1 Hyrje
Në montimin e qarkut elektrik, pasta e saldimit shtypet së pari në jastëkun e saldimit të qarkut, dhe më pas ngjiten komponentë të ndryshëm elektronikë. Së fundmi, pas furrës së ripërtëritjes, kokrrizat e kallajit në pastën e saldimit shkrihen dhe të gjitha llojet e komponentëve elektronikë dhe jastëku i saldimit të qarkut saldohen së bashku për të realizuar montimin e nënmoduleve elektrike. Teknologjia e montimit sipërfaqësor (sMT) përdoret gjithnjë e më shumë në produktet e paketimit me dendësi të lartë, siç janë pajisjet e paketimit në nivel sistemi (siP), pajisjet e rrjetit topik (BGA) dhe pajisjet e çipit të fuqisë bare, paketimi katror i sheshtë pa kunja (quad aatNo-lead, i referuar si QFN).
Për shkak të karakteristikave të procesit të saldimit me pastë saldimi dhe materialeve, pas saldimit me rifluks të këtyre pajisjeve me sipërfaqe të mëdha saldimi, do të ketë vrima në zonën e saldimit me kallaj, të cilat do të ndikojnë në vetitë elektrike, vetitë termike dhe vetitë mekanike të performancës së produktit, dhe madje do të çojnë në dështim të produktit. Prandaj, për të përmirësuar zgavrën e saldimit me rifluks të pastës së saldimit është bërë një problem procesor dhe teknik që duhet zgjidhur, disa studiues kanë analizuar dhe studiuar shkaqet e zgavrës së saldimit me topa saldimi BGA dhe kanë ofruar zgjidhje përmirësimi, mungon zgjidhja e çipit të zhveshur në procesin e saldimit me rifluks të pastës së saldimit konvencional me sipërfaqe QFN më të madhe se 10 mm2 ose sipërfaqe saldimi më të madhe se 6 mm2.
Përdorni saldim me paraformë saldimi dhe saldim me furrë me refluks vakumi për të përmirësuar vrimën e saldimit. Saldimi i parafabrikuar kërkon pajisje speciale për të drejtuar fluksin. Për shembull, çipi zhvendoset dhe anohet seriozisht pasi çipi vendoset direkt në saldimin e parafabrikuar. Nëse çipi i montuar në fluks rifreskohet dhe pastaj drejtohet, procesi rritet me dy rifreskime, dhe kostoja e saldimit të parafabrikuar dhe materialit të fluksit është shumë më e lartë se ajo e pastës së saldimit.
Pajisjet me refluks vakumi janë më të shtrenjta, kapaciteti vakum i dhomës së pavarur të vakumit është shumë i ulët, performanca e kostos nuk është e lartë dhe problemi i spërkatjes së kallajit është serioz, i cili është një faktor i rëndësishëm në aplikimin e produkteve me dendësi të lartë dhe me hapa të vegjël. Në këtë punim, bazuar në procesin konvencional të saldimit me rifluks me pastë saldimi, zhvillohet dhe prezantohet një proces i ri saldimi sekondar me rifluks për të përmirësuar zgavrën e saldimit dhe për të zgjidhur problemet e ngjitjes dhe çarjes së vulës plastike të shkaktuar nga zgavra e saldimit.
2 Zgavra e saldimit me ripërpunim të shtypjes së pastës së saldimit dhe mekanizmi i prodhimit
2.1 Zgavra e saldimit
Pas saldimit me ripërpunim, produkti u testua me rreze X. Vrimat në zonën e saldimit me ngjyrë më të çelët u gjetën të ishin për shkak të mungesës së saldimit në shtresën e saldimit, siç tregohet në Figurën 1.
Zbulimi me rreze X i vrimës së flluskës
2.2 Mekanizmi i formimit të zgavrës së saldimit
Duke marrë si shembull pastën e bashkimit sAC305, përbërja dhe funksioni kryesor tregohen në Tabelën 1. Sferat e fluksit dhe kallajit janë të lidhura së bashku në formën e pastës. Raporti i peshës së bashkimit të kallajit me fluksin është rreth 9:1, dhe raporti i vëllimit është rreth 1:1.
Pasi pasta e saldimit të shtypet dhe të montohet me komponentë të ndryshëm elektronikë, ajo do t'i nënshtrohet katër fazave të ngrohjes paraprake, aktivizimit, refluksit dhe ftohjes kur kalon nëpër furrën e refluksit. Gjendja e pastës së saldimit është gjithashtu e ndryshme me temperatura të ndryshme në faza të ndryshme, siç tregohet në Figurën 2.
Referenca e profilit për secilën zonë të saldimit me ripërpunim
Në fazën e parangrohjes dhe aktivizimit, përbërësit e paqëndrueshëm në fluksin në pastën e bashkimit do të avullohen në gaz kur nxehen. Në të njëjtën kohë, do të prodhohen gazra kur hiqet oksidi në sipërfaqen e shtresës së saldimit. Disa nga këto gazra do të avullohen dhe do të largohen nga pasta e bashkimit, dhe sferat e bashkimit do të kondensohen fort për shkak të avullimit të fluksit. Në fazën e refluksit, fluksi i mbetur në pastën e bashkimit do të avullojë shpejt, sferat e kallajit do të shkrihen, një sasi e vogël e gazit të paqëndrueshëm të fluksit dhe pjesa më e madhe e ajrit midis sferave të kallajit nuk do të shpërndahen me kalimin e kohës, dhe mbetjet në kallajin e shkrirë dhe nën tensionin e kallajit të shkrirë janë në formë sanduiçi dhe kapen nga pllaka e bashkimit të qarkut dhe përbërësit elektronikë, dhe gazi i mbështjellë në kallajin e lëngshëm është i vështirë të dalë vetëm nga lëvizja lart. Koha e sipërme e shkrirjes është shumë e shkurtër. Kur kallaji i shkrirë ftohet dhe bëhet kallaj i ngurtë, poret shfaqen në shtresën e saldimit dhe vrimat e bashkimit, siç tregohet në Figurën 3.
Diagrami skematik i boshllëkut të gjeneruar nga saldimi me ripërpunim të pastës së saldimit
Shkaku rrënjësor i zgavrës së saldimit është se ajri ose gazi i paqëndrueshëm i mbështjellë në pastën e saldimit pas shkrirjes nuk shkarkohet plotësisht. Faktorët ndikues përfshijnë materialin e pastës së saldimit, formën e printimit të pastës së saldimit, sasinë e printimit të pastës së saldimit, temperaturën e refluksit, kohën e refluksit, madhësinë e saldimit, strukturën e kështu me radhë.
3. Verifikimi i faktorëve ndikues të vrimave të saldimit me rimbushurje të shtypjes së pastës së saldimit
Testet QFN dhe të çipave të zhveshura u përdorën për të konfirmuar shkaqet kryesore të boshllëqeve të saldimit me rifluks dhe për të gjetur mënyra për të përmirësuar boshllëqet e saldimit me rifluks të shtypura me pastë saldimi. Profili i produktit të saldimit me rifluks QFN dhe pastë saldimi me çipa të zhveshura tregohet në Figurën 4, madhësia e sipërfaqes së saldimit QFN është 4.4 mmx4.1 mm, sipërfaqja e saldimit është shtresë e kallajuar (100% kallaj i pastër); Madhësia e saldimit të çipit të zhveshur është 3.0 mmx2.3 mm, shtresa e saldimit është shtresë bimetalike nikel-vanadium e spërkatur, dhe shtresa sipërfaqësore është vanadium. Jastëku i saldimit të substratit ishte zhytur në ar nikel-paladium pa elektroli, dhe trashësia ishte 0.4 μm/0.06 μm/0.04 μm. Është përdorur pastë saldimi SAC305, pajisja e printimit me pastë saldimi është DEK Horizon APix, pajisja e furrës me refluks është BTUPyramax150N, dhe pajisja me rreze X është DAGExD7500VR.
Vizatime të saldimit QFN dhe çipave të zhveshura
Për të lehtësuar krahasimin e rezultateve të testimit, saldimi me rrjedhje u krye sipas kushteve në Tabelën 2.
Tabela e kushteve të saldimit me ripërpunim
Pasi u përfundua montimi sipërfaqësor dhe saldimi me rrjedhje, shtresa e saldimit u zbulua me anë të rrezeve X dhe u zbulua se kishte vrima të mëdha në shtresën e saldimit në fund të QFN dhe çikë të zhveshur, siç tregohet në Figurën 5.
QFN dhe Holograma e Çipit (Rreze X)
Meqenëse madhësia e rruazave të kallajit, trashësia e rrjetës së çelikut, shkalla e sipërfaqes së hapjes, forma e rrjetës së çelikut, koha e refluksit dhe temperatura maksimale e furrës do të ndikojnë të gjitha në boshllëqet e saldimit me rifluks, ka shumë faktorë ndikues, të cilët do të verifikohen drejtpërdrejt nga testi DOE, dhe numri i grupeve eksperimentale do të jetë shumë i madh. Është e nevojshme të shqyrtohen dhe të përcaktohen shpejt faktorët kryesorë ndikues përmes testit të krahasimit të korrelacionit, dhe më pas të optimizohen më tej faktorët kryesorë ndikues përmes DOE.
3.1 Dimensionet e vrimave të saldimit dhe rruazave të kallajit të pastës së saldimit
Me testin e pastës së saldimit SAC305 të tipit 3 (madhësia e sferës 25-45 μm), kushtet e tjera mbeten të pandryshuara. Pas ripërpunimit, vrimat në shtresën e saldimit maten dhe krahasohen me pastën e saldimit të tipit 4. Është vërejtur se vrimat në shtresën e saldimit nuk janë dukshëm të ndryshme midis dy llojeve të pastës së saldimit, duke treguar se pasta e saldimit me madhësi të ndryshme të sferës nuk ka ndikim të dukshëm në vrimat në shtresën e saldimit, gjë që nuk është një faktor ndikues, siç tregohet në FIG. 6. Siç tregohet.
Krahasimi i vrimave të pluhurit metalik të kallajit me madhësi të ndryshme grimcash
3.2 Trashësia e zgavrës së saldimit dhe rrjetës së çelikut të shtypur
Pas ripërpunimit, sipërfaqja e zgavrës së shtresës së salduar u mat me rrjetën e çelikut të shtypur me trashësi 50 μm, 100 μm dhe 125 μm, dhe kushtet e tjera mbetën të pandryshuara. U zbulua se efekti i trashësive të ndryshme të rrjetës së çelikut (pastës së saldimit) në QFN u krahasua me atë të rrjetës së çelikut të shtypur me trashësi 75 μm. Ndërsa trashësia e rrjetës së çelikut rritet, sipërfaqja e zgavrës zvogëlohet gradualisht ngadalë. Pas arritjes së një trashësie të caktuar (100 μm), sipërfaqja e zgavrës do të ndryshojë dhe do të fillojë të rritet me rritjen e trashësisë së rrjetës së çelikut, siç tregohet në Figurën 7.
Kjo tregon se kur sasia e pastës së saldimit rritet, kallaji i lëngshëm me refluks mbulohet nga çipi, dhe dalja e ajrit të mbetur është e ngushtë vetëm në katër anët. Kur sasia e pastës së saldimit ndryshohet, dalja e ajrit të mbetur rritet gjithashtu, dhe shpërthimi i menjëhershëm i ajrit të mbështjellë me kallaj të lëngshëm ose gaz të paqëndrueshëm që del nga kallaji i lëngshëm do të shkaktojë që kallaji i lëngshëm të spërkatet rreth QFN dhe çipit.
Testi zbuloi se me rritjen e trashësisë së rrjetës së çelikut, shpërthimi i flluskave të shkaktuara nga dalja e ajrit ose gazit të paqëndrueshëm do të rritet gjithashtu, dhe probabiliteti i spërkatjes së kallajit rreth QFN dhe akrilikut do të rritet gjithashtu përkatësisht.
Krahasimi i vrimave në rrjetën e çelikut me trashësi të ndryshme
3.3 Raporti i sipërfaqes së zgavrës së saldimit dhe hapjes së rrjetës së çelikut
Rrjeta e çelikut të shtypur me shkallë hapjeje prej 100%, 90% dhe 80% u testua, dhe kushtet e tjera mbetën të pandryshuara. Pas ripërpunimit, sipërfaqja e zgavrës së shtresës së salduar u mat dhe u krahasua me rrjetën e çelikut të shtypur me shkallë hapjeje 100%. U zbulua se nuk kishte ndryshim të rëndësishëm në zgavrën e shtresës së salduar në kushtet e shkallës së hapjes prej 100% dhe 90% 80%, siç tregohet në Figurën 8.
Krahasimi i zgavrave të sipërfaqeve të ndryshme të hapjes së rrjetave të ndryshme të çelikut
3.4 Zgavër e salduar dhe formë rrjete çeliku e shtypur
Me testin e formës së printimit të pastës së saldimit të shiritit b dhe rrjetës së pjerrët c, kushtet e tjera mbeten të pandryshuara. Pas ripërpunimit, sipërfaqja e zgavrës së shtresës së saldimit matet dhe krahasohet me formën e printimit të rrjetës a. Është konstatuar se nuk ka ndryshim të rëndësishëm në zgavrën e shtresës së saldimit në kushtet e rrjetës, shiritit dhe rrjetës së pjerrët, siç tregohet në Figurën 9.
Krahasimi i vrimave në mënyra të ndryshme hapjeje të rrjetës së çelikut
3.5 Zgavra e saldimit dhe koha e refluksit
Pas një kohe të zgjatur refluksi (70 s, 80 s, 90 s), kushtet e tjera mbetën të pandryshuara, vrima në shtresën e saldimit u mat pas refluksit dhe, krahasuar me kohën e refluksit prej 60 s, u zbulua se me rritjen e kohës së refluksit, sipërfaqja e vrimës së saldimit u zvogëlua, por amplituda e reduktimit u zvogëlua gradualisht me rritjen e kohës, siç tregohet në Figurën 10. Kjo tregon se në rastin e kohës së pamjaftueshme të refluksit, rritja e kohës së refluksit është e favorshme për derdhjen e plotë të ajrit të mbështjellë me kallaj të lëngshëm të shkrirë, por pasi koha e refluksit rritet në një kohë të caktuar, ajri i mbështjellë me kallaj të lëngshëm është i vështirë të derdhet përsëri. Koha e refluksit është një nga faktorët që ndikojnë në zgavrën e saldimit.
Krahasim i pavlefshëm i gjatësive të ndryshme të kohës së refluksit
3.6 Zgavra e saldimit dhe temperatura maksimale e furrës
Me testin e temperaturës maksimale të furrës 240 ℃ dhe 250 ℃ dhe kushte të tjera të pandryshuara, sipërfaqja e zgavrës së shtresës së salduar u mat pas ripërpunimit dhe, krahasuar me temperaturën maksimale të furrës 260 ℃, u zbulua se në kushte të ndryshme të temperaturës maksimale të furrës, zgavra e shtresës së salduar të QFN dhe çipit nuk ndryshoi ndjeshëm, siç tregohet në Figurën 11. Tregon se temperaturat e ndryshme maksimale të furrës nuk kanë efekt të dukshëm në QFN dhe vrimën në shtresën e saldimit të çipit, gjë që nuk është një faktor ndikues.
Krahasim i pavlefshëm i temperaturave të ndryshme maksimale
Testet e mësipërme tregojnë se faktorët e rëndësishëm që ndikojnë në zgavrën e shtresës së saldimit të QFN dhe çipit janë koha e refluksit dhe trashësia e rrjetës së çelikut.
4 Përmirësimi i zgavrës së saldimit me ripërpunim të shtypjes me pastë saldimi
Testi 4.1 DOE për të përmirësuar zgavrën e saldimit
Vrima në shtresën e saldimit të QFN dhe çipit u përmirësua duke gjetur vlerën optimale të faktorëve kryesorë ndikues (koha e refluksit dhe trashësia e rrjetës së çelikut). Pasta e saldimit ishte SAC305 tipi 4, forma e rrjetës së çelikut ishte tipi rrjetë (shkallë hapjeje 100%), temperatura maksimale e furrës ishte 260 ℃, dhe kushtet e tjera të testimit ishin të njëjta me ato të pajisjeve të testimit. Testi dhe rezultatet e DOE u treguan në Tabelën 3. Ndikimet e trashësisë së rrjetës së çelikut dhe kohës së refluksit në vrimat e saldimit QFN dhe çipit tregohen në Figurën 12. Përmes analizës së ndërveprimit të faktorëve kryesorë ndikues, u zbulua se përdorimi i trashësisë së rrjetës së çelikut 100 μm dhe kohës së refluksit 80 s mund të zvogëlojë ndjeshëm zgavrën e saldimit të QFN dhe çipit. Shkalla e zgavrës së saldimit të QFN zvogëlohet nga maksimumi 27.8% në 16.1%, dhe shkalla e zgavrës së saldimit të çipit zvogëlohet nga maksimumi 20.5% në 14.5%.
Në provë, u prodhuan 1000 produkte në kushte optimale (trashësi rrjete çeliku 100 μm, kohë refluksi 80 s), dhe shkalla e zgavrës së saldimit të 100 QFN dhe akrilit u mat rastësisht. Shkalla mesatare e zgavrës së saldimit të QFN ishte 16.4%, dhe shkalla mesatare e zgavrës së saldimit të akrilit ishte 14.7%. Shkalla e zgavrës së saldimit të akrilit dhe akrilit është dukshëm e reduktuar.
4.2 Procesi i ri përmirëson zgavrën e saldimit
Situata aktuale e prodhimit dhe testet tregojnë se kur sipërfaqja e zgavrës së saldimit në fund të çipit është më pak se 10%, problemi i çarjes së pozicionit të zgavrës së çipit nuk do të ndodhë gjatë lidhjes dhe derdhjes së plumbit. Parametrat e procesit të optimizuar nga DOE nuk mund të përmbushin kërkesat e analizimit dhe zgjidhjes së vrimave në saldimin konvencional me ripërpunim të pastës së saldimit, dhe shkalla e sipërfaqes së zgavrës së saldimit të çipit duhet të reduktohet më tej.
Meqenëse akrili i mbuluar në kallaj parandalon daljen e gazit në kallaj, shkalla e vrimave në fund të akrilit zvogëlohet më tej duke eliminuar ose zvogëluar gazin e veshur me kallaj. Është miratuar një proces i ri i saldimit me ripërpunim me dy printime me pastë kallaji: një printim me pastë kallaji, një ripërpunim që nuk mbulon QFN dhe një akril i zhveshur që shkarkon gazin në kallaj; Procesi specifik i printimit sekondar me pastë kallaji, copës dhe refluksit sekondar tregohet në Figurën 13.
Kur pasta e bashkimit me trashësi 75μm shtypet për herë të parë, pjesa më e madhe e gazit në bashkimin pa mbulesë ashkla del nga sipërfaqja, dhe trashësia pas refluksit është rreth 50μm. Pas përfundimit të refluksit primar, katrorë të vegjël shtypen në sipërfaqen e bashkimit të ngurtësuar të ftohur (me qëllim që të zvogëlohet sasia e pastës së bashkimit, të zvogëlohet sasia e derdhjes së gazit, të zvogëlohet ose të eliminohet spërkatja e bashkimit), dhe pasta e bashkimit me një trashësi prej 50 μm (rezultatet e testit të mësipërm tregojnë se 100 μm është më e mira, kështu që trashësia e shtypjes sekondare është 100 μm.50 μm=50 μm), pastaj instalohet çipi dhe pastaj kthehet pas 80 s. Nuk ka pothuajse asnjë vrimë në bashkim pas shtypjes dhe ripërpunimit të parë, dhe pasta e bashkimit në shtypjen e dytë është e vogël, dhe vrima e saldimit është e vogël, siç tregohet në Figurën 14.
Pas dy printimeve të pastës së saldimit, vizatim i zbrazët
4.3 Verifikimi i efektit të zgavrës së saldimit
Prodhimi i 2000 produkteve (trashësia e rrjetës së parë të çelikut të printimit është 75 μm, trashësia e rrjetës së dytë të çelikut të printimit është 50 μm), kushtet e tjera të pandryshuara, matja rastësore e 500 QFN dhe shkalla e zgavrës së saldimit me çip, zbuloi se procesi i ri pas refluksit të parë nuk ka zgavër, pas refluksit të dytë QFN shkalla maksimale e zgavrës së saldimit është 4.8%, dhe shkalla maksimale e zgavrës së saldimit të çipit është 4.1%. Krahasuar me procesin origjinal të saldimit me printim me një pastë të vetme dhe procesin e optimizuar nga DOE, zgavra e saldimit është reduktuar ndjeshëm, siç tregohet në Figurën 15. Pas testeve funksionale të të gjitha produkteve nuk u gjetën çarje në çip.
5 Përmbledhje
Optimizimi i sasisë së printimit me pastë saldimi dhe kohës së refluksit mund të zvogëlojë sipërfaqen e zgavrës së saldimit, por shkalla e zgavrës së saldimit është ende e madhe. Përdorimi i dy teknikave të saldimit me rifluks të printimit me pastë saldimi mund të maksimizojë në mënyrë efektive shkallën e zgavrës së saldimit. Sipërfaqja e saldimit të çipit të zhveshur të qarkut QFN mund të jetë përkatësisht 4.4 mm x 4.1 mm dhe 3.0 mm x 2.3 mm në prodhimin masiv. Shkalla e zgavrës së saldimit me rifluks kontrollohet nën 5%, gjë që përmirëson cilësinë dhe besueshmërinë e saldimit me rifluks. Hulumtimi në këtë punim ofron një referencë të rëndësishme për përmirësimin e problemit të zgavrës së saldimit të sipërfaqes së madhe të saldimit.
Koha e postimit: 05 korrik 2023
