiro independente é moi baixa, o rendemento do custo non é alto e o problema de salpicaduras de estaño é grave, o que é un factor importante na aplicación de alta densidade e paso pequeno. produtos.Neste documento, baseado no proceso de soldadura por refluxo de pasta de soldadura convencional, desenvólvese e introdúcese un novo proceso de soldadura por refluxo secundario para mellorar a cavidade de soldadura e resolver os problemas de unión e rachaduras de selado plástico causadas pola cavidade de soldadura.
2 Cavidade de soldadura por refluxo de impresión de pasta de soldar e mecanismo de produción
2.1 Cavidade de soldadura
Despois da soldadura por refluxo, o produto foi probado baixo raios X.Atopouse que os buracos na zona de soldadura cunha cor máis clara se deben a unha soldadura insuficiente na capa de soldadura, como se mostra na Figura 1.
Detección por raios X do buraco da burbulla
2.2 Mecanismo de formación da cavidade de soldadura
Tomando como exemplo a pasta de soldadura sAC305, a composición e función principal móstranse na táboa 1. O fluxo e as perlas de estaño están unidas en forma de pasta.A relación de peso entre a soldadura de estaño e o fluxo é de aproximadamente 9:1 e a relación de volume é de aproximadamente 1:1.
Despois de que a pasta de soldadura sexa impresa e montada con varios compoñentes electrónicos, a pasta de soldadura pasará por catro etapas de prequecemento, activación, refluxo e arrefriamento cando pase polo forno de refluxo.O estado da pasta de soldadura tamén é diferente con diferentes temperaturas en diferentes etapas, como se mostra na Figura 2.
Referencia de perfil para cada área de soldadura por reflujo
Na fase de prequecemento e activación, os compoñentes volátiles do fluxo da pasta de soldadura volatilizaranse en gas cando se quenta.Ao mesmo tempo, produciranse gases cando se elimine o óxido da superficie da capa de soldadura.Algúns destes gases volatilizaranse e deixarán a pasta de soldadura, e as perlas de soldadura estarán fortemente condensadas debido á volatilización do fluxo.Na fase de refluxo, o fluxo restante na pasta de soldadura evaporarase rapidamente, as perlas de estaño derreteranse, unha pequena cantidade de gas volátil de fluxo e a maior parte do aire entre as perlas de estaño non se dispersará no tempo e o residuo na fase de refluxo. o estaño fundido e baixo a tensión da estaño fundido son unha estrutura de sándwich de hamburguesa e están atrapados pola almofada de soldadura da placa de circuíto e os compoñentes electrónicos, e o gas envolto no estaño líquido é difícil de escapar só pola flotabilidade ascendente. O tempo de fusión superior é moi curto.Cando o estaño fundido arrefría e convértese en estaño sólido, aparecen poros na capa de soldadura e fórmanse orificios de soldadura, como se mostra na Figura 3.
Diagrama esquemático do baleiro xerado pola soldadura por refluxo de pasta de soldadura
A causa raíz da cavidade de soldadura é que o aire ou o gas volátil envolto na pasta de soldadura despois da fusión non se descarga completamente.Os factores que inflúen inclúen o material de pasta de soldadura, a forma de impresión de pasta de soldadura, a cantidade de impresión de pasta de soldadura, a temperatura de refluxo, o tempo de refluxo, o tamaño da soldadura, a estrutura, etc.
3. Verificación dos factores de influencia dos buratos de soldadura por refluxo de impresión de pasta de soldar
Utilizáronse probas de QFN e bare chip para confirmar as principais causas dos baleiros de soldadura por refluxo e para atopar formas de mellorar os ocos de soldadura por refluxo impresos con pasta de soldadura.QFN e o perfil do produto de soldadura por refluxo de pasta de soldadura de chip desnudo móstrase na figura 4, o tamaño da superficie de soldadura QFN é de 4,4 mm x 4,1 mm, a superficie de soldadura é unha capa estañada (100% de estaño puro);O tamaño de soldadura do chip espido é de 3,0 mm x 2,3 mm, a capa de soldadura é unha capa bimetálica de níquel-vanadio por pulverización e a capa superficial é de vanadio.A almofada de soldadura do substrato foi de inmersión en ouro de níquel-paladio sen electrodos e o espesor era de 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm.Úsase pasta de soldadura SAC305, o equipo de impresión de pasta de soldadura é DEK Horizon APix, o equipo de forno de refluxo é BTUPyramax150N e o equipo de raios X é DAGExD7500VR.
Debuxos de soldadura QFN e viruta nua
Para facilitar a comparación dos resultados das probas, realizouse a soldadura por refluxo nas condicións da táboa 2.
Táboa de condicións de soldadura por refluxo
Despois de completar o montaxe superficial e a soldadura por refluxo, a capa de soldeo foi detectada por raios X e descubriuse que había grandes buratos na capa de soldadura na parte inferior do QFN e o chip espido, como se mostra na Figura 5.
QFN e holograma de chip (raios X)
Dado que o tamaño da perla de estaño, o grosor da malla de aceiro, a velocidade da área de apertura, a forma da malla de aceiro, o tempo de refluxo e a temperatura máxima do forno afectarán os baleiros de soldadura por refluxo, hai moitos factores que inflúen, que serán verificados directamente pola proba DOE e o número de experimentos experimentais. os grupos serán demasiado grandes.É necesario analizar e determinar rapidamente os principais factores de influencia mediante a proba de comparación de correlacións e, a continuación, optimizar aínda máis os principais factores de influencia a través do DOE.
3.1 Dimensións dos buratos de soldadura e das contas de lata de pasta de soldadura
Coa proba de pasta de soldadura SAC305 de tipo 3 (tamaño de perla 25-45 μm), outras condicións permanecen sen cambios.Despois do refluxo, os orificios na capa de soldadura mídense e compáranse coa pasta de soldadura tipo 4.Descúbrese que os buracos da capa de soldadura non son significativamente diferentes entre os dous tipos de pasta de soldadura, o que indica que a pasta de soldadura con diferentes tamaños de cordón non ten unha influencia obvia nos buracos da capa de soldadura, o que non é un factor de influencia. como se mostra na FIG.6 Como se mostra.
Comparación de buracos de po de estaño metálico con diferentes tamaños de partículas
3.2 Espesor da cavidade de soldadura e da malla de aceiro impresa
Despois do refluxo, a área da cavidade da capa soldada foi medida coa malla de aceiro impresa cun espesor de 50 μm, 100 μm e 125 μm, e outras condicións permaneceron sen cambios.Comparouse o efecto de diferentes espesores da malla de aceiro (pasta de soldadura) sobre QFN co da malla de aceiro impresa cun espesor de 75 μm A medida que aumenta o grosor da malla de aceiro, a área da cavidade diminúe lentamente.Despois de alcanzar un certo espesor (100 μm), a área da cavidade inverterase e comezará a aumentar co aumento do espesor da malla de aceiro, como se mostra na Figura 7.
Isto mostra que cando se aumenta a cantidade de pasta de soldadura, a lata líquida con refluxo está cuberta polo chip e a saída do aire residual é só estreita en catro lados.Cando se cambia a cantidade de pasta de soldadura, tamén se aumenta a saída do aire residual e a explosión instantánea de aire envolto en estaño líquido ou en estaño líquido que escapa de gas volátil fará que o estaño líquido salpique ao redor de QFN e do chip.
A proba descubriu que co aumento do grosor da malla de aceiro, o estoupido de burbullas causado pola fuga de aire ou gas volátil tamén aumentará e a probabilidade de salpicaduras de estaño ao redor de QFN e chip tamén aumentará de forma correspondente.
Comparación de buratos en malla de aceiro de diferente grosor
3.3 Relación de área entre a cavidade de soldadura e a abertura da malla de aceiro
Probouse a malla de aceiro impresa cunha taxa de apertura do 100%, 90% e 80% e outras condicións permaneceron sen cambios.Despois do refluxo, mediuse a área da cavidade da capa soldada e comparouse coa malla de aceiro impresa cunha taxa de apertura do 100%.Descubriuse que non había diferenzas significativas na cavidade da capa soldada nas condicións da taxa de apertura do 100% e do 90% ao 80%, como se mostra na Figura 8.
Comparación de cavidades de diferentes áreas de apertura de diferentes mallas de aceiro
3.4 Cavidade soldada e forma de malla de aceiro impresa
Coa proba de forma de impresión da pasta de soldadura da tira b e da reixa inclinada c, outras condicións permanecen sen cambios.Despois do refluxo, mídese a área da cavidade da capa de soldadura e compárase coa forma de impresión da reixa a.Descúbrese que non hai diferenzas significativas na cavidade da capa de soldadura nas condicións de cuadrícula, tira e reixa inclinada, como se mostra na Figura 9.
Comparación de buratos en diferentes modos de apertura de malla de aceiro
3.5 Cavidade de soldadura e tempo de refluxo
Despois da proba de tempo de refluxo prolongado (70 s, 80 s, 90 s), outras condicións permanecen inalteradas, o buraco na capa de soldadura foi medido despois do refluxo e, en comparación co tempo de refluxo de 60 s, comprobouse que co aumento de tempo de refluxo, a área do burato de soldeo diminuíu, pero a amplitude de redución diminuíu gradualmente co aumento do tempo, como se mostra na Figura 10. Isto mostra que, no caso de tempo de refluxo insuficiente, o aumento do tempo de refluxo conduce ao desbordamento total do aire. envolto en estaño líquido fundido, pero despois de que o tempo de refluxo aumenta a un tempo determinado, o aire envolto en estaño líquido é difícil de volver a desbordar.O tempo de refluxo é un dos factores que afectan á cavidade de soldadura.
Comparación de baleiros de diferentes duracións de tempo de refluxo
3.6 Cavidade de soldadura e temperatura máxima do forno
Coa proba de temperatura máxima do forno de 240 ℃ e 250 ℃ e outras condicións sen cambios, a área da cavidade da capa soldada foi medida despois do refluxo e, en comparación coa temperatura máxima do forno de 260 ℃, descubriuse que en diferentes condicións de temperatura máxima do forno, a cavidade do a capa soldada de QFN e chip non cambiou significativamente, como se mostra na Figura 11. Mostra que a temperatura máxima do forno diferente non ten ningún efecto obvio sobre QFN e o burato na capa de soldadura do chip, que non é un factor de influencia.
Comparación nula de diferentes temperaturas máximas
As probas anteriores indican que os factores significativos que afectan á cavidade da capa de soldadura de QFN e chip son o tempo de refluxo e o grosor da malla de aceiro.
4 Mellora da cavidade de soldadura por refluxo da impresión de pasta de soldadura
4.1 Proba DOE para mellorar a cavidade de soldadura
O burato na capa de soldadura de QFN e chip mellorouse ao atopar o valor óptimo dos principais factores de influencia (tempo de refluxo e grosor da malla de aceiro).A pasta de soldadura era tipo SAC305 4, a forma de malla de aceiro era tipo reixa (grao de apertura do 100%), a temperatura máxima do forno era de 260 ℃ e outras condicións de proba eran as mesmas que as do equipo de proba.A proba DOE e os resultados mostráronse na Táboa 3. As influencias do espesor da malla de aceiro e o tempo de refluxo nos buratos de soldadura QFN e chip móstranse na Figura 12. A través da análise da interacción dos principais factores que inflúen, atópase que usando un espesor de malla de aceiro de 100 μm e o tempo de refluxo de 80 s pode reducir significativamente a cavidade de soldadura de QFN e chip.A taxa de cavidade de soldadura de QFN redúcese do 27,8% ao 16,1% como máximo e a taxa de cavidade de soldadura do chip redúcese do 20,5% ao 14,5% máximo.
Na proba, producíronse 1000 produtos nas condicións óptimas (espesor da malla de aceiro de 100 μm, tempo de refluxo de 80 s) e mediuse aleatoriamente a taxa de cavidade de soldadura de 100 QFN e chip.A taxa media de cavidade de soldadura de QFN foi do 16,4% e a taxa media de cavidade de soldadura do chip foi do 14,7%. Obviamente, a taxa de cavidade de soldadura do chip e do chip redúcese.
4.2 O novo proceso mellora a cavidade de soldadura
A situación de produción real e as probas mostran que cando a área da cavidade de soldadura na parte inferior do chip é inferior ao 10%, o problema de rachadura da posición da cavidade do chip non se producirá durante a unión e o moldeado de chumbo.Os parámetros do proceso optimizados polo DOE non poden cumprir os requisitos de análise e resolución dos buratos na soldadura por refluxo de pasta de soldadura convencional, e a taxa de área da cavidade de soldadura do chip debe reducirse aínda máis.
Dado que o chip cuberto na soldadura impide que o gas da soldadura escape, a taxa de buracos na parte inferior do chip redúcese aínda máis eliminando ou reducindo o gas revestido de soldadura.Adoptase un novo proceso de soldadura por refluxo con dúas impresións de pasta de soldadura: unha impresión de pasta de soldadura, outra de refluxo que non cubre QFN e o chip espido que descarga o gas na soldadura;O proceso específico de impresión de pasta de soldadura secundaria, parche e refluxo secundario móstrase na Figura 13.
Cando a pasta de soldadura de 75 μm de espesor se imprime por primeira vez, a maior parte do gas da soldadura sen tapa de chip escapa da superficie e o espesor despois do refluxo é duns 50 μm.Despois de completar o refluxo primario, imprímanse pequenos cadrados na superficie da soldadura solidificada arrefriada (para reducir a cantidade de pasta de soldadura, reducir a cantidade de derrame de gas, reducir ou eliminar as salpicaduras de soldadura) e a pasta de soldadura con un espesor de 50 μm (os resultados das probas anteriores mostran que 100 μm é o mellor, polo que o grosor da impresión secundaria é de 100 μm, 50 μm = 50 μm), a continuación, instale o chip e, a continuación, regrese durante 80 s.Case non hai ningún burato na soldadura despois da primeira impresión e refluxo, e a pasta de soldadura na segunda impresión é pequena e o buraco de soldadura é pequeno, como se mostra na Figura 14.
Despois de dúas impresións de pasta de soldar, debuxo oco
4.3 Verificación do efecto cavidade de soldadura
Produción de 2000 produtos (o grosor da primeira malla de aceiro de impresión é de 75 μm, o grosor da segunda malla de aceiro de impresión é de 50 μm), outras condicións sen cambios, medición aleatoria de 500 QFN e taxa de cavidade de soldadura de chip, descubriu que o novo proceso despois do primeiro refluxo sen cavidade, despois do segundo refluxo QFN A taxa máxima de cavidade de soldadura é do 4,8% e a taxa máxima de cavidade de soldadura do chip é do 4,1%.En comparación co proceso de soldadura de impresión dunha soa pasta orixinal e co proceso optimizado DOE, a cavidade de soldadura redúcese significativamente, como se mostra na Figura 15. Non se atoparon rachaduras de chip despois das probas funcionais de todos os produtos.
5 Resumo
A optimización da cantidade de impresión da pasta de soldar e do tempo de refluxo pode reducir a área da cavidade de soldadura, pero a taxa de cavidade de soldadura aínda é grande.Usando dúas técnicas de soldadura por refluxo de impresión de pasta de soldadura pode maximizar eficazmente a taxa da cavidade de soldadura.A área de soldadura do chip desnudo do circuíto QFN pode ser de 4,4 mm x4,1 mm e 3,0 mm x2,3 mm respectivamente na produción en masa. A taxa de soldadura por refluxo da cavidade está controlada por debaixo do 5%, o que mellora a calidade e fiabilidade da soldadura por refluxo.A investigación deste traballo proporciona unha referencia importante para mellorar o problema da cavidade de soldadura da superficie de soldadura de gran área.