1 Einleitung
Bei der Leiterplattenmontage wird zunächst Lötpaste auf die Lötfläche der Leiterplatte gedruckt und anschließend verschiedene elektronische Bauteile befestigt. Nach dem Reflow-Ofen werden die Zinnkügelchen in der Lötpaste geschmolzen und alle Arten von elektronischen Bauteilen und die Lötfläche der Leiterplatte miteinander verschweißt, um die Montage elektrischer Submodule zu realisieren. Die Oberflächenmontagetechnologie (SMT) wird zunehmend in hochdichten Verpackungsprodukten eingesetzt, wie z. B. System Level Packages (SIP), Ball Grid Arrays (BGA) und Power Bare Chips sowie quadratischen, flachen, stiftlosen Gehäusen (Quad AAT No-Lead, kurz QFN).
Aufgrund der Eigenschaften des Lötpastenschweißprozesses und der Materialien entstehen nach dem Reflow-Schweißen dieser Geräte mit großer Lötoberfläche Löcher im Lötschweißbereich, die die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Produkts beeinträchtigen und sogar zu Produktausfällen führen können. Daher ist die Verbesserung der Lötpasten-Reflow-Schweißhohlräume zu einem prozess- und technischen Problem geworden, das gelöst werden muss. Einige Forscher haben die Ursachen für Lötkugel-Schweißhohlräume bei BGAs analysiert und untersucht und Verbesserungslösungen bereitgestellt. Beim herkömmlichen Lötpasten-Reflow-Schweißprozess für QFNs mit Schweißbereichen über 10 mm² oder Schweißbereichen über 6 mm² mangelt es an Bare-Chip-Lösungen.
Verwenden Sie Vorformlötschweißen und Vakuum-Rückflussofenschweißen, um die Schweißnaht zu verbessern. Vorgefertigtes Lot erfordert spezielle Ausrüstung zum Ausrichten des Flussmittels. Beispielsweise wird der Chip stark versetzt und geneigt, nachdem er direkt auf das vorgefertigte Lot gelegt wurde. Wenn der Chip mit Flussmittel montiert und anschließend ausgerichtet wird, erhöht sich der Prozess um zwei Reflows, und die Kosten für vorgefertigtes Lot und Flussmittel sind deutlich höher als für Lötpaste.
Vakuum-Rückflussgeräte sind teurer, die Vakuumkapazität der unabhängigen Vakuumkammer ist sehr gering, das Preis-Leistungs-Verhältnis ist nicht hoch und das Zinnspritzproblem ist ernst, was ein wichtiger Faktor bei der Anwendung von Produkten mit hoher Dichte und kleinem Abstand ist. In diesem Artikel wird basierend auf dem herkömmlichen Lötpasten-Reflow-Schweißverfahren ein neues sekundäres Reflow-Schweißverfahren entwickelt und eingeführt, um den Schweißhohlraum zu verbessern und die durch den Schweißhohlraum verursachten Probleme der Bindung und Rissbildung der Kunststoffdichtung zu lösen.
2 Lötpastendruck-Reflow-Schweißhohlraum und Produktionsmechanismus
2.1 Schweißhohlraum
Nach dem Reflow-Schweißen wurde das Produkt unter Röntgenstrahlen geprüft. Die Löcher in der Schweißzone mit hellerer Farbe waren auf unzureichendes Lot in der Schweißschicht zurückzuführen, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Röntgendetektion des Blasenlochs
2.2 Entstehungsmechanismus der Schweißkavität
Am Beispiel der Lötpaste sAC305 sind die Hauptzusammensetzung und Funktion in Tabelle 1 dargestellt. Flussmittel und Zinnkügelchen sind in Pastenform miteinander verbunden. Das Gewichtsverhältnis von Lötzinn zu Flussmittel beträgt etwa 9:1, das Volumenverhältnis etwa 1:1.
Nachdem die Lötpaste gedruckt und mit verschiedenen elektronischen Bauteilen bestückt wurde, durchläuft sie im Rückflussofen vier Phasen: Vorwärmen, Aktivieren, Rückfluss und Abkühlen. Der Zustand der Lötpaste ist in den verschiedenen Phasen unterschiedlich, da unterschiedliche Temperaturen herrschen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Profilreferenz für jeden Bereich des Reflow-Lötens
In der Vorwärm- und Aktivierungsphase verflüchtigen sich die flüchtigen Bestandteile des Flussmittels in der Lötpaste beim Erhitzen zu Gas. Gleichzeitig entstehen Gase, wenn das Oxid auf der Oberfläche der Schweißschicht entfernt wird. Einige dieser Gase verflüchtigen sich und verlassen die Lötpaste, und die Lötperlen verdichten sich aufgrund der Verflüchtigung des Flussmittels stark. In der Rückflussphase verdunstet das verbleibende Flussmittel in der Lötpaste schnell, die Zinnperlen schmelzen, eine kleine Menge flüchtiges Flussmittelgas und der größte Teil der Luft zwischen den Zinnperlen werden nicht rechtzeitig verteilt, und die Rückstände im geschmolzenen Zinn und unter der Spannung des geschmolzenen Zinns bilden eine Hamburger-Sandwich-Struktur und werden von den Lötpads der Leiterplatte und den elektronischen Bauteilen aufgefangen, und das im flüssigen Zinn eingeschlossene Gas kann nur durch den Auftrieb nach oben entweichen. Die obere Schmelzzeit ist sehr kurz. Wenn das geschmolzene Zinn abkühlt und zu festem Zinn wird, entstehen Poren in der Schweißschicht und es bilden sich Lötlöcher, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Schematische Darstellung eines Hohlraums, der durch Lötpasten-Reflow-Schweißen entsteht
Die Hauptursache für Schweißhohlräume liegt darin, dass die in der Lötpaste eingeschlossene Luft oder das flüchtige Gas nach dem Schmelzen nicht vollständig entweichen kann. Zu den Einflussfaktoren zählen das Lötpastenmaterial, die Form und Menge der Lötpaste, die Rückflusstemperatur, die Rückflusszeit, die Schweißgröße, die Struktur usw.
3. Überprüfung der Einflussfaktoren beim Lötpastendruck von Reflow-Schweißlöchern
QFN- und Bare-Chip-Tests wurden verwendet, um die Hauptursachen für Reflow-Schweißhohlräume zu bestätigen und Wege zu finden, die durch Lötpaste gedruckten Reflow-Schweißhohlräume zu verbessern. Das Produktprofil für das Reflow-Schweißen von QFN- und Bare-Chip-Lötpasten ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Größe der QFN-Schweißfläche beträgt 4,4 mm x 4,1 mm, die Schweißfläche besteht aus einer verzinnten Schicht (100 % reines Zinn); die Schweißfläche des Bare-Chips beträgt 3,0 mm x 2,3 mm, die Schweißschicht besteht aus einer aufgesputterten bimetallischen Nickel-Vanadium-Schicht und die Oberflächenschicht besteht aus Vanadium. Das Schweißpad des Substrats wurde chemisch mit Nickel-Palladium vergoldet und hatte eine Dicke von 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Es wird SAC305-Lötpaste verwendet, die Lötpastendruckausrüstung ist DEK Horizon APix, die Rückflussofenausrüstung ist BTUPyramax150N und die Röntgenausrüstung ist DAGExD7500VR.
QFN- und Bare-Chip-Schweißzeichnungen
Um den Vergleich der Testergebnisse zu erleichtern, wurde das Reflow-Schweißen unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen durchgeführt.
Tabelle der Reflow-Schweißbedingungen
Nachdem die Oberflächenmontage und das Reflow-Schweißen abgeschlossen waren, wurde die Schweißschicht per Röntgen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass sich in der Schweißschicht an der Unterseite des QFN und des Bare-Chips große Löcher befanden, wie in Abbildung 5 dargestellt.
QFN und Chip-Hologramm (Röntgen)
Da die Größe der Zinnperlen, die Dicke des Stahlgewebes, die Öffnungsfläche, die Form des Stahlgewebes, die Rückflusszeit und die maximale Ofentemperatur die Hohlräume beim Reflow-Schweißen beeinflussen, gibt es viele Einflussfaktoren, die direkt durch einen DOE-Test überprüft werden können. Die Anzahl der Versuchsgruppen wird zu groß sein. Es ist notwendig, die wichtigsten Einflussfaktoren schnell durch einen Korrelationsvergleichstest zu ermitteln und dann die wichtigsten Einflussfaktoren durch DOE weiter zu optimieren.
3.1 Abmessungen von Lötlöchern und Lötpasten-Zinnperlen
Beim Lötpastentest Typ 3 (Perlengröße 25–45 μm) SAC305 bleiben die übrigen Bedingungen unverändert. Nach dem Reflow werden die Löcher in der Lötschicht gemessen und mit der Lötpaste Typ 4 verglichen. Es zeigt sich, dass sich die Löcher in der Lötschicht bei beiden Lötpasten nicht signifikant unterscheiden. Dies deutet darauf hin, dass die Lötpaste mit unterschiedlicher Perlengröße keinen offensichtlichen Einfluss auf die Löcher in der Lötschicht hat, was kein Einflussfaktor ist, wie in Abb. 6 dargestellt.
Vergleich von metallischen Zinnpulverlöchern mit unterschiedlichen Partikelgrößen
3.2 Dicke der Schweißkavität und des bedruckten Stahlgitters
Nach dem Reflow wurde die Hohlraumfläche der Schweißschicht mit dem gedruckten Stahlgitter mit einer Dicke von 50 μm, 100 μm und 125 μm gemessen, wobei die übrigen Bedingungen unverändert blieben. Es zeigte sich, dass der Effekt unterschiedlicher Stahlgitterdicken (Lötpaste) auf QFN mit dem des gedruckten Stahlgitters mit einer Dicke von 75 μm verglichen wurde. Mit zunehmender Dicke des Stahlgitters verringert sich die Hohlraumfläche allmählich. Ab einer bestimmten Dicke (100 μm) kehrt sich die Hohlraumfläche um und beginnt mit zunehmender Dicke des Stahlgitters zuzunehmen, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Dies zeigt, dass bei einer Erhöhung der Lötpastenmenge das flüssige Zinn mit Rückfluss vom Chip bedeckt wird und der Auslass für die Restluft nur an vier Seiten schmal ist. Wenn die Lötpastenmenge geändert wird, vergrößert sich auch der Auslass für die Restluft, und der plötzliche Ausbruch von in flüssigem Zinn eingeschlossener Luft oder aus flüssigem Zinn austretendem flüchtigem Gas führt dazu, dass flüssiges Zinn um QFN und den Chip spritzt.
Der Test ergab, dass mit zunehmender Dicke des Stahlgitters auch die Zahl der Blasen, die durch das Entweichen von Luft oder flüchtigen Gasen entstehen, zunimmt und die Wahrscheinlichkeit, dass Zinn um QFN und Chip herum spritzt, entsprechend zunimmt.
Vergleich der Löcher in Stahlgittern unterschiedlicher Dicke
3.3 Flächenverhältnis von Schweißhohlraum und Stahlgitteröffnung
Das gedruckte Stahlgitter wurde mit Öffnungsraten von 100 %, 90 % und 80 % getestet, die übrigen Bedingungen blieben unverändert. Nach dem Reflow wurde die Hohlraumfläche der Schweißschicht gemessen und mit der des gedruckten Stahlgitters mit 100 % Öffnungsrate verglichen. Es zeigte sich, dass es bei Öffnungsraten von 100 % und 90 % bzw. 80 % keinen signifikanten Unterschied im Hohlraum der Schweißschicht gab, wie in Abbildung 8 dargestellt.
Hohlraumvergleich verschiedener Öffnungsbereiche verschiedener Stahlgewebe
3.4 Geschweißter Hohlraum und gedruckte Stahlgitterform
Beim Druckformtest der Lötpaste von Streifen b und geneigtem Gitter c bleiben die übrigen Bedingungen unverändert. Nach dem Reflow wird der Hohlraumbereich der Schweißschicht gemessen und mit der Druckform von Gitter a verglichen. Es zeigt sich, dass es unter den Bedingungen von Gitter, Streifen und geneigtem Gitter keinen signifikanten Unterschied im Hohlraum der Schweißschicht gibt, wie in Abbildung 9 dargestellt.
Vergleich der Löcher in verschiedenen Öffnungsarten von Stahlgittern
3.5 Schweißhohlraum und Rückflusszeit
Nach einem Test mit verlängerter Rückflusszeit (70 s, 80 s, 90 s) blieben die anderen Bedingungen unverändert. Das Loch in der Schweißschicht wurde nach dem Rückfluss gemessen und mit der Rückflusszeit von 60 s verglichen. Es zeigte sich, dass mit zunehmender Rückflusszeit die Schweißlochfläche abnahm, die Reduktionsamplitude jedoch mit zunehmender Zeit allmählich abnahm, wie in Abbildung 10 dargestellt. Dies zeigt, dass bei unzureichender Rückflusszeit eine Verlängerung der Rückflusszeit dem vollständigen Überströmen der in geschmolzenes Zinn eingeschlossenen Luft förderlich ist. Nach einer bestimmten Rückflusszeit kann die in flüssiges Zinn eingeschlossene Luft jedoch nur schwer wieder überströmen. Die Rückflusszeit ist einer der Faktoren, die den Schweißhohlraum beeinflussen.
Vergleich verschiedener Rückflusszeiten
3.6 Schweißhohlraum und maximale Ofentemperatur
Bei einem Test mit einer maximalen Ofentemperatur von 240 °C und 250 °C und unveränderten anderen Bedingungen wurde der Hohlraumbereich der Schweißschicht nach dem Reflow gemessen und mit einer maximalen Ofentemperatur von 260 °C verglichen. Es wurde festgestellt, dass sich der Hohlraum der Schweißschicht von QFN und Chip unter verschiedenen maximalen Ofentemperaturbedingungen nicht signifikant veränderte, wie in Abbildung 11 dargestellt. Dies zeigt, dass unterschiedliche maximale Ofentemperaturen keine offensichtlichen Auswirkungen auf QFN und das Loch in der Schweißschicht des Chips haben, was kein Einflussfaktor ist.
Vergleich verschiedener Spitzentemperaturen entfällt
Die obigen Tests zeigen, dass die Rückflusszeit und die Dicke des Stahlgitters die wesentlichen Faktoren sind, die den Hohlraum der Schweißschicht von QFN und Chip beeinflussen.
4 Verbesserung der Hohlräume beim Reflow-Schweißen durch Lötpastendruck
4.1DOE-Test zur Verbesserung der Schweißhohlräume
Das Loch in der Schweißschicht von QFN und Chip wurde verbessert, indem der optimale Wert der wichtigsten Einflussfaktoren (Rückflusszeit und Stahlgitterdicke) ermittelt wurde. Die Lötpaste war SAC305 Typ 4, das Stahlgitter war gitterförmig (100 % Öffnungsgrad), die maximale Ofentemperatur betrug 260 °C und die übrigen Testbedingungen waren dieselben wie die der Testausrüstung. DOE-Test und Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Einflüsse der Stahlgitterdicke und der Rückflusszeit auf die Schweißlöcher von QFN und Chip sind in Abbildung 12 dargestellt. Durch die Interaktionsanalyse der wichtigsten Einflussfaktoren wurde festgestellt, dass die Verwendung einer Stahlgitterdicke von 100 μm und einer Rückflusszeit von 80 s die Schweißhohlräume von QFN und Chip deutlich reduzieren kann. Die Schweißhohlraumrate von QFN wird von maximal 27,8 % auf 16,1 % reduziert und die Schweißhohlraumrate des Chips wird von maximal 20,5 % auf 14,5 % reduziert.
Im Test wurden 1000 Produkte unter optimalen Bedingungen (100 μm Stahlgitterdicke, 80 s Rückflusszeit) hergestellt und die Schweißhohlraumrate von 100 QFN und Chips zufällig gemessen. Die durchschnittliche Schweißhohlraumrate von QFN betrug 16,4 % und die durchschnittliche Schweißhohlraumrate von Chips 14,7 %. Die Schweißhohlraumrate von Chips und Chips ist deutlich reduziert.
4.2 Das neue Verfahren verbessert die Schweißkavität
Die tatsächliche Produktionssituation und Tests zeigen, dass das Problem der Rissbildung in der Chip-Hohlraumposition während des Anschlussbondens und -formens nicht auftritt, wenn der Schweißhohlraumbereich an der Unterseite des Chips weniger als 10 % beträgt. Die durch DOE optimierten Prozessparameter können die Anforderungen zur Analyse und Beseitigung der Löcher beim herkömmlichen Lötpasten-Reflow-Schweißen nicht erfüllen, und der Schweißhohlraumbereich des Chips muss weiter reduziert werden.
Da der mit Lot bedeckte Chip das Entweichen des Gases im Lot verhindert, wird die Lochrate an der Unterseite des Chips durch Eliminierung oder Reduzierung des mit Lot beschichteten Gases weiter reduziert. Ein neues Verfahren des Reflow-Schweißens mit zwei Lötpastendrucken wird angewendet: ein Lötpastendruck, ein Reflow, der QFN und Bare-Chip nicht bedeckt, wobei das Gas im Lot entladen wird; das spezifische Verfahren des sekundären Lötpastendrucks, Patchens und sekundären Rückflusses ist in Abbildung 13 dargestellt.
Beim ersten Drucken der 75 μm dicken Lötpaste entweicht der größte Teil des Gases im Lot ohne Chipabdeckung von der Oberfläche, und die Dicke nach dem Rückfluss beträgt etwa 50 μm. Nach Abschluss des primären Rückflusses werden kleine Quadrate auf die Oberfläche des abgekühlten, erstarrten Lots gedruckt (um die Menge der Lötpaste zu reduzieren, die Menge an überlaufendem Gas zu verringern und Lötspritzer zu reduzieren oder zu vermeiden). Anschließend wird die Lötpaste mit einer Dicke von 50 μm (die obigen Testergebnisse zeigen, dass 100 μm am besten ist, daher beträgt die Dicke des zweiten Drucks 100 μm. 50 μm = 50 μm) aufgetragen. Anschließend wird der Chip installiert, und der Vorgang dauert 80 s. Nach dem ersten Drucken und Rückfluss gibt es fast keine Löcher im Lot, und die Lötpaste beim zweiten Druck ist klein, und das Schweißloch ist klein, wie in Abbildung 14 dargestellt.
Nach zwei Drucken von Lötpaste, Hohlzeichnung
4.3 Überprüfung des Schweißhohlraumeffekts
Bei der Herstellung von 2.000 Produkten (die Dicke des ersten Druckstahlnetzes beträgt 75 μm, die Dicke des zweiten Druckstahlnetzes beträgt 50 μm) wurden unter sonst gleichen Bedingungen Stichprobenmessungen der Schweißhohlraumrate von 500 QFN-Chips durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass beim neuen Verfahren nach dem ersten Rückfluss keine Hohlräume mehr vorhanden sind, die maximale Schweißhohlraumrate des QFN nach dem zweiten Rückfluss 4,8 % beträgt und die maximale Schweißhohlraumrate des Chips 4,1 % beträgt. Im Vergleich zum ursprünglichen Einzelpastendruckschweißverfahren und dem optimierten DOE-Verfahren ist der Schweißhohlraum deutlich reduziert, wie in Abbildung 15 dargestellt. Nach Funktionstests aller Produkte wurden keine Chiprisse festgestellt.
5 Zusammenfassung
Durch Optimierung der Lotpastendruckmenge und der Rückflusszeit kann die Schweißhohlraumfläche reduziert werden, die Schweißhohlraumrate bleibt jedoch weiterhin groß. Durch den Einsatz zweier Reflow-Schweißtechniken mit Lotpastendruck kann die Schweißhohlraumrate effektiv maximiert werden. Die Schweißfläche von QFN-Schaltkreis-Bare-Chips kann in der Massenproduktion 4,4 mm x 4,1 mm bzw. 3,0 mm x 2,3 mm betragen. Die Hohlraumrate beim Reflow-Schweißen wird auf unter 5 % gehalten, was die Qualität und Zuverlässigkeit des Reflow-Schweißens verbessert. Die Forschung in diesem Artikel liefert wichtige Hinweise zur Lösung des Schweißhohlraumproblems bei großflächigen Schweißflächen.
Beitragszeit: 05.07.2023
