1 Introduction
Lors de l'assemblage de circuits imprimés, la pâte à braser est d'abord imprimée sur la plage de soudure, puis les différents composants électroniques sont fixés. Enfin, après le passage au four de refusion, les billes d'étain de la pâte à braser sont fondues et les différents composants électroniques sont soudés à la plage de soudure du circuit imprimé pour réaliser l'assemblage de sous-modules électriques. La technologie de montage en surface (CMS) est de plus en plus utilisée dans les produits d'encapsulation haute densité, tels que les boîtiers SIP (System Level Package), les composants BGA (Ball Grid Array) et les puces d'alimentation nues, les boîtiers carrés plats sans broches (Quad AAT No-Lead, appelés QFN).
En raison des caractéristiques du processus de soudage de la pâte à souder et des matériaux, après le soudage par refusion de ces grands dispositifs de surface de soudure, il y aura des trous dans la zone de soudage de la soudure, ce qui affectera les propriétés électriques, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques du produit Performance, et même conduire à une défaillance du produit, par conséquent, pour améliorer la cavité de soudage par refusion de la pâte à souder est devenu un processus et un problème technique qui doit être résolu, certains chercheurs ont analysé et étudié les causes de la cavité de soudage de la bille de soudure BGA et ont fourni des solutions d'amélioration, la zone de soudage par refusion de la pâte à souder conventionnelle de QFN supérieure à 10 mm2 ou la solution de puce nue de la zone de soudage supérieure à 6 mm2 fait défaut.
Utiliser le soudage par pré-soudure et le soudage au four à reflux sous vide pour améliorer le trou de soudure. La brasure préfabriquée nécessite un équipement spécial pour pointer le flux. Par exemple, la puce est fortement décalée et inclinée après avoir été placée directement sur la brasure préfabriquée. Si la puce montée sur le flux est refusionnée puis pointée, le processus est doublé, et le coût de la brasure préfabriquée et du flux est bien plus élevé que celui de la pâte à braser.
Les équipements de reflux sous vide sont plus coûteux, la capacité de vide de la chambre à vide indépendante est très faible, le rapport coût-efficacité est faible et le problème des projections d'étain est important, ce qui constitue un facteur important dans l'application de produits à haute densité et à petit pas. Cet article, basé sur le procédé classique de soudage par refusion de pâte à braser, développe et présente un nouveau procédé de soudage par refusion secondaire afin d'améliorer la cavité de soudage et de résoudre les problèmes de collage et de fissuration des joints plastiques causés par la cavité de soudage.
2 Cavité de soudage par refusion et mécanisme de production d'impression de pâte à braser
2.1 Cavité de soudage
Après soudage par refusion, le produit a été testé aux rayons X. Les trous plus clairs dans la zone de soudure étaient dus à une soudure insuffisante dans la couche de soudure, comme illustré à la figure 1.
Détection par rayons X du trou de bulle
2.2 Mécanisme de formation de la cavité de soudage
Prenons l'exemple de la pâte à braser sAC305. Sa composition et sa fonction principales sont présentées dans le tableau 1. Le flux et les billes d'étain sont liés pour former une pâte. Le rapport pondéral de la soudure à l'étain au flux est d'environ 9:1, et le rapport volumique d'environ 1:1.
Une fois la pâte à braser imprimée et équipée de divers composants électroniques, elle subit quatre étapes : préchauffage, activation, reflux et refroidissement lors de son passage dans le four à reflux. L'état de la pâte à braser varie également selon les températures des différentes étapes, comme illustré à la figure 2.
Référence de profil pour chaque zone de soudure par refusion
Lors des phases de préchauffage et d'activation, les composants volatils du flux de la pâte à braser se volatilisent sous l'effet de la chaleur. Parallèlement, des gaz sont produits lors du retrait de l'oxyde à la surface de la couche de soudure. Une partie de ces gaz se volatilise et quitte la pâte à braser, condensant fortement les billes de soudure. Lors de la phase de reflux, le flux restant dans la pâte à braser s'évapore rapidement, les billes d'étain fondent. Une petite quantité de gaz volatils du flux et la majeure partie de l'air entre les billes d'étain ne se dispersent pas rapidement. Sous la tension de l'étain fondu, les résidus forment une structure en sandwich et sont retenus par les plots de soudure des circuits imprimés et les composants électroniques. Le gaz enveloppé dans l'étain liquide ne peut s'échapper que par la poussée d'Archimède. Le temps de fusion est très court. Lorsque l'étain fondu refroidit et se solidifie, des pores apparaissent dans la couche de soudure et des trous de soudure se forment, comme illustré à la figure 3.
Schéma du vide généré par le soudage par refusion de pâte à braser
La cause principale de la formation de cavités de soudure est l'absence d'évacuation complète de l'air ou des gaz volatils contenus dans la pâte à braser après la fusion. Les facteurs déterminants incluent le matériau de la pâte à braser, la forme et la quantité d'impression, la température et le temps de reflux, la taille et la structure de la soudure, etc.
3. Vérification des facteurs d'influence de l'impression de la pâte à braser lors du soudage par refusion
Des tests QFN et sur puce nue ont été réalisés pour identifier les principales causes de vides de soudure par refusion et identifier des solutions pour améliorer la qualité des vides imprimés par la pâte à braser. Le profil du produit de soudure par refusion de pâte à braser QFN et sur puce nue est illustré à la figure 4. La surface de soudure QFN mesure 4,4 mm x 4,1 mm, la surface de soudure étant une couche étamée (étain pur à 100 %). La taille de soudure de la puce nue est de 3,0 mm x 2,3 mm, la couche de soudure étant une couche bimétallique nickel-vanadium pulvérisée et la couche de surface étant en vanadium. Le plot de soudure du substrat était un bain d'or nickel-palladium autocatalytique, d'une épaisseur de 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. La pâte à braser SAC305 a été utilisée, l'équipement d'impression étant DEK Horizon APix, le four à reflux étant BTUPyramax150N et l'équipement à rayons X étant DAGExD7500VR.
Dessins de soudage QFN et puce nue
Pour faciliter la comparaison des résultats des tests, le soudage par refusion a été réalisé dans les conditions du tableau 2.
Tableau des conditions de soudage par refusion
Une fois le montage en surface et le soudage par refusion terminés, la couche de soudage a été détectée par rayons X et il a été constaté qu'il y avait de gros trous dans la couche de soudage au bas du QFN et de la puce nue, comme illustré à la figure 5.
QFN et hologramme sur puce (rayons X)
Étant donné que la taille des billes d'étain, l'épaisseur de la maille d'acier, la surface d'ouverture, la forme de la maille, le temps de reflux et la température maximale du four influencent les vides de soudage par refusion, de nombreux facteurs influencent ces variations, qui seront directement vérifiées par un essai DOE, et le nombre de groupes expérimentaux sera trop important. Il est nécessaire de rapidement identifier et déterminer les principaux facteurs influenceurs par un essai de comparaison de corrélation, puis de les optimiser davantage par un essai DOE.
3.1 Dimensions des trous de soudure et des billes d'étain de pâte à souder
Avec le test de pâte à braser SAC305 de type 3 (taille de bille 25-45 μm), les autres conditions restent inchangées. Après refusion, les trous dans la couche de soudure sont mesurés et comparés à ceux de la pâte à braser de type 4. On constate que les trous dans la couche de soudure ne diffèrent pas significativement entre les deux types de pâte à braser, ce qui indique qu'une pâte à braser de taille de bille différente n'a pas d'influence notable sur les trous dans la couche de soudure, ce qui ne constitue pas un facteur d'influence, comme illustré à la figure 6.
Comparaison des trous de poudre d'étain métallique avec différentes tailles de particules
3.2 Épaisseur de la cavité de soudure et du treillis en acier imprimé
Après refusion, la surface de la cavité de la couche soudée a été mesurée avec un treillis en acier imprimé d'une épaisseur de 50 μm, 100 μm et 125 μm, les autres conditions étant restées inchangées. Il a été constaté que l'effet de différentes épaisseurs de treillis en acier (pâte à braser) sur le QFN a été comparé à celui d'un treillis en acier imprimé d'une épaisseur de 75 μm. À mesure que l'épaisseur du treillis en acier augmente, la surface de la cavité diminue progressivement. Après avoir atteint une certaine épaisseur (100 μm), la surface de la cavité s'inverse et commence à augmenter avec l'épaisseur du treillis en acier, comme illustré à la figure 7.
Cela montre que lorsque la quantité de pâte à braser augmente, l'étain liquide reflue et est recouvert par la puce, et l'air résiduel s'échappe de manière étroite sur les quatre côtés. Lorsque la quantité de pâte à braser varie, l'air résiduel s'échappe également, et l'air enveloppé d'étain liquide ou les gaz volatils s'échappant de l'étain liquide provoquent des éclaboussures d'étain liquide autour du QFN et de la puce.
Le test a révélé qu'avec l'augmentation de l'épaisseur de la maille en acier, l'éclatement des bulles provoqué par la fuite d'air ou de gaz volatil augmentera également, et la probabilité d'éclaboussures d'étain autour du QFN et de la puce augmentera également en conséquence.
Comparaison des trous dans des treillis en acier de différentes épaisseurs
3.3 Rapport de surface de la cavité de soudage et de l'ouverture du treillis en acier
Des treillis en acier imprimés avec des taux d'ouverture de 100 %, 90 % et 80 % ont été testés, sans changement des autres conditions. Après refusion, la surface de la cavité de la couche soudée a été mesurée et comparée à celle du treillis en acier imprimé avec un taux d'ouverture de 100 %. Aucune différence significative n'a été constatée dans la cavité de la couche soudée avec des taux d'ouverture de 100 %, 90 % et 80 %, comme illustré à la figure 8.
Comparaison des cavités de différentes zones d'ouverture de différents treillis en acier
3.4 Cavité soudée et forme de treillis en acier imprimé
Lors du test de forme d'impression de la pâte à braser de la bande b et de la grille inclinée c, les autres conditions restent inchangées. Après refusion, la surface de la cavité de la couche de soudure est mesurée et comparée à la forme d'impression de la grille a. On constate qu'il n'y a pas de différence significative dans la cavité de la couche de soudure entre les conditions de la grille, de la bande et de la grille inclinée, comme le montre la figure 9.
Comparaison des trous dans différents modes d'ouverture des treillis en acier
3.5 Cavité de soudage et temps de reflux
Après un essai de temps de reflux prolongé (70 s, 80 s, 90 s), les autres conditions restent inchangées. Le trou dans la couche de soudure a été mesuré après reflux et, comparé au temps de reflux de 60 s, il a été constaté qu'avec l'augmentation du temps de reflux, la surface du trou de soudure diminuait, mais l'amplitude de réduction diminuait progressivement avec l'augmentation du temps, comme le montre la figure 10. Cela montre qu'en cas de temps de reflux insuffisant, l'augmentation du temps de reflux favorise le débordement complet de l'air enveloppé dans l'étain liquide en fusion, mais après une certaine durée de reflux, l'air enveloppé dans l'étain liquide est difficile à déborder à nouveau. Le temps de reflux est l'un des facteurs affectant la cavité de soudage.
Comparaison des vides de différentes durées de reflux
3.6 Cavité de soudage et température maximale du four
Français Avec un test de température de pointe du four de 240 ℃ et 250 ℃ et d'autres conditions inchangées, la zone de cavité de la couche soudée a été mesurée après refusion, et comparée à une température de pointe du four de 260 ℃, il a été constaté que dans différentes conditions de température de pointe du four, la cavité de la couche soudée de QFN et de la puce n'a pas changé de manière significative, comme le montre la figure 11. Cela montre que différentes températures de pointe du four n'ont pas d'effet évident sur QFN et le trou dans la couche de soudure de la puce, ce qui n'est pas un facteur d'influence.
Comparaison vide de différentes températures de pointe
Les tests ci-dessus indiquent que les facteurs importants affectant la cavité de la couche de soudure du QFN et de la puce sont le temps de reflux et l'épaisseur de la maille en acier.
4 Amélioration de la cavité de soudage par refusion par impression de pâte à braser
4.1Test DOE pour améliorer la cavité de soudage
Français Le trou dans la couche de soudure du QFN et du copeau a été amélioré en trouvant la valeur optimale des principaux facteurs d'influence (temps de reflux et épaisseur du treillis métallique). La pâte à braser était du SAC305 type 4, la forme du treillis métallique était de type grille (degré d'ouverture de 100 %), la température maximale du four était de 260 °C et les autres conditions d'essai étaient les mêmes que celles de l'équipement d'essai. Les essais DOE et les résultats sont présentés dans le tableau 3. L'influence de l'épaisseur du treillis métallique et du temps de reflux sur les trous de soudure du QFN et du copeau est illustrée dans la figure 12. Grâce à l'analyse de l'interaction des principaux facteurs d'influence, il a été constaté que l'utilisation d'une épaisseur de treillis métallique de 100 μm et d'un temps de reflux de 80 s peut réduire considérablement la cavité de soudure du QFN et du copeau. Le taux de cavité de soudure du QFN est réduit de 27,8 % (maximum) à 16,1 %, et celui du copeau est réduit de 20,5 % (maximum) à 14,5 %.
Lors de l'essai, 1 000 produits ont été fabriqués dans des conditions optimales (épaisseur de maille d'acier de 100 µm, temps de reflux de 80 s), et le taux de cavités de soudage de 100 QFN et de copeaux a été mesuré de manière aléatoire. Le taux moyen de cavités de soudage de QFN était de 16,4 % et le taux moyen de cavités de soudage de copeaux était de 14,7 %. Le taux de cavités de soudage de copeaux et de copeaux est nettement réduit.
4.2 Le nouveau procédé améliore la cavité de soudage
Les conditions de production et les essais réels montrent que lorsque la surface de la cavité de soudure au bas de la puce est inférieure à 10 %, le problème de fissuration de la cavité de la puce ne se produit pas lors du soudage et du moulage des conducteurs. Les paramètres de procédé optimisés par le DOE ne permettent pas d'analyser et de corriger les trous lors du soudage par refusion de pâte à braser classique, et le taux de surface de la cavité de soudure de la puce doit être encore réduit.
Comme la puce recouverte de soudure empêche le gaz de s'échapper, le taux de perforations à la base de la puce est encore réduit par l'élimination ou la réduction du gaz enrobé. Un nouveau procédé de soudage par refusion avec deux impressions de pâte à braser a été adopté : une impression de pâte à braser, une refusion ne recouvrant pas le QFN et la puce nue évacuant le gaz de la soudure. Le procédé spécifique d'impression de pâte à braser secondaire, de patch et de reflux secondaire est illustré à la figure 13.
Lors de la première impression de pâte à braser de 75 µm d'épaisseur, la majeure partie du gaz contenu dans la soudure sans le couvercle de la puce s'échappe de la surface, et l'épaisseur après reflux est d'environ 50 µm. Après le reflux primaire, de petits carrés sont imprimés sur la surface de la soudure solidifiée refroidie (afin de réduire la quantité de pâte à braser, de limiter les fuites de gaz et de réduire ou d'éliminer les projections de soudure). La pâte à braser d'une épaisseur de 50 µm (les résultats des tests ci-dessus montrent que 100 µm est la meilleure épaisseur ; l'épaisseur de la deuxième impression est donc de 100 µm. 50 µm = 50 µm), puis la puce est installée et la soudure est répétée pendant 80 s. Après la première impression et la refusion, il n'y a pratiquement aucun trou dans la soudure, et la pâte à braser lors de la deuxième impression est petite, ainsi que le trou de soudure, comme illustré à la figure 14.
Après deux impressions de pâte à braser, dessin en creux
4.3 Vérification de l'effet de cavité de soudage
Français Production de 2000 produits (l'épaisseur du premier treillis en acier d'impression est de 75 μm, l'épaisseur du deuxième treillis en acier d'impression est de 50 μm), autres conditions inchangées, mesure aléatoire de 500 QFN et taux de cavité de soudage de puce, a constaté que le nouveau processus après le premier reflux aucune cavité, après le deuxième reflux QFN Le taux de cavité de soudage maximal est de 4,8%, et le taux de cavité de soudage maximal de la puce est de 4,1%. Comparé au processus de soudage par impression monopâte d'origine et au processus optimisé DOE, la cavité de soudage est considérablement réduite, comme le montre la figure 15. Aucune fissure de puce n'a été trouvée après les tests fonctionnels de tous les produits.
5 Résumé
L'optimisation de la quantité de pâte à souder imprimée et du temps de reflux permet de réduire la surface de la cavité de soudage, mais le taux de cavité reste important. L'utilisation de deux techniques de soudage par refusion par impression de pâte à souder permet de maximiser efficacement le taux de cavité de soudage. La surface de soudage d'une puce nue de circuit QFN peut atteindre respectivement 4,4 mm x 4,1 mm et 3,0 mm x 2,3 mm en production de masse. Le taux de cavité du soudage par refusion est maintenu à moins de 5 %, ce qui améliore la qualité et la fiabilité du soudage par refusion. Les recherches présentées dans cet article constituent une référence importante pour améliorer la résolution du problème des cavités de soudage sur les grandes surfaces de soudage.
Date de publication : 05/07/2023
