يستخدم SMT تحليل وحل تجويف لحام اللحام بإعادة تدفق الهواء التقليدي (2023 Essence Edition)، أنت تستحق ذلك!
1 مقدمة
في مجموعة لوحة الدائرة، تتم طباعة معجون اللحام على لوحة لحام لوحة الدائرة أولاً، ومن ثم يتم لصق المكونات الإلكترونية المختلفة. أخيرًا، بعد فرن إعادة التدفق، يتم إذابة خرزات القصدير الموجودة في معجون اللحام ويتم لحام جميع أنواع المكونات الإلكترونية ولوحة اللحام الخاصة بلوحة الدائرة الكهربائية معًا لتحقيق تجميع الوحدات الفرعية الكهربائية. يتم استخدام تقنية التثبيت السطحي (sMT) بشكل متزايد في منتجات التغليف عالية الكثافة، مثل حزمة مستوى النظام (siP)، وأجهزة ballgridarray (BGA)، ورقاقة الطاقة العارية، والحزمة المربعة المسطحة بدون دبوس (رباعية aatNo-lead، يشار إليها باسم QFN ) جهاز.
نظرًا لخصائص عملية ومواد اللحام بمعجون اللحام، بعد اللحام بإعادة التدفق لهذه الأجهزة ذات سطح اللحام الكبيرة، ستكون هناك ثقوب في منطقة لحام اللحام، مما سيؤثر على الخواص الكهربائية والخواص الحرارية والخواص الميكانيكية لأداء المنتج، و حتى أن يؤدي إلى فشل المنتج، لذلك، أصبح تحسين تجويف اللحام بإعادة تدفق معجون اللحام عملية ومشكلة فنية يجب حلها، وقد قام بعض الباحثين بتحليل ودراسة أسباب تجويف لحام كرة اللحام BGA، وقدموا حلول تحسين، اللحام التقليدي لا توجد منطقة لحام لعملية لحام إنحسر QFN أكبر من 10 مم 2 أو منطقة لحام أكبر من 6 مم 2 من محلول الرقاقة العارية.
استخدم اللحام المسبق واللحام بفرن الارتداد الفراغي لتحسين فتحة اللحام. يتطلب اللحام الجاهز معدات خاصة لنقطة التدفق. على سبيل المثال، يتم إزاحة الشريحة وإمالتها بشكل جدي بعد وضع الشريحة مباشرة على اللحام الجاهز. إذا تم إعادة تدفق شريحة تثبيت التدفق ثم نقطة، فستزيد العملية بمقدار تدفقين، وتكون تكلفة مادة اللحام والتدفق الجاهزة أعلى بكثير من معجون اللحام.
تعد معدات ارتداد الفراغ أكثر تكلفة، وقدرة التفريغ لغرفة التفريغ المستقلة منخفضة جدًا، وأداء التكلفة ليس مرتفعًا، ومشكلة رش القصدير خطيرة، وهو عامل مهم في تطبيق الكثافة العالية والصغيرة منتجات. في هذا البحث، استنادًا إلى عملية اللحام بإعادة التدفق بمعجون اللحام التقليدي، تم تطوير وإدخال عملية لحام بإعادة التدفق الثانوية الجديدة لتحسين تجويف اللحام وحل مشاكل الترابط وتكسير الختم البلاستيكي الناتج عن تجويف اللحام.
2 تجويف اللحام بطباعة معجون اللحام وآلية الإنتاج
2.1 تجويف اللحام
بعد اللحام بإعادة التدفق، تم اختبار المنتج تحت الأشعة السينية. وتبين أن الثقوب الموجودة في منطقة اللحام ذات اللون الفاتح تكون بسبب عدم كفاية اللحام في طبقة اللحام كما هو موضح في الشكل 1
الكشف بالأشعة السينية عن ثقب الفقاعة
2.2 آلية تشكيل تجويف اللحام
إذا أخذنا معجون اللحام sAC305 كمثال، فإن التركيب والوظيفة الرئيسيين موضحان في الجدول 1. يتم ربط خرزات التمويه والقصدير معًا في شكل معجون. تبلغ نسبة وزن لحام القصدير إلى التدفق حوالي 9:1، ونسبة الحجم حوالي 1:1.
بعد طباعة عجينة اللحام وتركيبها بمكونات إلكترونية مختلفة، فإن عجينة اللحام سوف تخضع لأربع مراحل من التسخين المسبق، التنشيط، الإرجاع والتبريد عندما تمر عبر فرن الإرجاع. وتختلف أيضًا حالة عجينة اللحام باختلاف درجات الحرارة في المراحل المختلفة، كما هو موضح في الشكل 2.
مرجع الملف الشخصي لكل منطقة من مناطق اللحام بإعادة التدفق
في مرحلة التسخين المسبق والتنشيط، سوف تتطاير المكونات المتطايرة في التدفق الموجود في معجون اللحام إلى غاز عند تسخينها. وفي الوقت نفسه، سيتم إنتاج الغازات عند إزالة الأكسيد الموجود على سطح طبقة اللحام. سوف تتطاير بعض هذه الغازات وتترك عجينة اللحام، وسيتم تكثيف حبات اللحام بإحكام بسبب تطاير التدفق. في مرحلة الارتجاع، سوف يتبخر التدفق المتبقي في معجون اللحام بسرعة، وسوف تذوب حبات القصدير، ولن يتم تشتيت كمية صغيرة من الغاز المتطاير ومعظم الهواء بين حبات القصدير في الوقت المناسب، والبقايا في القصدير المنصهر وتحت شد القصدير المنصهر عبارة عن هيكل شطيرة همبرغر ويتم القبض عليهم بواسطة لوحة لحام لوحة الدائرة والمكونات الإلكترونية، والغاز المغلف في القصدير السائل يصعب الهروب منه فقط عن طريق الطفو التصاعدي، ووقت الانصهار العلوي للغاية قصير. عندما يبرد القصدير المنصهر ويتحول إلى قصدير صلب، تظهر مسام في طبقة اللحام وتتشكل ثقوب لحام، كما هو موضح في الشكل 3.
رسم تخطيطي للفراغ الناتج عن لحام إنحسر عجينة اللحام
السبب الجذري لتجويف اللحام هو أن الهواء أو الغاز المتطاير المغلف في عجينة اللحام بعد الصهر لا يتم تفريغه بالكامل. تشمل العوامل المؤثرة مادة معجون اللحام، وشكل طباعة معجون اللحام، وكمية طباعة معجون اللحام، ودرجة حرارة الارتجاع، ووقت الارتجاع، وحجم اللحام، والهيكل، وما إلى ذلك.
3. التحقق من العوامل المؤثرة على ثقوب اللحام بطباعة عجينة اللحام
تم استخدام اختبارات QFN والرقائق العارية لتأكيد الأسباب الرئيسية لفراغات اللحام بإعادة التدفق، ولإيجاد طرق لتحسين فراغات اللحام بإعادة التدفق المطبوعة بواسطة معجون اللحام. يظهر ملف تعريف منتج اللحام بإنحسر عجينة اللحام QFN والرقاقة العارية في الشكل 4، حجم سطح اللحام QFN هو 4.4 مم × 4.1 مم، سطح اللحام عبارة عن طبقة معلبة (100٪ قصدير نقي) ؛ حجم اللحام للرقاقة العارية هو 3.0 مم × 2.3 مم، وطبقة اللحام عبارة عن طبقة ثنائية المعدن من النيكل والفاناديوم، والطبقة السطحية عبارة عن الفاناديوم. كانت وسادة اللحام للركيزة عبارة عن غمس بالذهب والنيكل والبلاديوم بدون كهرباء، وكان سمكها 0.4μm/0.06μm/0.04μm. يتم استخدام معجون اللحام SAC305، ومعدات طباعة معجون اللحام هي DEK Horizon APix، ومعدات فرن الارتجاع هي BTUPyramax150N، ومعدات الأشعة السينية هي DAGExD7500VR.
رسومات لحام QFN والرقائق العارية
لتسهيل مقارنة نتائج الاختبار، تم إجراء اللحام بإعادة التدفق وفقًا للشروط الواردة في الجدول 2.
جدول حالة اللحام بإنحسر
بعد الانتهاء من تركيب السطح واللحام بإعادة التدفق، تم الكشف عن طبقة اللحام بواسطة الأشعة السينية، وتبين وجود ثقوب كبيرة في طبقة اللحام في الجزء السفلي من QFN والرقاقة العارية، كما هو موضح في الشكل 5.
QFN ورقاقة الهولوغرام (الأشعة السينية)
نظرًا لأن حجم حبة القصدير وسمك الشبكة الفولاذية ومعدل مساحة الفتح وشكل الشبكة الفولاذية ووقت الارتجاع ودرجة حرارة الفرن القصوى ستؤثر جميعها على فراغات اللحام بإعادة التدفق، فهناك العديد من العوامل المؤثرة، والتي سيتم التحقق منها مباشرة عن طريق اختبار DOE، وعدد التجارب التجريبية ستكون المجموعات كبيرة جدًا. من الضروري فحص وتحديد العوامل المؤثرة الرئيسية بسرعة من خلال اختبار مقارنة الارتباط، ومن ثم تحسين العوامل المؤثرة الرئيسية من خلال وزارة الطاقة.
3.1 أبعاد فتحات اللحام وخرز القصدير من معجون اللحام
مع اختبار معجون اللحام من النوع 3 (حجم الخرزة 25-45 ميكرومتر) SAC305، تظل الشروط الأخرى دون تغيير. بعد إعادة التدفق، يتم قياس الثقوب الموجودة في طبقة اللحام ومقارنتها بمعجون اللحام من النوع 4. لقد وجد أن الثقوب الموجودة في طبقة اللحام لا تختلف بشكل كبير بين نوعي معجون اللحام، مما يشير إلى أن معجون اللحام ذو حجم الخرزة المختلف ليس له تأثير واضح على الثقوب الموجودة في طبقة اللحام، وهو ليس عاملاً مؤثراً. كما هو مبين في الشكل. 6 كما هو مبين.
مقارنة ثقوب مسحوق القصدير المعدني بأحجام الجسيمات المختلفة
3.2 سمك تجويف اللحام والشبكة الفولاذية المطبوعة
بعد إعادة التدفق، تم قياس مساحة تجويف الطبقة الملحومة باستخدام الشبكة الفولاذية المطبوعة بسماكة 50 ميكرومتر و100 ميكرومتر و125 ميكرومتر، وبقيت الشروط الأخرى دون تغيير. لقد وجد أنه تمت مقارنة تأثير السماكات المختلفة للشبكة الفولاذية (معجون اللحام) على QFN مع تأثير الشبكة الفولاذية المطبوعة بسماكة 75 ميكرومتر. ومع زيادة سماكة الشبكة الفولاذية، تتناقص مساحة التجويف تدريجيًا ببطء. بعد الوصول إلى سمك معين (100μm)، سوف تنعكس مساحة التجويف وتبدأ في الزيادة مع زيادة سمك الشبكة الفولاذية، كما هو موضح في الشكل 7.
هذا يوضح أنه عند زيادة كمية معجون اللحام، يتم تغطية علبة السائل الراجع بالرقاقة، ويكون مخرج الهواء المتبقي ضيقًا فقط من أربعة جوانب. عندما يتم تغيير كمية معجون اللحام، يتم أيضًا زيادة مخرج الهواء المتبقي، وسيؤدي الانفجار الفوري للهواء المغلف 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 الفقاعة الناتج عن هروب الهواء أو الغاز المتطاير سيزداد أيضًا، كما أن احتمالية تناثر القصدير حول QFN والرقاقة ستزداد أيضًا بشكل مماثل.
مقارنة الثقوب في شبكة الصلب بسماكة مختلفة
3.3 نسبة مساحة تجويف اللحام وفتحة الشبكة الفولاذية
تم اختبار الشبكة الفولاذية المطبوعة بمعدل فتح 100% و90% و80%، وبقيت الشروط الأخرى دون تغيير. بعد إعادة الدفق، تم قياس مساحة تجويف الطبقة الملحومة ومقارنتها بالشبكة الفولاذية المطبوعة بمعدل فتح 100%. وقد وجد أنه لا يوجد فرق معنوي في تجويف الطبقة الملحومة تحت ظروف معدل الفتح 100% و90% 80%، كما هو مبين في الشكل 8.
مقارنة التجويف لمنطقة الفتح المختلفة لشبكات فولاذية مختلفة
3.4 تجويف ملحوم وشكل شبكي فولاذي مطبوع
مع اختبار شكل الطباعة لمعجون اللحام للشريط b والشبكة المائلة c، تبقى الشروط الأخرى دون تغيير. بعد إعادة التدفق، يتم قياس مساحة تجويف طبقة اللحام ومقارنتها مع شكل الطباعة للشبكة أ. لقد وجد أنه لا يوجد فرق معنوي في تجويف طبقة اللحام تحت ظروف الشبكة والشريط والشبكة المائلة، كما هو مبين في الشكل 9.
مقارنة الثقوب في أوضاع الفتح المختلفة للشبكة الفولاذية
3.5 تجويف اللحام وزمن الارتجاع
بعد اختبار زمن الارتجاع المطول (70 ثانية، 80 ثانية، 90 ثانية)، تبقى الظروف الأخرى دون تغيير، وتم قياس الثقب في طبقة اللحام بعد الارتجاع، ومقارنته بزمن الارتجاع البالغ 60 ثانية، وجد أنه مع زيادة وقت الارتجاع، انخفضت مساحة فتحة اللحام، لكن سعة التخفيض انخفضت تدريجيًا مع زيادة الوقت، كما هو موضح في الشكل 10. وهذا يوضح أنه في حالة عدم كفاية وقت الارتجاع، فإن زيادة وقت الارتجاع يؤدي إلى التدفق الكامل للهواء ملفوفة في القصدير السائل المنصهر، ولكن بعد زيادة وقت الارتجاع إلى وقت معين، يصعب تدفق الهواء المغلف في القصدير السائل مرة أخرى. يعد وقت الارتجاع أحد العوامل التي تؤثر على تجويف اللحام.
تبطل المقارنة بين فترات زمنية مختلفة للارتداد
3.6 تجويف اللحام ودرجة حرارة الفرن القصوى
مع اختبار درجة حرارة الفرن القصوى 240 درجة مئوية و250 درجة مئوية والظروف الأخرى دون تغيير، تم قياس مساحة تجويف الطبقة الملحومة بعد إعادة التدفق، ومقارنتها بدرجة حرارة الفرن القصوى البالغة 260 درجة مئوية، وقد وجد أنه في ظل ظروف درجة حرارة الفرن القصوى المختلفة، تجويف الفرن لم تتغير الطبقة الملحومة من QFN والرقاقة بشكل ملحوظ، كما هو موضح في الشكل 11. ويظهر أن درجة حرارة الفرن القصوى المختلفة ليس لها تأثير واضح على QFN والثقب الموجود في طبقة اللحام للرقاقة، وهو ليس عاملاً مؤثرًا.
المقارنة باطلة بين درجات حرارة الذروة المختلفة
تشير الاختبارات المذكورة أعلاه إلى أن العوامل المهمة التي تؤثر على تجويف طبقة اللحام لـ QFN والرقاقة هي وقت الارتجاع وسمك الشبكة الفولاذية.
4 تحسين تجويف اللحام بطباعة عجينة اللحام
4.1 اختبار DOE لتحسين تجويف اللحام
تم تحسين الثقب الموجود في طبقة اللحام لـ QFN والرقاقة من خلال إيجاد القيمة المثلى للعوامل المؤثرة الرئيسية (زمن الارتداد وسمك الشبكة الفولاذية). كان معجون اللحام من النوع SAC305 من النوع 4، وكان شكل الشبكة الفولاذية من النوع الشبكي (درجة فتح بنسبة 100٪)، وكانت درجة حرارة الفرن القصوى 260 درجة مئوية، وكانت ظروف الاختبار الأخرى مماثلة لتلك الخاصة بمعدات الاختبار. تم عرض اختبار DOE ونتائجه في الجدول 3. ويظهر الشكل 12 تأثيرات سماكة الشبكة الفولاذية ووقت الارتداد على فتحات لحام QFN وثقوب لحام الرقائق. ومن خلال تحليل التفاعل للعوامل المؤثرة الرئيسية، وجد أنه باستخدام سمك شبكة فولاذية 100 ميكرومتر وزمن الارتداد 80 ثانية يمكن أن يقلل بشكل كبير من تجويف اللحام لـ QFN والرقاقة. يتم تقليل معدل تجويف اللحام لـ 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 المثالية (سمك شبكة فولاذية 100 ميكرومتر، وزمن ارتداد 80 ثانية)، وتم قياس معدل تجويف اللحام البالغ 100 QFN والرقاقة بشكل عشوائي. كان متوسط معدل تجويف اللحام لـ QFN 16.4%، وكان متوسط معدل تجويف اللحام للرقاقة 14.7%. ومن الواضح أن معدل تجويف اللحام للرقاقة والرقاقة قد انخفض.
4.2 تعمل العملية الجديدة على تحسين تجويف اللحام
يوضح وضع الإنتاج الفعلي والاختبار أنه عندما تكون مساحة تجويف اللحام في الجزء السفلي من الرقاقة أقل من 10%، فإن مشكلة تكسير موضع تجويف الرقاقة لن تحدث أثناء ربط الرصاص وقولبة. لا يمكن لمعلمات العملية التي تم تحسينها بواسطة DOE أن تلبي متطلبات تحليل وحل الثقوب الموجودة في لحام إعادة تدفق معجون اللحام التقليدي، ويجب تقليل معدل مساحة تجويف اللحام للرقاقة بشكل أكبر.
نظرًا لأن الشريحة المغطاة باللحام تمنع الغاز الموجود في اللحام من الهروب، يتم تقليل معدل الثقب في الجزء السفلي من الشريحة بشكل أكبر عن طريق إزالة الغاز المطلي باللحام أو تقليله. يتم اعتماد عملية جديدة من اللحام بإعادة الدفق باستخدام اثنتين من طباعة عجينة اللحام: طباعة واحدة بعجينة اللحام، وواحدة بإعادة التدفق لا تغطي QFN ورقاقة عارية لتفريغ الغاز في اللحام؛ تظهر العملية المحددة لطباعة عجينة اللحام الثانوية والتصحيح والارتداد الثانوي في الشكل 13.
عندما تتم طباعة عجينة اللحام بسمك 75 ميكرومتر لأول مرة، فإن معظم الغاز الموجود في اللحام بدون غطاء رقاقة يهرب من السطح، ويبلغ السمك بعد الارتجاع حوالي 50 ميكرومتر. بعد الانتهاء من الارتجاع الأولي، يتم طباعة مربعات صغيرة على سطح اللحام المتصلب المبرد (من أجل تقليل كمية معجون اللحام، تقليل كمية تسرب الغاز، تقليل أو إزالة تناثر اللحام)، ويتم لصق معجون اللحام مع سمك 50 ميكرومتر (تظهر نتائج الاختبار المذكورة أعلاه أن 100 ميكرومتر هو الأفضل، وبالتالي فإن سمك الطباعة الثانوية هو 100 ميكرومتر. 50 ميكرومتر = 50 ميكرومتر)، ثم قم بتثبيت الشريحة، ثم قم بالعودة خلال 80 ثانية. لا يوجد أي ثقب في اللحام تقريبًا بعد الطباعة الأولى وإعادة التدفق، ويكون معجون اللحام في الطباعة الثانية صغيرًا، وثقب اللحام صغير، كما هو موضح في الشكل 14.
بعد طبعتين من معجون اللحام، رسم مجوف
4.3 التحقق من تأثير تجويف اللحام
إنتاج 2000 منتج (سمك الشبكة الفولاذية للطباعة الأولى 75 ميكرومتر، وسمك الشبكة الفولاذية للطباعة الثانية 50 ميكرومتر)، ولم تتغير الظروف الأخرى، والقياس العشوائي لـ 500 QFN ومعدل تجويف لحام الرقاقة، وجد أن العملية الجديدة بعد الارتجاع الأول لا يوجد تجويف، بعد الارتجاع الثاني QFN الحد الأقصى لمعدل تجويف اللحام هو 4.8%، والحد الأقصى لمعدل تجويف اللحام للرقاقة هو 4.1%. بالمقارنة مع عملية اللحام الأصلية بطباعة العجينة الواحدة وعملية DOE المُحسّنة، فقد تم تقليل تجويف اللحام بشكل كبير، كما هو موضح في الشكل 15. ولم يتم العثور على أي شقوق في الرقاقة بعد الاختبارات الوظيفية لجميع المنتجات.
5 ملخص
إن تحسين كمية طباعة معجون اللحام ووقت الارتداد يمكن أن يقلل من مساحة تجويف اللحام، ولكن معدل تجويف اللحام لا يزال كبيرًا. إن استخدام تقنيات اللحام بإعادة تدفق عجينة اللحام يمكن أن يزيد بشكل فعال من معدل تجويف اللحام. يمكن أن تكون منطقة اللحام للرقاقة العارية لدائرة QFN 4.4 مم × 4.1 مم و3.0 مم × 2.3 مم على التوالي في الإنتاج الضخم. يتم التحكم في معدل تجويف اللحام بإعادة التدفق أقل من 5٪، مما يحسن جودة وموثوقية اللحام بإعادة التدفق. يوفر البحث في هذا البحث مرجعا هاما لتحسين مشكلة تجويف اللحام لسطح اللحام ذو المساحة الكبيرة.
