1 المقدمة
في عملية تجميع لوحة الدوائر، تُطبع عجينة اللحام أولاً على وسادة لحام لوحة الدوائر، ثم تُثبّت المكونات الإلكترونية المختلفة. وأخيرًا، بعد فرن إعادة الصهر، تُصهر حبيبات القصدير في عجينة اللحام، وتُلحم جميع أنواع المكونات الإلكترونية مع وسادة لحام لوحة الدوائر معًا لتجميع الوحدات الفرعية الكهربائية. تُستخدم تقنية التركيب السطحي (sMT) بشكل متزايد في منتجات التغليف عالية الكثافة، مثل أجهزة التغليف على مستوى النظام (siP)، وأجهزة مصفوفة الشبكة الكروية (BGA)، وأجهزة التغليف المربعة المسطحة بدون دبابيس (QFN).
بسبب خصائص عملية لحام عجينة اللحام والمواد، بعد لحام إعادة التدفق لهذه الأجهزة ذات سطح اللحام الكبير، ستكون هناك ثقوب في منطقة لحام اللحام، مما سيؤثر على الخصائص الكهربائية والخصائص الحرارية والخصائص الميكانيكية لأداء المنتج، وحتى يؤدي إلى فشل المنتج، وبالتالي، لتحسين تجويف لحام إعادة التدفق معجون اللحام أصبح عملية ومشكلة فنية يجب حلها، وقد قام بعض الباحثين بتحليل ودراسة أسباب تجويف لحام كرة اللحام BGA، وقدموا حلول تحسين، منطقة لحام عملية لحام إعادة التدفق معجون اللحام التقليدية من QFN أكبر من 10 مم 2 أو منطقة لحام أكبر من 6 مم 2 تفتقر إلى حل الرقاقة العارية.
استخدم لحام اللحام المسبق التشكيل ولحام فرن الارتجاع الفراغي لتحسين ثقب اللحام. يتطلب اللحام الجاهز معدات خاصة لتوجيه اللحام. على سبيل المثال، تُزاح الشريحة وتميل بشكل كبير بعد وضعها مباشرة على اللحام الجاهز. إذا كانت شريحة حامل اللحام معادة التدفق ثم مدببة، تزداد العملية بمقدار إعادة تدفق، وتكون تكلفة اللحام الجاهز ومواد الارتجاع أعلى بكثير من تكلفة معجون اللحام.
معدات إعادة التفريغ الفراغي أغلى ثمناً، وسعة التفريغ لغرفة التفريغ المستقلة منخفضة جداً، وأداء التكلفة منخفض، ومشكلة تناثر القصدير خطيرة، وهي عامل مهم في تطبيق المنتجات عالية الكثافة وصغيرة الحجم. في هذه الورقة، بناءً على عملية إعادة التفريغ التقليدية بمعجون اللحام، طُوّرت عملية إعادة تفريغ ثانوية جديدة، وطُرحت لتحسين تجويف اللحام وحل مشاكل الترابط وتشقق الختم البلاستيكي الناتج عن تجويف اللحام.
2 تجويف اللحام بالصهر وطباعة معجون اللحام وآلية الإنتاج
2.1 تجويف اللحام
بعد لحام إعادة الانصهار، خضع المنتج للفحص بالأشعة السينية. وُجد أن الثقوب ذات اللون الفاتح في منطقة اللحام ناتجة عن نقص في اللحام في طبقة اللحام، كما هو موضح في الشكل 1.
الكشف بالأشعة السينية عن ثقب الفقاعة
2.2 آلية تشكيل تجويف اللحام
باستخدام معجون لحام sAC305 كمثال، يُوضَّح التركيب والوظيفة الرئيسيان في الجدول 1. يتم ربط حبيبات اللحام والقصدير معًا على شكل عجينة. تبلغ نسبة وزن لحام القصدير إلى اللحام حوالي 9:1، ونسبة حجمه حوالي 1:1.
بعد طباعة معجون اللحام وتركيبه على مختلف المكونات الإلكترونية، يمر معجون اللحام بأربع مراحل: التسخين المسبق، والتنشيط، والارتداد، والتبريد عند مروره عبر فرن الارتداد. كما تختلف حالة معجون اللحام باختلاف درجات الحرارة في المراحل المختلفة، كما هو موضح في الشكل 2.
مرجع الملف الشخصي لكل منطقة من مناطق لحام إعادة التدفق
في مرحلة التسخين المسبق والتنشيط، تتطاير المكونات المتطايرة في تدفق معجون اللحام إلى غاز عند تسخينها. وفي الوقت نفسه، سيتم إنتاج الغازات عند إزالة الأكسيد الموجود على سطح طبقة اللحام. وسوف يتطاير بعض هذه الغازات ويترك معجون اللحام، وستتكثف حبيبات اللحام بإحكام بسبب تطاير التدفق. وفي مرحلة الارتداد، سيتبخر التدفق المتبقي في معجون اللحام بسرعة، وستذوب حبيبات القصدير، ولن يتم تشتيت كمية صغيرة من غاز التدفق المتطاير ومعظم الهواء بين حبيبات القصدير في الوقت المناسب، والبقايا في القصدير المنصهر وتحت شد القصدير المنصهر هي هيكل شطيرة همبرغر ويتم التقاطها بواسطة وسادة لحام لوحة الدوائر والمكونات الإلكترونية، ويصعب الهروب من الغاز المغلف بالقصدير السائل فقط من خلال الطفو الصاعد. وقت الذوبان العلوي قصير جدًا. عندما يبرد القصدير المنصهر ويتحول إلى قصدير صلب، تظهر مسام في طبقة اللحام وتتشكل ثقوب اللحام، كما هو موضح في الشكل 3.
رسم تخطيطي للفراغ الناتج عن لحام إعادة الانصهار بمعجون اللحام
السبب الجذري لتجويف اللحام هو عدم تفريغ الهواء أو الغاز المتطاير المغلف بمعجون اللحام بالكامل بعد الصهر. تشمل العوامل المؤثرة مادة معجون اللحام، وشكل طباعة معجون اللحام، وكمية طباعة معجون اللحام، ودرجة حرارة الارتداد، وزمن الارتداد، وحجم اللحام، وهيكله، وغيرها.
3. التحقق من العوامل المؤثرة على طباعة معجون اللحام وفتحات اللحام بالصهر
استُخدمت اختبارات QFN والرقاقة العارية لتحديد الأسباب الرئيسية لفجوات لحام إعادة الانصهار، ولإيجاد طرق لتحسينها بعد معالجتها بمعجون اللحام. يوضح الشكل 4 خصائص منتج لحام إعادة الانصهار باستخدام QFN والرقاقة العارية، حيث يبلغ حجم سطح لحام QFN 4.4 مم × 4.1 مم، وسطح اللحام عبارة عن طبقة مطلية بالقصدير (100% قصدير نقي)؛ ويبلغ حجم لحام الرقاقة العارية 3.0 مم × 2.3 مم، وطبقة اللحام عبارة عن طبقة ثنائية المعدن من النيكل والفاناديوم المُرشَّح، وطبقة السطح من الفاناديوم. كانت وسادة اللحام للركيزة مطلية بالذهب من النيكل والبلاديوم بدون كهرباء، وسمكها 0.4 ميكرومتر/0.06 ميكرومتر/0.04 ميكرومتر. تم استخدام معجون اللحام SAC305، ومعدات طباعة معجون اللحام هي DEK Horizon APix، ومعدات فرن الارتداد هي BTUPyramax150N، ومعدات الأشعة السينية هي DAGExD7500VR.
رسومات لحام QFN والرقائق العارية
لتسهيل مقارنة نتائج الاختبار، تم إجراء اللحام بالانصهار في ظل الظروف الموضحة في الجدول 2.
جدول حالة اللحام بالانصهار
بعد الانتهاء من تركيب السطح ولحام إعادة التدفق، تم الكشف عن طبقة اللحام بالأشعة السينية، وتبين وجود ثقوب كبيرة في طبقة اللحام في الجزء السفلي من QFN والرقاقة العارية، كما هو موضح في الشكل 5.
صورة الهولوغرام QFN والشريحة (الأشعة السينية)
نظراً لأن حجم خرز القصدير، وسمك شبكة الفولاذ، ومعدل مساحة الفتح، وشكل شبكة الفولاذ، وزمن الارتداد، ودرجة حرارة الفرن القصوى، كلها عوامل تؤثر على فراغات لحام الارتداد، فهناك العديد من العوامل المؤثرة التي سيتم التحقق منها مباشرةً من خلال اختبار DOE، وسيكون عدد المجموعات التجريبية كبيراً جداً. من الضروري فحص العوامل المؤثرة الرئيسية وتحديدها بسرعة من خلال اختبار مقارنة الارتباط، ثم تحسينها بشكل أكبر من خلال DOE.
3.1 أبعاد فتحات اللحام وخرزات عجينة اللحام
في اختبار معجون اللحام SAC305 من النوع 3 (حجم خرز 25-45 ميكرومتر)، تبقى الظروف الأخرى دون تغيير. بعد إعادة الصهر، تُقاس ثقوب طبقة اللحام وتُقارن بمعجون اللحام من النوع 4. وُجد أن ثقوب طبقة اللحام لا تختلف اختلافًا كبيرًا بين نوعي معجون اللحام، مما يشير إلى أن معجون اللحام ذي أحجام الخرز المختلفة لا يؤثر بشكل واضح على ثقوب طبقة اللحام، وهو ليس عاملًا مؤثرًا، كما هو موضح في الشكل 6.
مقارنة بين ثقوب مسحوق القصدير المعدني ذات أحجام الجسيمات المختلفة
3.2 سمك تجويف اللحام والشبكة الفولاذية المطبوعة
بعد إعادة الصهر، قُيست مساحة تجويف الطبقة الملحومة بشبكة فولاذية مطبوعة بسُمك 50 و100 و125 ميكرومتر، مع ثبات الظروف الأخرى. وُجد أن تأثير اختلاف سُمك شبكة الفولاذ (معجون اللحام) على QFN قورن بتأثير شبكة الفولاذ المطبوعة بسُمك 75 ميكرومتر. مع زيادة سُمك شبكة الفولاذ، تتناقص مساحة التجويف تدريجيًا. بعد الوصول إلى سُمك مُحدد (100 ميكرومتر)، تنعكس مساحة التجويف وتبدأ بالازدياد مع زيادة سُمك شبكة الفولاذ، كما هو موضح في الشكل 7.
يُظهر هذا أنه عند زيادة كمية معجون اللحام، يُغطى القصدير السائل المُعاد تدويره بالرقاقة، ويكون مخرج الهواء المتبقي ضيقًا من أربعة جوانب فقط. عند تغيير كمية معجون اللحام، يزداد أيضًا مخرج الهواء المتبقي، وستؤدي الاندفاعة الفورية للهواء المُغلف بالقصدير السائل أو الغاز المتطاير المتسرب من القصدير السائل إلى تناثر القصدير السائل حول QFN والرقاقة.
وجد الاختبار أنه مع زيادة سمك الشبكة الفولاذية، فإن انفجار الفقاعات الناجم عن هروب الهواء أو الغاز المتطاير سيزداد أيضًا، كما سيزداد احتمال تناثر القصدير حول QFN والرقاقة وفقًا لذلك.
مقارنة الثقوب في شبكة الفولاذ ذات السماكات المختلفة
3.3 نسبة مساحة تجويف اللحام وفتحة الشبكة الفولاذية
تم اختبار شبكة الفولاذ المطبوعة بمعدل فتح 100% و90% و80%، مع بقاء الظروف الأخرى دون تغيير. بعد إعادة الانسياب، تم قياس مساحة تجويف الطبقة الملحومة ومقارنتها بشبكة الفولاذ المطبوعة بمعدل فتح 100%. وتبين عدم وجود فرق كبير في تجويف الطبقة الملحومة تحت ظروف معدل الفتح 100% و90% و80%، كما هو موضح في الشكل 8.
مقارنة تجويف مناطق الفتح المختلفة لشبكات الفولاذ المختلفة
3.4 تجويف ملحوم وشكل شبكة فولاذية مطبوعة
عند اختبار شكل الطباعة لمعجون اللحام للشريط (ب) والشبكة المائلة (ج)، تبقى الظروف الأخرى دون تغيير. بعد إعادة الانسياب، تُقاس مساحة تجويف طبقة اللحام وتُقارن بشكل الطباعة للشبكة (أ). وتبين عدم وجود فرق كبير في تجويف طبقة اللحام تحت ظروف الشبكة والشريط والشبكة المائلة، كما هو موضح في الشكل 9.
مقارنة بين الثقوب في أوضاع فتح مختلفة لشبكة الفولاذ
3.5 تجويف اللحام وزمن الارتداد
بعد اختبار زمن الارتداد المطول (70 ثانية، 80 ثانية، 90 ثانية)، ظلت الظروف الأخرى دون تغيير، وتم قياس الثقب في طبقة اللحام بعد الارتداد، وبالمقارنة مع زمن الارتداد البالغ 60 ثانية، وجد أنه مع زيادة زمن الارتداد، انخفضت مساحة ثقب اللحام، لكن سعة التخفيض انخفضت تدريجيًا مع زيادة الوقت، كما هو موضح في الشكل 10. وهذا يوضح أنه في حالة عدم كفاية زمن الارتداد، فإن زيادة زمن الارتداد مواتية للفيضان الكامل للهواء الملفوف في القصدير السائل المنصهر، ولكن بعد زيادة زمن الارتداد إلى وقت معين، يصعب أن يفيض الهواء الملفوف في القصدير السائل مرة أخرى. زمن الارتداد هو أحد العوامل التي تؤثر على تجويف اللحام.
مقارنة الفراغات لأطوال زمنية مختلفة للارتجاع
3.6 تجويف اللحام ودرجة حرارة الفرن القصوى
مع اختبار درجة حرارة الفرن القصوى 240 ℃ و 250 ℃ وظروف أخرى دون تغيير، تم قياس مساحة تجويف الطبقة الملحومة بعد إعادة التدفق، وبالمقارنة مع درجة حرارة الفرن القصوى 260 ℃، وجد أنه في ظل ظروف درجة حرارة الفرن القصوى المختلفة، لم يتغير تجويف الطبقة الملحومة من QFN والرقاقة بشكل كبير، كما هو موضح في الشكل 11. يوضح أن درجة حرارة الفرن القصوى المختلفة ليس لها تأثير واضح على QFN والثقب في طبقة اللحام للرقاقة، وهو ليس عاملاً مؤثرًا.
مقارنة فارغة لدرجات الحرارة القصوى المختلفة
تشير الاختبارات المذكورة أعلاه إلى أن العوامل المهمة التي تؤثر على تجويف طبقة اللحام في QFN والرقاقة هي وقت الارتداد وسمك الشبكة الفولاذية.
4 تحسين تجويف اللحام بالصهر باستخدام معجون اللحام
4.1 اختبار DOE لتحسين تجويف اللحام
تم تحسين الثقب في طبقة اللحام من QFN والرقاقة من خلال إيجاد القيمة المثلى للعوامل المؤثرة الرئيسية (زمن الارتداد وسمك شبكة الفولاذ). كان معجون اللحام من النوع SAC305 من النوع 4، وكان شكل شبكة الفولاذ من النوع الشبكي (درجة فتح 100٪)، وكانت درجة حرارة الفرن القصوى 260 درجة مئوية، وكانت ظروف الاختبار الأخرى هي نفسها تلك الخاصة بمعدات الاختبار. تم عرض اختبار DOE والنتائج في الجدول 3. يظهر تأثير سماكة شبكة الفولاذ وزمن الارتداد على ثقوب لحام QFN والرقاقة في الشكل 12. من خلال تحليل التفاعل بين العوامل المؤثرة الرئيسية، وجد أن استخدام سماكة شبكة الفولاذ 100 ميكرومتر وزمن الارتداد 80 ثانية يمكن أن يقلل بشكل كبير من تجويف اللحام في QFN والرقاقة. يتم تقليل معدل تجويف اللحام في QFN من الحد الأقصى 27.8٪ إلى 16.1٪، ويتم تقليل معدل تجويف اللحام للرقاقة من الحد الأقصى 20.5٪ إلى 14.5٪.
في الاختبار، تم إنتاج 1000 منتج في ظل الظروف المثلى (سمك شبكة فولاذية 100 ميكرومتر، وزمن ارتداد 80 ثانية)، وتم قياس معدل تجويف اللحام لـ 100 QFN والرقاقة بشكل عشوائي. كان متوسط معدل تجويف اللحام لـ QFN 16.4%، ومتوسط معدل تجويف اللحام للرقاقة 14.7%. انخفض معدل تجويف اللحام للرقاقة والرقاقة بشكل واضح.
4.2 تعمل العملية الجديدة على تحسين تجويف اللحام
تُظهر حالة الإنتاج الفعلية والاختبارات أنه عندما تكون مساحة تجويف اللحام في أسفل الشريحة أقل من 10%، فإن مشكلة تشقق موضع تجويف الشريحة لن تحدث أثناء عملية ربط الرصاص وتشكيله. لا تلبي معلمات العملية المُحسّنة من قِبل وزارة الطاقة الأمريكية متطلبات تحليل وحل الثقوب في لحام إعادة انصهار معجون اللحام التقليدي، لذا يجب تقليل مساحة تجويف اللحام في الشريحة بشكل أكبر.
بما أن الشريحة المغطاة باللحام تمنع تسرب الغاز من اللحام، فإن معدل الثقب في أسفل الشريحة ينخفض بشكل أكبر عن طريق إزالة أو تقليل الغاز المغطى باللحام. تم اعتماد عملية جديدة للحام بالانصهار مع طباعة معجون لحام: طباعة معجون لحام واحدة، وطباعة انصهار غير مغطاة بـ QFN، ورقاقة عارية تُفرّغ الغاز في اللحام. يوضح الشكل 13 العملية المحددة لطباعة معجون اللحام الثانوي، والرقعة، والانصهار الثانوي.
عند طباعة معجون اللحام بسمك 75 ميكرومتر لأول مرة، يتسرب معظم الغاز من سطح اللحام بدون غطاء الشريحة، ويبلغ سمكه بعد الارتداد حوالي 50 ميكرومتر. بعد اكتمال الارتداد الأولي، تُطبع مربعات صغيرة على سطح اللحام المُجمد المُبرد (لتقليل كمية معجون اللحام، وتقليل كمية انسكاب الغاز، وتقليل أو إزالة تناثر اللحام)، ثم يُوضع معجون اللحام بسمك 50 ميكرومتر (تُظهر نتائج الاختبار أعلاه أن سمك 100 ميكرومتر هو الأفضل، لذا فإن سمك الطباعة الثانوية هو 100 ميكرومتر. 50 ميكرومتر = 50 ميكرومتر)، ثم تُركّب الشريحة، ثم تُعاد خلال 80 ثانية. بعد الطباعة الأولى وإعادة الارتداد، يكاد يكون اللحام خاليًا من الثقوب، ويكون معجون اللحام في الطباعة الثانية صغيرًا، كما أن ثقب اللحام صغير، كما هو موضح في الشكل 14.
بعد طباعتين لمعجون اللحام، الرسم المجوف
4.3 التحقق من تأثير تجويف اللحام
إنتاج 2000 منتج (سمك شبكة الفولاذ للطباعة الأولى 75 ميكرومتر، وسمك شبكة الفولاذ للطباعة الثانية 50 ميكرومتر)، مع ثبات الظروف الأخرى، والقياس العشوائي لـ 500 QFN ومعدل تجويف لحام الشريحة، وُجد أن العملية الجديدة لا تحتوي على تجويف بعد عملية الارتداد الأولى، بينما يبلغ الحد الأقصى لمعدل تجويف اللحام 4.8% بعد عملية الارتداد الثانية، بينما يبلغ الحد الأقصى لمعدل تجويف لحام الشريحة 4.1%. بالمقارنة مع عملية لحام الطباعة الأصلية ذات العجينة الواحدة وعملية DOE المُحسّنة، انخفض تجويف اللحام بشكل ملحوظ، كما هو موضح في الشكل 15. لم يُعثر على أي شقوق في الشريحة بعد الاختبارات الوظيفية لجميع المنتجات.
5 ملخص
إن تحسين كمية طباعة معجون اللحام وزمن الارتداد يُقلل من مساحة تجويف اللحام، إلا أن معدل الارتداد يبقى كبيرًا. ويمكن استخدام تقنيتين للحام الارتداد بطباعة معجون اللحام لزيادة معدل الارتداد بفعالية. يمكن أن تبلغ مساحة لحام رقاقة دائرة QFN العارية 4.4 مم × 4.1 مم و3.0 مم × 2.3 مم على التوالي في الإنتاج الضخم. ويتم التحكم في معدل الارتداد في تجويف اللحام بأقل من 5%، مما يُحسّن جودة وموثوقية لحام الارتداد. ويُمثل البحث في هذه الورقة مرجعًا مهمًا لتحسين مشكلة تجويف اللحام في أسطح اللحام ذات المساحة الكبيرة.
وقت النشر: 05-07-2023
