SMT utilitza una solució i anàlisi de cavitats de soldadura de refluig d'aire de pasta de soldadura convencional (edició Essence 2023), us ho mereixeu!
1. Introducció
En el conjunt de la placa de circuit, la pasta de soldadura s'imprimeix primer al coixinet de soldadura de la placa de circuit i després s'hi col·loquen diversos components electrònics.Finalment, després del forn de reflux, les perles d'estany de la pasta de soldadura es fonen i es solden tot tipus de components electrònics i el coixinet de soldadura de la placa de circuit per realitzar el muntatge de submòduls elèctrics.La tecnologia de muntatge de superfície (sMT) s'utilitza cada cop més en productes d'embalatge d'alta densitat, com ara el paquet de nivell de sistema (siP), dispositius ballgridarray (BGA) i el xip de potència nu, paquet quadrat sense pins plans (quad aatNo-lead, anomenat QFN). ) dispositiu.
A causa de les característiques del procés i dels materials de soldadura de pasta de soldadura, després de la soldadura per reflux d'aquests dispositius de gran superfície de soldadura, hi haurà forats a l'àrea de soldadura, que afectaran les propietats elèctriques, tèrmiques i mecàniques del rendiment del producte, i fins i tot conduir al fracàs del producte, per tant, per millorar la cavitat de soldadura de refluig de pasta de soldadura s'ha convertit en un procés i problema tècnic que s'ha de resoldre, alguns investigadors han analitzat i estudiat les causes de la cavitat de soldadura de boles de soldadura BGA i han proporcionat solucions de millora, soldadura convencional No hi ha una àrea de soldadura del procés de soldadura per reflux de pasta de QFN superior a 10 mm2 o una àrea de soldadura superior a 6 mm2.
Utilitzeu la soldadura de Preformsolder i la soldadura de forn de reflux al buit per millorar el forat de soldadura.La soldadura prefabricada requereix un equip especial per apuntar el flux.Per exemple, el xip es desplaça i s'inclina seriosament després de col·locar el xip directament a la soldadura prefabricada.Si el xip de muntatge de flux és refluix i després apunta, el procés s'incrementa en dos reflujos i el cost de la soldadura prefabricada i el material de flux és molt més gran que la pasta de soldadura.
L'equip de reflux al buit és més car, la capacitat de buit de la cambra de buit independent és molt baixa, el rendiment del cost no és elevat i el problema de les esquitxades de llauna és greu, fet que és un factor important en l'aplicació d'alta densitat i de petit to. productes.En aquest document, basat en el procés de soldadura per refluig de pasta de soldadura convencional, es desenvolupa i s'introdueix un nou procés de soldadura per reflujo secundari per millorar la cavitat de soldadura i resoldre els problemes d'unió i esquerdes del segell de plàstic causats per la cavitat de soldadura.
2 Cavitat de soldadura de refluig d'impressió de pasta de soldadura i mecanisme de producció
2.1 Cavitat de soldadura
Després de la soldadura per reflux, el producte es va provar amb raigs X.Es va trobar que els forats de la zona de soldadura amb un color més clar es deuen a una soldadura insuficient a la capa de soldadura, tal com es mostra a la figura 1.
Detecció de raigs X del forat de la bombolla
2.2 Mecanisme de formació de la cavitat de soldadura
Prenent com a exemple la pasta de soldadura sAC305, la composició i la funció principals es mostren a la taula 1. El flux i les perles d'estany s'uneixen en forma de pasta.La relació de pes entre la soldadura d'estany i el flux és d'aproximadament 9:1 i la relació de volum és d'aproximadament 1:1.
Després d'imprimir i muntar la pasta de soldadura amb diversos components electrònics, la pasta de soldadura patirà quatre etapes de preescalfament, activació, reflux i refredament quan passi pel forn de reflux.L'estat de la pasta de soldadura també és diferent amb diferents temperatures en diferents etapes, tal com es mostra a la figura 2.
Referència del perfil per a cada àrea de soldadura per reflux
En l'etapa de preescalfament i activació, els components volàtils del flux de la pasta de soldadura es volatilitzaran en gas quan s'escalfen.Al mateix temps, es produiran gasos quan s'elimini l'òxid de la superfície de la capa de soldadura.Alguns d'aquests gasos es volatilitzaran i deixaran la pasta de soldadura, i les perles de soldadura es condensaran fortament a causa de la volatilització del flux.En l'etapa de reflux, el flux restant a la pasta de soldadura s'evaporarà ràpidament, les perles d'estany es fondran, una petita quantitat de gas volàtil de flux i la major part de l'aire entre les perles d'estany no es dispersarà en el temps i el residu en el llauna fosa i sota la tensió de la llauna fosa són l'estructura sandvitx d'hamburguesa i estan atrapats pel coixinet de soldadura de la placa de circuit i els components electrònics, i el gas embolicat a la llauna líquida és difícil d'escapar només per la flotabilitat ascendent. El temps de fusió superior és molt curt.Quan l'estany fos es refreda i es converteix en estany sòlid, apareixen porus a la capa de soldadura i es formen forats de soldadura, tal com es mostra a la figura 3.
Diagrama esquemàtic del buit generat per la soldadura per refluig de pasta de soldadura
La causa principal de la cavitat de soldadura és que l'aire o el gas volàtil embolicat a la pasta de soldadura després de la fusió no es descarrega completament.Els factors que influeixen inclouen el material de pasta de soldadura, la forma d'impressió de pasta de soldadura, la quantitat d'impressió de pasta de soldadura, la temperatura de reflux, el temps de reflux, la mida de la soldadura, l'estructura, etc.
3. Verificació dels factors d'influència dels forats de soldadura per refluig d'impressió de pasta de soldadura
Es van utilitzar proves de QFN i de xip nu per confirmar les principals causes dels buits de soldadura per reflujo i per trobar maneres de millorar els buits de soldadura per reflujo impresos amb pasta de soldadura.El perfil del producte de soldadura de refluig de pasta de soldadura QFN i xip nu es mostra a la figura 4, la mida de la superfície de soldadura QFN és de 4,4 mm x 4,1 mm, la superfície de soldadura és una capa estanyada (100% d'estany pur);La mida de soldadura del xip nu és de 3,0 mm x 2,3 mm, la capa de soldadura és una capa bimetàl·lica de níquel-vanadi i la capa superficial és de vanadi.El coixinet de soldadura del substrat era d'immersió d'or de níquel-pal·ladi sense electros i el gruix era de 0,4 μm / 0,06 μm / 0,04 μm.S'utilitza pasta de soldadura SAC305, l'equip d'impressió de pasta de soldadura és DEK Horizon APix, l'equip del forn de reflux és BTUPyramax150N i l'equip de raigs X és DAGExD7500VR.
Dibuixos de soldadura QFN i xip nu
Per facilitar la comparació dels resultats de les proves, es va realitzar la soldadura per reflujo en les condicions de la taula 2.
Taula de condicions de soldadura de refluig
Després de completar el muntatge superficial i la soldadura de reflux, la capa de soldadura es va detectar per raigs X i es va trobar que hi havia forats grans a la capa de soldadura a la part inferior de QFN i xip nu, tal com es mostra a la figura 5.
QFN i holograma de xip (raigs X)
Atès que la mida de les perles d'estany, el gruix de la malla d'acer, la velocitat de l'àrea d'obertura, la forma de la malla d'acer, el temps de reflux i la temperatura màxima del forn afectaran els buits de soldadura per reflux, hi ha molts factors que influeixen, que es verificaran directament per la prova DOE i el nombre d'experimentals. els grups seran massa grans.Cal examinar i determinar ràpidament els principals factors d'influència mitjançant la prova de comparació de correlacions i, a continuació, optimitzar encara més els principals factors d'influència mitjançant DOE.
3.1 Dimensions dels forats de soldadura i les perles de llauna de pasta de soldadura
Amb la prova de pasta de soldadura SAC305 de tipus 3 (mida de la perla 25-45 μm), altres condicions romanen sense canvis.Després del reflux, es mesuren els forats de la capa de soldadura i es comparen amb la pasta de soldadura de tipus 4.Es troba que els forats de la capa de soldadura no són significativament diferents entre els dos tipus de pasta de soldadura, cosa que indica que la pasta de soldadura amb diferents mides de perles no té cap influència òbvia en els forats de la capa de soldadura, cosa que no és un factor d'influència, tal com es mostra a la FIG.6 Com es mostra.
Comparació de forats metàl·lics de pols d'estany amb diferents mides de partícules
3.2 Gruix de la cavitat de soldadura i malla d'acer impresa
Després del reflux, es va mesurar l'àrea de la cavitat de la capa soldada amb la malla d'acer impresa amb un gruix de 50 μm, 100 μm i 125 μm i altres condicions es van mantenir sense canvis.Es va trobar que l'efecte de diferents gruixos de malla d'acer (pasta de soldadura) a QFN es va comparar amb el de la malla d'acer impresa amb un gruix de 75 μm A mesura que augmenta el gruix de la malla d'acer, l'àrea de la cavitat disminueix gradualment.Després d'arribar a un cert gruix (100 μm), l'àrea de la cavitat s'invertirà i començarà a augmentar amb l'augment del gruix de la malla d'acer, tal com es mostra a la figura 7.
Això demostra que quan augmenta la quantitat de pasta de soldadura, el xip cobreix la llauna líquida amb reflux i la sortida de l'escapada d'aire residual només és estreta per quatre costats.Quan es canvia la quantitat de pasta de soldadura, també s'augmenta la sortida de l'escapada d'aire residual i l'explosió instantània d'aire embolicat en estany líquid o gas volàtil que s'escapa d'estany líquid farà que esquitxa l'estany líquid al voltant de QFN i el xip.
La prova va trobar que amb l'augment del gruix de la malla d'acer, també augmentarà l'esclat de bombolles causat per l'escapada d'aire o gas volàtil, i la probabilitat que esquitxa l'estany al voltant de QFN i xip també augmentarà en conseqüència.
Comparació de forats en malla d'acer de diferent gruix
3.3 Relació d'àrea de cavitat de soldadura i obertura de malla d'acer
Es va provar la malla d'acer impresa amb una taxa d'obertura del 100%, 90% i 80% i altres condicions es van mantenir sense canvis.Després del reflux, es va mesurar l'àrea de la cavitat de la capa soldada i es va comparar amb la malla d'acer impresa amb una taxa d'obertura del 100%.Es va trobar que no hi havia cap diferència significativa en la cavitat de la capa soldada en les condicions de la taxa d'obertura del 100% i del 90% al 80%, tal com es mostra a la figura 8.
Comparació de cavitats de diferents àrees d'obertura de diferents malles d'acer
3.4 Cavitat soldada i forma de malla d'acer impresa
Amb la prova de forma d'impressió de la pasta de soldadura de la tira b i la graella inclinada c, altres condicions romanen sense canvis.Després del reflux, es mesura l'àrea de la cavitat de la capa de soldadura i es compara amb la forma d'impressió de la graella a.Es constata que no hi ha cap diferència significativa en la cavitat de la capa de soldadura en les condicions de quadrícula, cinta i quadrícula inclinada, tal com es mostra a la figura 9.
Comparació de forats en diferents modes d'obertura de malla d'acer
3.5 Cavitat de soldadura i temps de reflux
Després de la prova de temps de reflux prolongat (70 s, 80 s, 90 s), les altres condicions es mantenen sense canvis, el forat de la capa de soldadura es va mesurar després del reflux i, en comparació amb el temps de reflux de 60 s, es va trobar que amb l'augment de temps de reflux, l'àrea del forat de soldadura va disminuir, però l'amplitud de reducció va disminuir gradualment amb l'augment del temps, tal com es mostra a la figura 10. Això mostra que en el cas d'un temps de reflux insuficient, augmentar el temps de reflux és propici per al desbordament total d'aire. embolicat en llauna líquida fosa, però després que el temps de reflux augmenta fins a un cert temps, l'aire embolicat en llauna líquida és difícil que es torni a desbordar.El temps de reflux és un dels factors que afecten la cavitat de soldadura.
Comparació de buits de diferents temps de reflux
3.6 Cavitat de soldadura i temperatura màxima del forn
Amb una prova de temperatura màxima del forn de 240 ℃ i 250 ℃ i altres condicions sense canvis, es va mesurar l'àrea de la cavitat de la capa soldada després del reflux i, en comparació amb la temperatura màxima del forn de 260 ℃, es va trobar que en diferents condicions de temperatura màxima del forn, la cavitat de la capa soldada de QFN i xip no va canviar significativament, tal com es mostra a la figura 11. Mostra que la temperatura màxima del forn diferent no té cap efecte evident sobre QFN i el forat de la capa de soldadura de l'encenall, que no és un factor d'influència.
Comparació de buits de diferents temperatures màximes
Les proves anteriors indiquen que els factors significatius que afecten la cavitat de la capa de soldadura de QFN i xip són el temps de reflux i el gruix de la malla d'acer.
4 Millora de la cavitat de soldadura de refluig d'impressió de pasta de soldadura
Prova 4.1DOE per millorar la cavitat de soldadura
El forat de la capa de soldadura de QFN i xip es va millorar trobant el valor òptim dels principals factors d'influència (temps de reflux i gruix de malla d'acer).La pasta de soldadura era SAC305 tipus 4, la forma de malla d'acer era de tipus quadrícula (grau d'obertura del 100%), la temperatura màxima del forn era de 260 ℃ i altres condicions de prova eren les mateixes que les de l'equip de prova.La prova i els resultats del DOE es van mostrar a la taula 3. Les influències del gruix de la malla d'acer i el temps de reflux en els forats de soldadura QFN i xips es mostren a la figura 12. Mitjançant l'anàlisi d'interacció dels principals factors d'influència, es troba que utilitzant un gruix de malla d'acer de 100 μm i el temps de reflux de 80 s pot reduir significativament la cavitat de soldadura de QFN i xip.La taxa de cavitat de soldadura de QFN es redueix del màxim del 27,8% al 16,1% i la taxa de cavitat de soldadura del xip es redueix del màxim del 20,5% al 14,5%.
A la prova, es van produir 1000 productes en les condicions òptimes (gruix de malla d'acer de 100 μm, temps de reflux de 80 s) i es va mesurar aleatòriament la velocitat de la cavitat de soldadura de 100 QFN i xip.La taxa mitjana de cavitat de soldadura de QFN va ser del 16,4% i la taxa mitjana de cavitat de soldadura del xip va ser del 14,7% La taxa de cavitat de soldadura del xip i el xip es redueix òbviament.
4.2 El nou procés millora la cavitat de soldadura
La situació real de producció i les proves mostren que quan l'àrea de la cavitat de soldadura a la part inferior del xip és inferior al 10%, el problema d'esquerdes de la posició de la cavitat del xip no es produirà durant la unió i l'emmotllament del plom.Els paràmetres de procés optimitzats per DOE no poden complir els requisits d'anàlisi i resolució dels forats de la soldadura de refluig de pasta de soldadura convencional, i la velocitat de l'àrea de la cavitat de soldadura del xip s'ha de reduir encara més.
Com que el xip cobert a la soldadura evita que el gas de la soldadura s'escapi, la taxa de forats a la part inferior del xip es redueix encara més eliminant o reduint el gas recobert de la soldadura.S'adopta un nou procés de soldadura per reflux amb dues impressió de pasta de soldadura: una impressió de pasta de soldadura, una de reflux que no cobreix QFN i el xip nu que descarrega el gas a la soldadura;El procés específic d'impressió de pasta de soldadura secundària, pegat i reflux secundari es mostra a la figura 13.
Quan la pasta de soldadura de 75 μm de gruix s'imprimeix per primera vegada, la major part del gas de la soldadura sense coberta de xip s'escapa de la superfície i el gruix després del reflux és d'uns 50 μm.Després de completar el reflux primari, s'imprimeixen quadrats petits a la superfície de la soldadura solidificada refredada (per tal de reduir la quantitat de pasta de soldadura, reduir la quantitat de vessament de gas, reduir o eliminar les esquitxades de soldadura) i la pasta de soldadura amb un gruix de 50 μm (els resultats de la prova anteriors mostren que 100 μm és el millor, de manera que el gruix de la impressió secundària és de 100 μm, 50 μm = 50 μm), després instal·leu el xip i torneu-hi durant 80 s.Gairebé no hi ha forat a la soldadura després de la primera impressió i reflux, i la pasta de soldadura de la segona impressió és petita i el forat de soldadura és petit, com es mostra a la figura 14.
Després de dues impressions de pasta de soldadura, dibuix buit
4.3 Verificació de l'efecte cavitat de soldadura
Producció de 2000 productes (el gruix de la primera malla d'acer d'impressió és de 75 μm, el gruix de la segona malla d'acer d'impressió és de 50 μm), altres condicions sense canvis, mesura aleatòria de 500 QFN i velocitat de cavitat de soldadura de xips, va trobar que el nou procés després del primer reflux sense cavitat, després del segon reflux QFN La taxa màxima de cavitat de soldadura és del 4,8% i la taxa màxima de cavitat de soldadura del xip és del 4,1%.En comparació amb el procés de soldadura d'impressió d'una sola pasta original i el procés optimitzat DOE, la cavitat de soldadura es redueix significativament, tal com es mostra a la figura 15. No es van trobar esquerdes d'encenall després de les proves funcionals de tots els productes.
5 Resum
L'optimització de la quantitat d'impressió de pasta de soldadura i el temps de reflux pot reduir l'àrea de la cavitat de soldadura, però la velocitat de la cavitat de soldadura encara és gran.L'ús de dues tècniques de soldadura per refluig d'impressió de pasta de soldadura pot maximitzar de manera eficaç la velocitat de la cavitat de soldadura.L'àrea de soldadura del xip nu del circuit QFN pot ser de 4,4 mm x 4,1 mm i 3,0 mm x 2,3 mm, respectivament, en producció en massa. La velocitat de la cavitat de soldadura per reflux es controla per sota del 5%, la qual cosa millora la qualitat i la fiabilitat de la soldadura per reflujo.La investigació d'aquest article proporciona una referència important per millorar el problema de la cavitat de soldadura de la superfície de soldadura de gran àrea.