1 Aféierung
Bei der Montage vun der Leiterplatte gëtt Lötpaste als éischt op de Lötpad vun der Leiterplatte gedréckt, an duerno ginn verschidden elektronesch Komponenten ubruecht. Schlussendlech, nom Reflow-Uewen, ginn d'Zinnperlen an der Lötpaste geschmolz an all Zorte vun elektronesche Komponenten an de Lötpad vun der Leiterplatte ginn zesummegeschweesst, fir d'Montage vun elektresche Submoduler ze realiséieren. Surfacemount-Technologie (sMT) gëtt ëmmer méi a Verpackungsprodukter mat héijer Dicht benotzt, wéi zum Beispill System-Level-Packagen (siP), Ballgridarray-Geräter (BGA) a Power-Bare-Chip-Geräter, Quad-At-No-Lead-Geräter (QFN).
Wéinst den Eegeschafte vum Lötpaste-Schweißprozess a vu Materialien, gëtt et nom Reflow-Schweißen vun dësen groussen Lötflächen-Apparater Lächer am Lötschweißberäich, wat d'elektresch Eegeschaften, thermesch Eegeschaften a mechanesch Eegeschafte vum Produkt beaflosse kann a souguer zu Produktversagen féiert. Dofir ass d'Verbesserung vun der Lötpaste-Reflow-Schweißhöhl zu engem Prozess- a technesche Problem ginn, deen geléist muss ginn. E puer Fuerscher hunn d'Ursaachen vun der BGA-Lötkugel-Schweißhöhl analyséiert a studéiert, a Verbesserungsléisunge geliwwert. Et feelt u Léisunge fir de blanke Chip beim konventionelle Lötpaste-Reflow-Schweißprozess mat enger QFN-Schweißfläch vu méi wéi 10 mm2 oder enger Schweessfläch vu méi wéi 6 mm2.
Benotzt Preformsolder Schweess a Vakuum-Refluxuewen Schweess fir d'Schweesslach ze verbesseren. Prefabrizéiert Löt brauch speziell Ausrüstung fir de Flux ze pointéieren. Zum Beispill gëtt de Chip direkt op de prefabrizéierte Löt verréckelt a staark gekippt. Wann de Flux-Mount-Chip Reflow an dann Point-Reflow gemaach gëtt, gëtt de Prozess ëm zwee Reflow erhéicht, an d'Käschte fir prefabrizéiert Löt a Fluxmaterial si vill méi héich wéi fir Lötpaste.
Vakuum-Reflux-Ausrüstung ass méi deier, d'Vakuumkapazitéit vun der onofhängeger Vakuumkammer ass ganz niddreg, d'Käschteleistung ass net héich, an d'Problem mat Zënnsprëtzer ass eescht, wat e wichtege Faktor bei der Uwendung vu Produkter mat héijer Dicht a klenger Schneid ass. An dëser Aarbecht gëtt op Basis vum konventionelle Lötpaste-Reflow-Schweissprozess en neie sekundäre Reflow-Schweissprozess entwéckelt an agefouert, fir d'Schweisshuelraim ze verbesseren an d'Problemer vun der Bindung a Plastikdichtung ze léisen, déi duerch d'Schweisshuelraim verursaacht ginn.
2 Lötpaste-Drock-Reflow-Schweisskavitéit a Produktiounsmechanismus
2.1 Schweessraum
Nom Reflow-Schweißen gouf d'Produkt ënner Röntgen getest. D'Lächer an der Schweißzon mat enger méi heller Faarf hu sech als wéinst net genuch Läit an der Schweißschicht erausgestallt, wéi an der Figur 1 gewisen.
Röntgendetektioun vum Blasenlach
2.2 Bildungsmechanismus vun der Schweesshähl
Wann een d'Lötpaste vun sAC305 als Beispill hëlt, sinn d'Haaptzesummesetzung an d'Funktioun an der Tabell 1 gewisen. De Flux an d'Zinnperlen sinn a Pasteform zesummegebonnen. D'Gewiichtsverhältnis vum Zinnlot zum Flux ass ongeféier 9:1, an d'Volumenverhältnis ass ongeféier 1:1.
Nodeems d'Lötpaste gedréckt a mat verschiddenen elektronesche Komponenten montéiert ass, gëtt d'Lötpaste véier Etappen duerch: Virhëtzen, Aktivéierung, Reflux a Killung, wann se duerch de Refluxuewen geet. Den Zoustand vun der Lötpaste ënnerscheed sech och mat verschiddenen Temperaturen an de verschiddene Etappen, wéi an der Figur 2 gewisen.
Profilreferenz fir all Beräich vum Reflow-Löten
An der Virhëtzungs- an Aktivéierungsphase ginn déi flüchteg Komponenten am Flux an der Lötpaste beim Erhëtzen zu Gas verdampft. Gläichzäiteg ginn Gaser produzéiert, wann den Oxid op der Uewerfläch vun der Schweessschicht ewechgeholl gëtt. E puer vun dëse Gase verdampfen a verloossen d'Lötpaste, an d'Lötperle ginn duerch d'Verdampfung vum Flux fest kondenséiert. An der Refluxphase verdampft de Rescht vum Flux an der Lötpaste séier, d'Zënnperle schmëlzen, eng kleng Quantitéit vum flüchtege Fluxgas an de gréissten Deel vun der Loft tëscht den Zënnperle ginn net rechtzäiteg opgeléist, an d'Reschter am geschmoltenen Zënn an ënner der Spannung vum geschmoltenen Zënn bilden eng Hamburger-Sandwich-Struktur a ginn vum Lötpad vun der Leiterplack an den elektronesche Komponenten agefaange, an de Gas, deen an de flëssegen Zënn agewéckelt ass, kann nëmme schwéier entkommen, well en no uewe geriicht ass. D'Schmelzzäit am ieweschten Deel ass ganz kuerz. Wann de geschmoltenen Zënn ofkillt a fest Zënn gëtt, erschéngen Poren an der Schweessschicht a Lächer entstinn, wéi an der Figur 3 gewisen.
Schematesch Diagramm vum Lächer, deen duerch Lötpaste-Reflow-Schweißen entsteet
D'Ursaach vun engem Schweessraum ass, datt d'Loft oder dat flüchtegt Gas, dat an der Lötpaste agewéckelt ass, nom Schmelzen net komplett ofgeleet gëtt. Zu den Aflossfaktoren gehéieren d'Material vun der Lötpaste, d'Form vun der Lötpaste, d'Quantitéit vun der Lötpaste, d'Refluxtemperatur, d'Refluxzäit, d'Gréisst an d'Struktur vun der Schweess, asw.
3. Verifizéierung vun den Aflossfaktoren vum Lötpaste-Drock-Reflow-Schweißlächer
QFN- an Bare-Chip-Tester goufen duerchgefouert, fir déi Haaptursaachen vu Reflow-Schweißlächer ze bestätegen an och fir Weeër ze fannen, fir d'Reflow-Schweißlächer, déi duerch Lötpaste gedréckt ginn, ze verbesseren. De Produktprofil vum QFN- a Bare-Chip-Lötpaste-Reflow-Schweißen gëtt an der Figur 4 gewisen. D'Gréisst vun der QFN-Schweißoberfläche ass 4,4 mm x 4,1 mm, d'Schweißoberfläche ass eng Verzënnungsschicht (100% rengt Zinn); d'Schweißgréisst vum Bare-Chip ass 3,0 mm x 2,3 mm, d'Schweißschicht ass eng gesputtert Néckel-Vanadium-Bimetallschicht an d'Uewerflächenschicht ass Vanadium. De Schweessplat vum Substrat war elektroless Néckel-Palladium-Gold-Tauche, an d'Déckt war 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. SAC305 Lötpaste gëtt benotzt, d'Lötpaste-Dréckausrüstung ass DEK Horizon APix, d'Refluxuewenausrüstung ass BTUPyramax150N an d'Röntgenausrüstung ass DAGExD7500VR.
QFN- a Bare-Chip-Schweisszeechnungen
Fir de Verglach vun den Testergebnisse ze erliichteren, gouf d'Reflow-Schweißen ënner de Konditiounen an der Tabell 2 duerchgefouert.
Tabelle vun de Reflow-Schweissbedingungen
Nodeems d'Uewerflächenmontage an d'Reflow-Schweißen ofgeschloss waren, gouf d'Schweißschicht mat Hëllef vun der Röntgenopnam detektéiert, an et gouf festgestallt, datt et grouss Lächer an der Schweißschicht um Buedem vum QFN an dem plakege Chip gouf, wéi an der Figur 5 gewisen.
QFN an Chip-Hologramm (Röntgen)
Well d'Gréisst vum Zënnperlen, d'Dicke vum Stahlnetz, d'Ouverturefläch, d'Form vum Stahlnetz, d'Refluxzäit an d'Héichtemperatur vum Uewen all d'Reflow-Schweisslächer beaflossen, gëtt et vill Aflossfaktoren, déi direkt duerch den DOE-Test verifizéiert kënne ginn, an d'Zuel vun den Experimentgruppen ass ze grouss. Et ass néideg, déi wichtegst Aflossfaktoren duerch e Korrelatiounsvergläichstest séier ze screenen an ze bestëmmen, an dann déi wichtegst Aflossfaktoren duerch den DOE weider ze optimiséieren.
3.1 Dimensioune vu Lächer a Läitpaste-Zinnperlen
Beim Lötpastetest vum Typ 3 (Perlegréisst 25-45 μm) SAC305 bleiwen déi aner Konditiounen onverännert. Nom Reflow ginn d'Lächer an der Lötschicht gemooss a mat der Lötpaste vum Typ 4 verglach. Et stellt sech eraus, datt d'Lächer an der Lötschicht net signifikant tëscht den zwou Zorte vu Lötpaste ënnerscheeden, wat drop hiweist, datt d'Lötpaste mat ënnerschiddlecher Perlegréisst keen offensichtlechen Afloss op d'Lächer an der Lötschicht huet, wat keen Aflossfaktor ass, wéi an der FIG. 6 gewisen.
Vergläich vu Lächer vu metalleschem Zinnpulver mat verschiddene Partikelgréissten
3.2 Déckt vun der Schweessholung an dem gedréckte Stahlnetz
Nom Reflow gouf d'Höhlfläch vun der geschweesster Schicht mam gedréckte Stahlnetz mat enger Déckt vu 50 μm, 100 μm an 125 μm gemooss, an aner Konditioune sinn onverännert bliwwen. Et gouf festgestallt, datt den Effekt vun ënnerschiddlecher Déckt vum Stahlnetz (Lötpaste) op QFN mat deem vum gedréckte Stahlnetz mat enger Déckt vu 75 μm verglach gouf. Mat der Déckt vum Stahlnetz, hëlt d'Höhlfläch lues a lues of. Nodeems eng gewëssen Déckt (100μm) erreecht gouf, dréit sech d'Höhlfläch ëm a fänkt un ze wuessen mat der Zounimm vun der Déckt vum Stahlnetz, wéi an der Figur 7 gewisen.
Dëst weist, datt wann d'Quantitéit vun der Lötpaste erhéicht gëtt, de flëssege Zinn mat Reflux vum Chip bedeckt gëtt, an den Auslaf vun der Reschtloft nëmmen op véier Säiten enk ass. Wann d'Quantitéit vun der Lötpaste geännert gëtt, gëtt den Auslaf vun der Reschtloft och erhéicht, an den direkten Ausbroch vu Loft, deen a flëssegem Zinn agewéckelt ass, oder flüchtege Gas, deen aus flëssegem Zinn erauskënnt, féiert dozou, datt flëssegt Zinn ronderëm de QFN an de Chip sprëtzt.
Den Test huet festgestallt, datt mat der Zounimm vun der Déckt vum Stolnetz och d'Zuel vun de Blasen, déi duerch d'Entkommen vu Loft oder flüchtege Gas verursaacht ginn, eropgeet, an d'Wahrscheinlechkeet, datt Zinn ronderëm de QFN an de Chip sprëtzt, entspriechend eropgeet.
Vergläich vu Lächer a Stahlnetz mat ënnerschiddlecher Déckt
3.3 Flächenverhältnis vun der Schweesshähl an der Stahlnetzöffnung
Dat gedréckte Stahlnetz mat enger Ëffnungsquote vun 100%, 90% an 80% gouf getest, an aner Konditioune sinn onverännert bliwwen. Nom Reflow gouf d'Höhlfläch vun der geschweesster Schicht gemooss a mat dem gedréckte Stahlnetz mat enger Ëffnungsquote vun 100% verglach. Et gouf festgestallt, datt et keen signifikanten Ënnerscheed an der Höhl vun der geschweesster Schicht ënner de Konditioune vun enger Ëffnungsquote vun 100% an 90% bis 80% gouf, wéi an der Figur 8 gewisen.
Kavitéitsvergläich vun ënnerschiddlechen Ëffnungsflächen vu verschiddene Stahlnetz
3.4 Geschweesste Kavitéit a gedréckte Stahlnetzform
Beim Drockformtest vun der Lötpaste vum Sträifen b an dem schiefe Raster c bleiwen aner Konditiounen onverännert. Nom Reflow gëtt d'Höhlfläch vun der Schweessschicht gemooss a mat der Drockform vum Raster a verglach. Et stellt sech eraus, datt et keen signifikanten Ënnerscheed an der Höhl vun der Schweessschicht ënner de Konditioune vum Raster, Sträifen an dem schiefe Raster gëtt, wéi an der Figur 9 gewisen.
Vergläich vu Lächer a verschiddenen Ëffnungsmodi vu Stahlnetz
3.5 Schweessraum a Refluxzäit
Nom Test mat enger verlängerter Refluxzäit (70 s, 80 s, 90 s), sinn aner Konditioune onverännert bliwwen. D'Lach an der Schweessschicht gouf nom Reflux gemooss, a verglach mat der Refluxzäit vu 60 s, gouf festgestallt, datt mat der Erhéijung vun der Refluxzäit d'Fläch vum Schweesslach erofgaangen ass, awer d'Reduktiounsamplitude mat der Erhéijung vun der Zäit graduell erofgaangen ass, wéi an der Figur 10 gewisen. Dëst weist, datt am Fall vun enger net genuch Refluxzäit d'Erhéijung vun der Refluxzäit zum komplette Iwwerlaf vun der Loft, déi a geschmollte flëssegem Zinn agewéckelt ass, förderlech ass, awer nodeems d'Refluxzäit bis zu enger bestëmmter Zäit eropgaangen ass, ass et schwéier, datt d'Loft, déi a flëssegem Zinn agewéckelt ass, erëm iwwerlafen kann. D'Refluxzäit ass ee vun de Faktoren, déi d'Schweeshöhl beaflossen.
Vergläich vu verschiddene Refluxzäitlängten
3.6 Schweessraum a Spëtzenuewentemperatur
Mat engem Peak-Uewentemperaturtest vun 240 ℃ an 250 ℃ an onverännerten anere Konditiounen, gouf d'Höhlfläch vun der geschweesster Schicht nom Reflow gemooss, an am Verglach mat der Peak-Uewentemperatur vun 260 ℃ gouf festgestallt, datt sech ënner verschiddene Peak-Uewentemperaturbedingungen d'Höhl vun der geschweesster Schicht aus QFN a Chip net wesentlech geännert huet, wéi an der Figur 11 gewisen. Si weist, datt ënnerschiddlech Peak-Uewentemperaturen keen offensichtlechen Afloss op QFN an d'Lach an der Schweessschicht vum Chip hunn, wat keen Aflossfaktor ass.
Ongültege Verglach vun ënnerschiddleche Spëtztemperaturen
Déi uewe genannten Tester weisen drop hin, datt déi wichteg Faktoren, déi d'Schweißschichtkavitéit vum QFN an de Span beaflossen, d'Refluxzäit an d'Déckt vum Stahlnetz sinn.
4 Verbesserung vum Lötpaste-Drock-Reflow-Schweisskavitéit
4.1 DOE-Test fir d'Verbesserung vun der Schweesshähl
D'Lach an der Schweessschicht vum QFN an dem Chip gouf verbessert andeems den optimale Wäert vun den Haaptbeaflossfaktoren (Refluxzäit an Déckt vum Stahlnetz) fonnt gouf. D'Lötpaste war SAC305 Typ 4, d'Form vum Stahlnetz war vum Gittertyp (100% Ëffnungsgrad), d'Peak-Uewentemperatur war 260 ℃, an aner Testbedingungen waren déiselwecht wéi déi vum Testgerät. Den DOE-Test an d'Resultater goufen an der Tabell 3 gewisen. Den Afloss vun der Déckt vum Stahlnetz an der Refluxzäit op d'Schweesslächer vum QFN an de Chip sinn an der Figur 12 gewisen. Duerch d'Interaktiounsanalyse vun den Haaptbeaflossfaktoren gouf festgestallt, datt d'Benotzung vun enger Déckt vum Stahlnetz vun 100 μm an enger Refluxzäit vun 80 Sekonnen de Schweessraum vum QFN an dem Chip däitlech reduzéiere kann. D'Schweessraumquote vum QFN gëtt vun maximalen 27,8% op 16,1% reduzéiert, an d'Schweessraumquote vum Chip gëtt vun maximalen 20,5% op 14,5% reduzéiert.
Am Test goufen 1000 Produkter ënner optimale Konditioune produzéiert (100 μm Stolmaschdicke, 80 Sekonnen Refluxzäit), an d'Schweißhöhlenquote vun 100 QFN a Span gouf zoufälleg gemooss. Déi duerchschnëttlech Schweißhöhlenquote vun QFN war 16,4%, an déi duerchschnëttlech Schweißhöhlenquote vum Span war 14,7%. D'Schweißhöhlenquote vum Span an dem Span ass offensichtlech reduzéiert.
4.2 De neie Prozess verbessert d'Schweißhöhl
Déi tatsächlech Produktiounssituatioun an Tester weisen, datt wann d'Schweißhöhlfläch um Buedem vum Chip manner wéi 10% ass, de Problem mat der Rëssbildung vun der Chiphöhlpositioun beim Bläiverbinden a Formen net optrieden. Déi vum DOE optiméiert Prozessparameter kënnen d'Ufuerderunge fir d'Analyse an d'Léisung vun de Lächer beim konventionelle Lötpaste-Reflow-Schweißen net erfëllen, an d'Schweißhöhlfläch vum Chip muss weider reduzéiert ginn.
Well de Chip, deen um Löt bedeckt ass, verhënnert, datt de Gas am Löt entkommt, gëtt d'Lächerquote um Buedem vum Chip weider reduzéiert andeems de lötbeschichtete Gas eliminéiert oder reduzéiert gëtt. E neie Prozess vum Reflow-Schweißen mat zwou Lötpaste-Dréckereien gëtt ugeholl: een Lötpaste-Dréck, een Reflow ouni QFN an e plakege Chip, deen de Gas am Löt entléisst; De spezifesche Prozess vum sekundäre Lötpaste-Dréck, Patch a sekundäre Reflux gëtt an der Figur 13 gewisen.
Wann déi 75 μm déck Lötpaste fir d'éischt Kéier gedréckt gëtt, entkommt de gréissten Deel vum Gas am Löt ouni Chipbedeckung vun der Uewerfläch, an d'Déckt nom Reflux ass ongeféier 50 μm. Nom Ofschloss vum primäre Reflux ginn kleng Quadraten op d'Uewerfläch vum ofgekillte feste Löt gedréckt (fir d'Quantitéit vun der Lötpaste ze reduzéieren, d'Quantitéit vum Gasiwwerlaf ze reduzéieren, Lötsprëtz ze reduzéieren oder ze eliminéieren), an d'Lötpaste mat enger Déckt vu 50 μm (déi uewe genannten Testergebnisse weisen datt 100 μm am beschten ass, sou datt d'Déckt vum sekundären Drock 100 μm.50 μm=50 μm ass), dann de Chip installéiert, an dann no 80 Sekonnen zréck. Nom éischten Drock an dem Reflow ass bal kee Lach am Löt, an d'Lötpaste beim zweeten Drock ass kleng, an d'Schweißlach ass kleng, wéi an der Figur 14 gewisen.
No zwou Drécke vu Lötpaste, huel Zeechnung
4.3 Verifizéierung vum Effekt vun der Schweessschweißkavitéit
Produktioun vun 2000 Produkter (d'Dicke vum éischten Drockstolnetz ass 75 μm, d'Dicke vum zweeten Drockstolnetz ass 50 μm), aner Konditiounen onverännert, zoufälleg Miessung vun 500 QFN an der Chip-Schweißhuelraimquote, huet festgestallt, datt den neie Prozess nom éischte Reflux keng Huelraim méi gëtt, nom zweete Reflux QFN déi maximal Schweißhuelraimquote 4,8% ass, an déi maximal Schweißhuelraimquote vum Chip 4,1%. Am Verglach mam ursprénglechen Eenzelpaste-Drockschweißprozess an dem DOE-optimiséierte Prozess ass d'Schweißhuelraim däitlech reduzéiert, wéi an der Figur 15 gewisen. No funktionellen Tester vun alle Produkter goufen keng Chiprëss festgestallt.
5 Resumé
D'Optimiséierung vun der Lötpaste-Dréckquantitéit an der Refluxzäit kann d'Schweißhöhlefläch reduzéieren, awer d'Schweißhöhlequote ass ëmmer nach grouss. D'Benotzung vun zwou Lötpaste-Dréck-Reflow-Schweißtechniken kann d'Schweißhöhlequote effektiv maximéieren. D'Schweißfläch vun engem QFN-Schaltkrees-Chip kann 4,4 mm x 4,1 mm respektiv 3,0 mm x 2,3 mm an der Masseproduktioun sinn. D'Höhlequote vum Reflow-Schweißen gëtt ënner 5% kontrolléiert, wat d'Qualitéit an d'Zouverlässegkeet vum Reflow-Schweißen verbessert. D'Fuerschung an dësem Pabeier liwwert eng wichteg Referenz fir d'Verbesserung vum Schweesshöhleproblem vu grousse Schweessflächen.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 05. Juli 2023
