SMT utilise une solution et une analyse de cavité de soudage par refusion d'air de pâte à souder conventionnelle (édition Essence 2023), vous le méritez !
1. Introduction
Dans l'assemblage du circuit imprimé, la pâte à souder est d'abord imprimée sur le plot de soudure du circuit imprimé, puis divers composants électroniques sont apposés.Enfin, après le four de refusion, les billes d'étain dans la pâte à souder sont fondues et toutes sortes de composants électroniques et le plot de soudure du circuit imprimé sont soudés ensemble pour réaliser l'assemblage de sous-modules électriques.La technologie de montage en surface (SMT) est de plus en plus utilisée dans les produits d'emballage haute densité, tels que les boîtiers de niveau système (siP), les dispositifs Ballgridarray (BGA) et les puces nues d'alimentation, les boîtiers plats carrés sans broches (quad aatNo-lead, appelés QFN). ) appareil.
En raison des caractéristiques du processus et des matériaux de soudage de la pâte à souder, après le soudage par refusion de ces dispositifs à grande surface de soudure, il y aura des trous dans la zone de soudage par soudure, ce qui affectera les propriétés électriques, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques des performances du produit, 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 des billes de soudure BGA et ont fourni des solutions d'amélioration, soudure conventionnelle Procédé de soudage par refusion en pâte, zone de soudage de QFN supérieure à 10 mm2 ou zone de soudage supérieure à 6 mm2, la solution de copeaux nus manque.
Utilisez le soudage Preformsolder et le soudage au four à reflux sous vide pour améliorer le trou de soudure.La soudure préfabriquée nécessite un équipement spécial pour pointer le flux.Par exemple, la puce est décalée et inclinée sérieusement après avoir été placée directement sur la soudure préfabriquée.Si la puce de montage de flux est refusionnée puis ponctuelle, le processus est augmenté de deux refusions et le coût de la soudure préfabriquée et du matériau de flux est beaucoup plus élevé que celui de la pâte à souder.
L'équipement de reflux sous vide est plus cher, la capacité de vide de la chambre à vide indépendante est très faible, le rapport coût-performance n'est pas élevé et le problème des éclaboussures d'étain est grave, ce qui est un facteur important dans l'application de haute densité et de petit pas. des produits.Dans cet article, basé sur le procédé de soudage par refusion de pâte à souder conventionnel, un nouveau procédé de soudage par refusion secondaire est développé et introduit pour améliorer la cavité de soudage et résoudre les problèmes de liaison et de fissuration des joints plastiques causés par la cavité de soudage.
2 Cavité de soudage par refusion d'impression de pâte à souder et mécanisme de production
2.1 Cavité de soudage
Après soudage par refusion, le produit a été testé aux rayons X.Les trous dans la zone de soudure de couleur plus claire se sont révélés être dus à une soudure insuffisante dans la couche de soudure, comme le montre la figure 1.
Détection aux rayons X du trou de bulle
2.2 Mécanisme de formation de la cavité de soudage
En prenant la pâte à souder sAC305 comme exemple, la composition et la fonction principales sont présentées dans le tableau 1. Le flux et les billes d'étain sont liés ensemble sous forme de pâte.Le rapport pondéral de la soudure à l'étain au flux est d'environ 9:1 et le rapport volumique est d'environ 1:1.
Une fois la pâte à souder imprimée et montée avec divers composants électroniques, la pâte à souder subira quatre étapes de préchauffage, d'activation, de reflux et de refroidissement lors de son passage dans le four de reflux.L'état de la pâte à souder est également différent selon les températures selon les étapes, comme le montre la figure 2.
Référence de profil pour chaque zone de brasage par refusion
Lors de l'étape de préchauffage et d'activation, les composants volatils du flux de la pâte à souder seront volatilisés en gaz lorsqu'ils seront chauffés.Dans le même temps, des gaz seront produits lorsque l’oxyde à la surface de la couche de soudage sera éliminé.Certains de ces gaz se volatiliseront et quitteront la pâte à souder, et les billes de soudure seront fortement condensées en raison de la volatilisation du flux.Dans l'étape de reflux, le flux restant dans la pâte à souder s'évaporera rapidement, les billes d'étain fondront, une petite quantité de gaz volatil de flux et la majeure partie de l'air entre les billes d'étain ne seront pas dispersées dans le temps, et le résidu dans le l'étain fondu et sous la tension de l'étain fondu sont une structure de sandwich hamburger et sont attrapés par la plaquette de soudure du circuit imprimé et les composants électroniques, et le gaz enveloppé dans l'étain liquide est difficile à s'échapper uniquement par la flottabilité vers le haut. Le temps de fusion supérieur est très court.Lorsque l'étain fondu refroidit et devient de l'étain solide, des pores apparaissent dans la couche de soudure et des trous de soudure se forment, comme le montre la figure 3.
Diagramme schématique du vide généré par le soudage par refusion de la pâte à souder
La cause première de la cavité de soudage est que l'air ou le gaz volatil enveloppé dans la pâte à souder après la fusion n'est pas complètement évacué.Les facteurs d'influence comprennent le matériau de la pâte à souder, la forme d'impression de la pâte à souder, la quantité d'impression de la pâte à souder, la température de reflux, le temps de reflux, la taille de soudage, la structure, etc.
3. Vérification des facteurs d'influence des trous de soudage par refusion d'impression de pâte à souder
Des tests QFN et de puces nues ont été utilisés pour confirmer les principales causes des vides de soudage par refusion et pour trouver des moyens d'améliorer les vides de soudage par refusion imprimés par la pâte à souder.Le profil du produit de soudage par refusion QFN et puce nue est illustré à la figure 4. La taille de la surface de soudage QFN est de 4,4 mm x 4,1 mm, la surface de soudage est une couche étamée (100 % d'étain pur) ;La taille de soudage de la puce nue est de 3,0 mm x 2,3 mm, la couche de soudage est une couche bimétallique de nickel-vanadium pulvérisée et la couche de surface est du vanadium.Le tampon de soudage du substrat était trempé dans de l'or au nickel-palladium sans courant et l'épaisseur était de 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm.La pâte à souder SAC305 est utilisée, l'équipement d'impression de pâte à souder est DEK Horizon APix, l'équipement de four à reflux est BTUPyramax150N et l'équipement à rayons X est DAGExD7500VR.
Dessins de soudage QFN et copeaux nus
Pour faciliter la comparaison des résultats des tests, le soudage par refusion a été effectué 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 soudure a été détectée par rayons X et il a été constaté qu'il y avait de grands trous dans la couche de soudure au bas du QFN et de la puce nue, comme le montre la figure 5.
QFN et hologramme à puce (rayons X)
Étant donné que la taille des perles d'étain, l'épaisseur du treillis en acier, le taux de surface d'ouverture, la forme du treillis en acier, le temps de reflux et la température maximale du four affecteront tous les vides de soudage par refusion, il existe de nombreux facteurs d'influence, qui seront directement vérifiés par le test du DOE et le nombre de tests expérimentaux. les groupes seront trop nombreux.Il est nécessaire d'examiner et de déterminer rapidement les principaux facteurs d'influence grâce à des tests de comparaison de corrélation, puis d'optimiser davantage les principaux facteurs d'influence via le DOE.
3.1 Dimensions des trous de soudure et des billes d'étain de pâte à souder
Avec le test de pâte à souder SAC305 de type 3 (taille des perles 25-45 μm), les autres conditions restent inchangées.Après refusion, les trous dans la couche de soudure sont mesurés et comparés à la pâte à souder de type 4.Il s'avère que les trous dans la couche de soudure ne sont pas significativement différents entre les deux types de pâte à souder, ce qui indique que la pâte à souder avec des tailles de billes différentes n'a pas d'influence évidente sur les trous dans la couche de soudure, ce qui n'est pas un facteur d'influence. comme le montre la fig.6 Comme indiqué.
Comparaison de trous de poudre d'étain métallique avec différentes tailles de particules
3.2 Épaisseur de la cavité de soudage et du treillis en acier imprimé
Après refusion, la surface de la cavité de la couche soudée a été mesurée avec le treillis en acier imprimé d'une épaisseur de 50 μm, 100 μm et 125 μm, et les autres conditions sont restées inchangées.Il a été constaté que l'effet de différentes épaisseurs de treillis en acier (pâte à souder) sur le QFN a été comparé à celui du 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 et lentement.Après avoir atteint une certaine épaisseur (100 μm), la surface de la cavité s'inversera et commencera à augmenter avec l'augmentation de l'épaisseur du treillis en acier, comme le montre la figure 7.
Cela montre que lorsque la quantité de pâte à souder augmente, l'étain liquide avec reflux est recouvert par la puce et la sortie d'échappement d'air résiduel n'est étroite que sur quatre côtés.Lorsque la quantité de pâte à souder est modifiée, la sortie d'échappement d'air résiduel est également augmentée, et l'explosion instantanée d'air enveloppé dans de l'étain liquide ou du gaz volatil s'échappant de l'étain liquide provoquera des éclaboussures d'étain liquide autour du QFN et de la puce.
Le test a révélé qu'avec l'augmentation de l'épaisseur du treillis 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 des copeaux augmentera également en conséquence.
Comparaison de 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
Le treillis en acier imprimé avec un taux d'ouverture de 100 %, 90 % et 80 % a été testé et les autres conditions sont restées inchangées.Après refusion, la surface de la cavité de la couche soudée a été mesurée et comparée au treillis en acier imprimé avec un taux d'ouverture de 100 %.Il a été constaté qu'il n'y avait pas de différence significative dans la cavité de la couche soudée dans les conditions de taux d'ouverture de 100 % et 90 % à 80 %, comme le montre 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
Avec le 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 soudage 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 soudage dans les conditions de grille, bande et grille inclinée, comme le montre la figure 9.
Comparaison des trous dans différents modes d'ouverture du treillis en acier
3.5 Cavité de soudage et temps de reflux
Après un test 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 de Temps de reflux, la surface du trou de soudage a diminué, mais l'amplitude de réduction a progressivement diminué 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 est propice au débordement complet de l'air. enveloppé dans de l'étain liquide fondu, mais après que le temps de reflux augmente jusqu'à un certain temps, l'air enveloppé dans de l'étain liquide est difficile à déborder à nouveau.Le temps de reflux est l'un des facteurs affectant la cavité de soudage.
Comparaison vide de différentes durées de reflux
3.6 Température de la cavité de soudage et du four de pointe
Avec un test de température maximale du four de 240 ℃ et 250 ℃ et d'autres conditions inchangées, la surface de la cavité de la couche soudée a été mesurée après refusion et comparée à une température maximale du four de 260 ℃, il a été constaté que dans différentes conditions de température maximale du four, la cavité de la couche soudée de QFN et de puce n'a pas changé de manière significative, comme le montre la figure 11. Elle 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 nulle des différentes températures maximales
Les tests ci-dessus indiquent que les facteurs importants affectant la cavité de la couche de soudure du QFN et des copeaux sont le temps de reflux et l'épaisseur du treillis en acier.
4 Amélioration de la cavité de soudage par refusion pour impression de pâte à souder
Test 4.1DOE pour améliorer la cavité de soudage
Le trou dans la couche de soudage du QFN et des copeaux a été amélioré en trouvant la valeur optimale des principaux facteurs d'influence (temps de reflux et épaisseur du treillis en acier).La pâte à souder était de type SAC3054, la forme du treillis en acier était de type grille (degré d'ouverture de 100 %), la température maximale du four était de 260 ℃ et les autres conditions de test étaient les mêmes que celles de l'équipement de test.Le test DOE et les résultats ont été présentés dans le tableau 3. Les influences de l'épaisseur du treillis en acier et du temps de reflux sur le QFN et les trous de soudage des copeaux sont présentées dans la figure 12. Grâce à l'analyse des interactions des principaux facteurs d'influence, il s'avère qu'en utilisant une épaisseur de treillis en acier de 100 μm et un temps de reflux de 80 s peut réduire considérablement la cavité de soudage du QFN et des copeaux.Le taux de cavité de soudage du QFN est réduit du maximum de 27,8 % à 16,1 %, et le taux de cavité de soudage des copeaux est réduit du maximum de 20,5 % à 14,5 %.
Lors du test, 1 000 produits ont été fabriqués dans des conditions optimales (épaisseur de treillis en acier de 100 µm, temps de reflux de 80 s) et le taux de cavité de soudage de 100 QFN et de copeaux a été mesuré de manière aléatoire.Le taux moyen de cavité de soudage du QFN était de 16,4 % et le taux moyen de cavité de soudage des copeaux était de 14,7 %. Le taux de cavité de soudage des copeaux et des copeaux est évidemment réduit.
4.2 Le nouveau procédé améliore la cavité de soudage
La situation de production réelle et les tests montrent que lorsque la surface de la cavité de soudage au bas de la puce est inférieure à 10 %, le problème de fissuration de la position de la cavité de la puce ne se produira pas pendant le collage et le moulage du plomb.Les paramètres de processus optimisés par le DOE ne peuvent pas répondre aux exigences d'analyse et de résolution des trous lors du soudage par refusion de pâte à souder conventionnelle, et le taux de surface de la cavité de soudage de la puce doit être encore réduit.
Étant donné que la puce recouverte par la soudure empêche le gaz contenu dans la soudure de s'échapper, le taux de trous au bas de la puce est encore réduit en éliminant ou en réduisant le gaz recouvert par la soudure.Un nouveau procédé de soudage par refusion avec deux impressions de pâte à souder est adopté : une impression de pâte à souder, une refusion ne couvrant pas le QFN et la puce nue évacuant le gaz dans la soudure ;Le processus spécifique d'impression secondaire de la pâte à souder, de patch et de reflux secondaire est illustré à la figure 13.
Lorsque la pâte à souder de 75 μm d'épaisseur est imprimée pour la première fois, la majeure partie du gaz contenu dans la soudure sans protection contre les copeaux s'échappe de la surface et l'épaisseur après reflux est d'environ 50 μm.Une fois le reflux primaire terminé, de petits carrés sont imprimés sur la surface de la soudure solidifiée refroidie (afin de réduire la quantité de pâte à souder, de réduire la quantité de débordement de gaz, de réduire ou d'éliminer les projections de soudure), et la pâte à souder avec une épaisseur de 50 μm (les résultats des tests ci-dessus montrent que 100 μm est le meilleur, donc l'épaisseur de l'impression secondaire est de 100 μm. 50 μm = 50 μm), puis installez la puce, puis revenez pendant 80 s.Il n'y a presque aucun trou dans la soudure après la première impression et refusion, et la pâte à souder dans la deuxième impression est petite et le trou de soudure est petit, comme le montre la figure 14.
Après deux impressions de pâte à braser, dessin en creux
4.3 Vérification de l'effet de cavité de soudage
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), les autres conditions inchangées, la mesure aléatoire de 500 QFN et le taux de cavité de soudage des copeaux, ont révélé que le nouveau processus après le premier reflux, aucune cavité, après le deuxième reflux QFN Le taux maximum de cavité de soudage est de 4,8 % et le taux maximum de cavité de soudage de la puce est de 4,1 %.Par rapport au processus de soudage par impression mono-pâte d'origine et au processus optimisé par le DOE, la cavité de soudage est considérablement réduite, comme le montre la figure 15. Aucune fissure par éclats n'a été trouvée après les tests fonctionnels de tous les produits.
5 Résumé
L'optimisation de la quantité d'impression de pâte à souder et du temps de reflux peut réduire la surface de la cavité de soudage, mais le taux de cavité de soudage reste important.L'utilisation de deux techniques de soudage par refusion avec impression de pâte à souder peut efficacement maximiser le taux de cavité de soudage.La zone de soudage de la puce nue du circuit QFN peut être respectivement de 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 contrôlé en dessous de 5 %, ce qui améliore la qualité et la fiabilité du soudage par refusion.La recherche présentée dans cet article fournit une référence importante pour améliorer le problème des cavités de soudage sur de grandes surfaces de soudage.