SMT از آنالیز و راه‌حل حفره جوشکاری جریان هوای خمیر لحیم معمولی (نسخه Essence 2023) استفاده می‌کند، شما لیاقتش را دارید!
۱ مقدمه
در مونتاژ برد مدار، ابتدا خمیر لحیم روی پد لحیم برد مدار چاپ می‌شود و سپس قطعات الکترونیکی مختلف چسبانده می‌شوند. در نهایت، پس از کوره بازتابی، مهره‌های قلع موجود در خمیر لحیم ذوب می‌شوند و انواع قطعات الکترونیکی و پد لحیم برد مدار به هم جوش داده می‌شوند تا مونتاژ زیرماژول‌های الکتریکی انجام شود. فناوری نصب سطحی (sMT) به طور فزاینده‌ای در محصولات بسته‌بندی با چگالی بالا، مانند بسته سطح سیستم (siP)، دستگاه‌های آرایه شبکه‌ای توپی (BGA) و تراشه بدون منبع تغذیه، بسته مسطح مربعی بدون پین (quad aatNo-lead، که به عنوان QFN شناخته می‌شود) استفاده می‌شود.
با توجه به ویژگی‌های فرآیند جوشکاری خمیر لحیم و مواد، پس از جوشکاری جریان برگشتی این دستگاه‌های سطح لحیم بزرگ، سوراخ‌هایی در ناحیه جوشکاری لحیم ایجاد می‌شود که بر خواص الکتریکی، خواص حرارتی و خواص مکانیکی عملکرد محصول تأثیر می‌گذارد و حتی منجر به خرابی محصول می‌شود. بنابراین، برای بهبود حفره جوشکاری جریان برگشتی خمیر لحیم، که به یک مشکل فرآیندی و فنی تبدیل شده است که باید حل شود، برخی از محققان علل حفره جوشکاری توپ لحیم BGA را تجزیه و تحلیل و بررسی کرده‌اند و راه‌حل‌های بهبود را ارائه داده‌اند. فرآیند جوشکاری جریان برگشتی خمیر لحیم معمولی، ناحیه جوشکاری QFN بزرگتر از 10 میلی‌متر مربع یا ناحیه جوشکاری بزرگتر از 6 میلی‌متر مربع را ندارد. راه‌حل تراشه خالی وجود ندارد.
برای بهبود سوراخ جوش، از جوشکاری پیش ساخته لحیم و جوشکاری کوره رفلاکس خلاء استفاده کنید. لحیم پیش ساخته برای نقطه گذاری شار به تجهیزات خاصی نیاز دارد. به عنوان مثال، تراشه پس از قرار دادن مستقیم تراشه روی لحیم پیش ساخته، به طور جدی جابجا و کج می شود. اگر تراشه نصب شار، جریان مجدد و سپس نقطه گذاری شود، فرآیند دو برابر جریان مجدد افزایش می یابد و هزینه لحیم پیش ساخته و مواد شار بسیار بیشتر از خمیر لحیم است.
تجهیزات رفلاکس خلاء گران‌تر هستند، ظرفیت خلاء محفظه خلاء مستقل بسیار کم است، عملکرد هزینه‌ای بالایی ندارد و مشکل پاشش قلع جدی است که عامل مهمی در کاربرد محصولات با چگالی بالا و گام کوچک است. در این مقاله، بر اساس فرآیند جوشکاری رفلاکس خمیر لحیم معمولی، یک فرآیند جوشکاری رفلاکس ثانویه جدید برای بهبود حفره جوشکاری و حل مشکلات اتصال و ترک خوردگی درزگیر پلاستیکی ناشی از حفره جوشکاری توسعه داده شده و معرفی شده است.
2 حفره جوشکاری بازتابی چاپ خمیر لحیم و مکانیسم تولید
۲.۱ حفره جوشکاری
پس از جوشکاری جریانی، محصول تحت آزمایش اشعه ایکس قرار گرفت. سوراخ‌های موجود در ناحیه جوش با رنگ روشن‌تر، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، به دلیل لحیم ناکافی در لایه جوش تشخیص داده شدند.
تشخیص حفره حباب با اشعه ایکس
۲.۲ مکانیسم تشکیل حفره جوشکاری
با در نظر گرفتن خمیر لحیم sAC305 به عنوان مثال، ترکیب و عملکرد اصلی در جدول 1 نشان داده شده است. دانه‌های روان‌ساز و قلع به شکل خمیر به هم متصل شده‌اند. نسبت وزنی لحیم قلع به روان‌ساز حدود 9:1 و نسبت حجمی حدود 1:1 است.
پس از چاپ و نصب قطعات الکترونیکی مختلف روی خمیر لحیم، خمیر لحیم هنگام عبور از کوره رفلاکس، چهار مرحله پیش‌گرمایش، فعال‌سازی، رفلاکس و خنک‌سازی را طی می‌کند. وضعیت خمیر لحیم نیز با دماهای مختلف در مراحل مختلف، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، متفاوت است.
مرجع مشخصات برای هر ناحیه لحیم کاری بازتابی
در مرحله پیش گرمایش و فعال سازی، اجزای فرار موجود در روان‌ساز خمیر لحیم هنگام گرم شدن به گاز تبدیل می‌شوند. در عین حال، هنگامی که اکسید روی سطح لایه جوش برداشته می‌شود، گازها تولید می‌شوند. برخی از این گازها تبخیر شده و خمیر لحیم را ترک می‌کنند و مهره‌های لحیم به دلیل تبخیر روان‌ساز، به شدت متراکم می‌شوند. در مرحله رفلاکس، روان‌ساز باقی مانده در خمیر لحیم به سرعت تبخیر می‌شود، مهره‌های قلع ذوب می‌شوند، مقدار کمی از گاز فرار روان‌ساز و بیشتر هوای بین مهره‌های قلع به موقع پراکنده نمی‌شوند و باقیمانده در قلع مذاب و تحت کشش قلع مذاب، ساختار ساندویچی همبرگری دارند و توسط پد لحیم برد مدار و قطعات الکترونیکی گرفته می‌شوند و گاز پیچیده شده در قلع مایع به سختی از آن خارج می‌شود و فقط با شناوری رو به بالا زمان ذوب بالایی بسیار کوتاه است. هنگامی که قلع مذاب خنک می‌شود و به قلع جامد تبدیل می‌شود، منافذی در لایه جوش ظاهر می‌شوند و سوراخ‌های لحیم تشکیل می‌شوند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.
نمودار شماتیک حفره ایجاد شده توسط جوشکاری بازتابی خمیر لحیم
علت اصلی حفره جوشکاری این است که هوا یا گاز فرار پیچیده شده در خمیر لحیم پس از ذوب شدن به طور کامل تخلیه نمی شود. عوامل مؤثر شامل مواد خمیر لحیم، شکل چاپ خمیر لحیم، مقدار چاپ خمیر لحیم، دمای رفلاکس، زمان رفلاکس، اندازه جوش، ساختار و غیره است.
۳. بررسی عوامل مؤثر بر سوراخ‌های جوشکاری بازتابی چاپ خمیر لحیم
برای تأیید علل اصلی حفره‌های جوشکاری جریان برگشتی و یافتن راه‌هایی برای بهبود حفره‌های جوشکاری جریان برگشتی چاپ شده توسط خمیر لحیم، از آزمایش‌های QFN و تراشه لخت استفاده شد. مشخصات محصول جوشکاری جریان برگشتی QFN و تراشه لخت در شکل 4 نشان داده شده است، اندازه سطح جوشکاری QFN برابر با 4.4 میلی‌متر در 4.1 میلی‌متر است، سطح جوش از لایه قلع اندود (100٪ قلع خالص) تشکیل شده است. اندازه جوش تراشه لخت 3.0 میلی‌متر در 2.3 میلی‌متر است، لایه جوش از لایه دو فلزی نیکل-وانادیوم کندوپاش شده و لایه سطحی از وانادیوم است. پد جوشکاری زیرلایه از نوع غوطه‌وری طلا بدون الکترولس نیکل-پالادیوم بود و ضخامت آن 0.4μm/0.06μm/0.04μm بود. از خمیر لحیم SAC305 استفاده شد، تجهیزات چاپ خمیر لحیم DEK Horizon APix، تجهیزات کوره رفلاکس BTUPyramax150N و تجهیزات اشعه ایکس DAGExD7500VR بودند.
نقشه‌های جوشکاری QFN و براده لخت
برای تسهیل مقایسه نتایج آزمایش، جوشکاری برگشتی تحت شرایط جدول 2 انجام شد.
جدول شرایط جوشکاری جریان برگشتی
پس از اتمام نصب سطحی و جوشکاری جریانی، لایه جوش توسط اشعه ایکس شناسایی شد و مشخص شد که سوراخ‌های بزرگی در لایه جوش در پایین QFN و تراشه بدون پوشش وجود دارد، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.
هولوگرام QFN و چیپ (اشعه ایکس)
از آنجایی که اندازه مهره قلع، ضخامت شبکه فولادی، نرخ سطح بازشو، شکل شبکه فولادی، زمان رفلاکس و دمای اوج کوره، همگی بر حفره‌های جوشکاری بازگشتی تأثیر می‌گذارند، عوامل تأثیرگذار زیادی وجود دارند که مستقیماً توسط آزمایش DOE تأیید می‌شوند و تعداد گروه‌های آزمایشی بسیار زیاد خواهد بود. لازم است به سرعت عوامل تأثیرگذار اصلی از طریق آزمایش مقایسه همبستگی غربالگری و تعیین شوند و سپس از طریق DOE، عوامل تأثیرگذار اصلی بهینه شوند.
۳.۱ ابعاد سوراخ‌های لحیم و مهره‌های قلع خمیر لحیم
با آزمایش خمیر لحیم نوع ۳ (اندازه مهره ۲۵-۴۵ میکرومتر) SAC305، سایر شرایط بدون تغییر باقی می‌مانند. پس از جریان مجدد، سوراخ‌های لایه لحیم اندازه‌گیری و با خمیر لحیم نوع ۴ مقایسه می‌شوند. مشخص می‌شود که سوراخ‌های لایه لحیم بین دو نوع خمیر لحیم تفاوت معنی‌داری ندارند، که نشان می‌دهد خمیر لحیم با اندازه مهره متفاوت هیچ تأثیر آشکاری بر سوراخ‌های لایه لحیم ندارد، که همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است، یک عامل تأثیرگذار نیست.
مقایسه سوراخ‌های پودر قلع فلزی با اندازه‌های مختلف ذرات
۳.۲ ضخامت حفره جوشکاری و توری فولادی چاپ شده
پس از جریان مجدد، مساحت حفره لایه جوش داده شده با مش فولادی چاپ شده با ضخامت 50 میکرومتر، 100 میکرومتر و 125 میکرومتر اندازه‌گیری شد و سایر شرایط بدون تغییر باقی ماند. مشخص شد که تأثیر ضخامت‌های مختلف مش فولادی (خمیر لحیم) بر QFN با اثر مش فولادی چاپ شده با ضخامت 75 میکرومتر مقایسه شد. با افزایش ضخامت مش فولادی، مساحت حفره به تدریج به آرامی کاهش می‌یابد. پس از رسیدن به ضخامت مشخصی (100 میکرومتر)، مساحت حفره معکوس شده و با افزایش ضخامت مش فولادی، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، شروع به افزایش می‌کند.
این نشان می‌دهد که وقتی مقدار خمیر لحیم افزایش می‌یابد، قلع مایع با جریان برگشتی توسط تراشه پوشانده می‌شود و خروجی هوای باقیمانده فقط از چهار طرف باریک می‌شود. وقتی مقدار خمیر لحیم تغییر می‌کند، خروجی هوای باقیمانده نیز افزایش می‌یابد و انفجار فوری هوای پیچیده شده در قلع مایع یا گاز فرار که از قلع مایع خارج می‌شود، باعث پاشیدن قلع مایع در اطراف QFN و تراشه می‌شود.
این آزمایش نشان داد که با افزایش ضخامت توری فولادی، ترکیدن حباب ناشی از خروج هوا یا گاز فرار نیز افزایش می‌یابد و احتمال پاشش قلع در اطراف QFN و تراشه نیز به طور متناسب افزایش می‌یابد.
مقایسه سوراخ‌ها در شبکه فولادی با ضخامت‌های مختلف
۳.۳ نسبت مساحت حفره جوشکاری و دهانه توری فولادی
توری فولادی چاپ شده با نرخ باز شدن ۱۰۰٪، ۹۰٪ و ۸۰٪ آزمایش شد و سایر شرایط بدون تغییر باقی ماند. پس از جریان مجدد، مساحت حفره لایه جوش داده شده اندازه گیری و با توری فولادی چاپ شده با نرخ باز شدن ۱۰۰٪ مقایسه شد. همانطور که در شکل ۸ نشان داده شده است، مشخص شد که تفاوت قابل توجهی در حفره لایه جوش داده شده تحت شرایط نرخ باز شدن ۱۰۰٪ و ۹۰٪ ۸۰٪ وجود ندارد.
مقایسه حفره‌های مختلف در بازشوهای توری‌های فولادی مختلف
۳.۴ حفره جوش داده شده و شکل توری فولادی چاپ شده
با آزمایش شکل چاپ خمیر لحیم نوار b و شبکه شیب‌دار c، سایر شرایط بدون تغییر باقی می‌مانند. پس از جریان مجدد، مساحت حفره لایه جوش اندازه‌گیری و با شکل چاپ شبکه a مقایسه می‌شود. همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، مشخص می‌شود که هیچ تفاوت قابل توجهی در حفره لایه جوش تحت شرایط شبکه، نوار و شبکه شیب‌دار وجود ندارد.
مقایسه سوراخ‌ها در حالت‌های مختلف باز شدن توری فولادی
۳.۵ زمان حفره جوشکاری و رفلاکس
پس از آزمایش زمان رفلاکس طولانی (70 ثانیه، 80 ثانیه، 90 ثانیه)، سایر شرایط بدون تغییر باقی ماندند، سوراخ در لایه جوش پس از رفلاکس اندازه‌گیری شد و در مقایسه با زمان رفلاکس 60 ثانیه، مشخص شد که با افزایش زمان رفلاکس، مساحت سوراخ جوش کاهش می‌یابد، اما دامنه کاهش به تدریج با افزایش زمان کاهش می‌یابد، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است. این نشان می‌دهد که در صورت زمان رفلاکس ناکافی، افزایش زمان رفلاکس منجر به سرریز کامل هوای پیچیده شده در قلع مایع مذاب می‌شود، اما پس از افزایش زمان رفلاکس به زمان مشخصی، سرریز مجدد هوای پیچیده شده در قلع مایع دشوار است. زمان رفلاکس یکی از عواملی است که بر حفره جوشکاری تأثیر می‌گذارد.
مقایسه باطل طول زمان‌های رفلاکس مختلف
۳.۶ دمای حفره جوشکاری و حداکثر دمای کوره
با آزمایش دمای اوج کوره ۲۴۰ و ۲۵۰ درجه سانتیگراد و بدون تغییر سایر شرایط، مساحت حفره لایه جوش داده شده پس از بازگشودن اندازه‌گیری شد و در مقایسه با دمای اوج کوره ۲۶۰ درجه سانتیگراد، مشخص شد که در شرایط مختلف دمای اوج کوره، حفره لایه جوش داده شده QFN و تراشه تغییر قابل توجهی نکرده است، همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است. این نشان می‌دهد که دمای اوج مختلف کوره هیچ تأثیر آشکاری بر QFN و سوراخ در لایه جوش تراشه ندارد، که یک عامل تأثیرگذار نیست.
مقایسه‌ی نادرست دماهای اوج مختلف
آزمایش‌های فوق نشان می‌دهد که عوامل مهم مؤثر بر حفره لایه جوش QFN و تراشه، زمان رفلاکس و ضخامت شبکه فولادی هستند.
4 بهبود حفره جوشکاری جریان مجدد چاپ خمیر لحیم
۴.۱ آزمایش DOE برای بهبود حفره جوشکاری
سوراخ در لایه جوش QFN و تراشه با یافتن مقدار بهینه عوامل اصلی تأثیرگذار (زمان رفلاکس و ضخامت مش فولادی) بهبود یافت. خمیر لحیم از نوع SAC305 نوع 4، شکل مش فولادی از نوع شبکه‌ای (درجه بازشدگی 100٪)، دمای اوج کوره 260 درجه سانتیگراد و سایر شرایط آزمایش مشابه شرایط تجهیزات آزمایش بود. آزمایش DOE و نتایج آن در جدول 3 نشان داده شده است. تأثیرات ضخامت مش فولادی و زمان رفلاکس بر سوراخ‌های جوشکاری QFN و تراشه در شکل 12 نشان داده شده است. از طریق تجزیه و تحلیل متقابل عوامل اصلی تأثیرگذار، مشخص شد که استفاده از ضخامت مش فولادی 100 میکرومتر و زمان رفلاکس 80 ثانیه می‌تواند به طور قابل توجهی حفره جوشکاری QFN و تراشه را کاهش دهد. نرخ حفره جوشکاری QFN از حداکثر 27.8٪ به 16.1٪ و نرخ حفره جوشکاری تراشه از حداکثر 20.5٪ به 14.5٪ کاهش می‌یابد.
در این آزمایش، ۱۰۰۰ محصول تحت شرایط بهینه (ضخامت توری فولادی ۱۰۰ میکرومتر، زمان رفلاکس ۸۰ ثانیه) تولید شد و نرخ حفره جوشکاری ۱۰۰ QFN و براده به صورت تصادفی اندازه‌گیری شد. میانگین نرخ حفره جوشکاری QFN برابر با ۱۶.۴٪ و میانگین نرخ حفره جوشکاری براده ۱۴.۷٪ بود. نرخ حفره جوشکاری براده و براده به طور واضح کاهش یافته است.
۴.۲ فرآیند جدید، حفره جوشکاری را بهبود می‌بخشد
وضعیت تولید واقعی و آزمایش نشان می‌دهد که وقتی مساحت حفره جوش در پایین تراشه کمتر از 10٪ باشد، مشکل ترک خوردگی موقعیت حفره تراشه در طول اتصال سرب و قالب‌گیری رخ نخواهد داد. پارامترهای فرآیند بهینه شده توسط DOE نمی‌توانند الزامات تجزیه و تحلیل و حل سوراخ‌ها در جوشکاری بازتابی خمیر لحیم معمولی را برآورده کنند و نرخ مساحت حفره جوش تراشه باید بیشتر کاهش یابد.
از آنجایی که تراشه پوشیده شده روی لحیم از خروج گاز موجود در لحیم جلوگیری می‌کند، با حذف یا کاهش گاز پوشیده شده با لحیم، میزان سوراخ در پایین تراشه بیشتر کاهش می‌یابد. یک فرآیند جدید جوشکاری بازتابی با دو چاپ خمیر لحیم اتخاذ شده است: یک چاپ خمیر لحیم، یک بازتابی که QFN را پوشش نمی‌دهد و تراشه بدون پوشش که گاز موجود در لحیم را تخلیه می‌کند. فرآیند خاص چاپ خمیر لحیم ثانویه، وصله و رفلاکس ثانویه در شکل ۱۳ نشان داده شده است.
وقتی خمیر لحیم با ضخامت 75 میکرومتر برای اولین بار چاپ می‌شود، بیشتر گاز موجود در لحیم بدون پوشش تراشه از سطح خارج می‌شود و ضخامت آن پس از رفلاکس حدود 50 میکرومتر است. پس از اتمام رفلاکس اولیه، مربع‌های کوچکی روی سطح لحیم جامد شده سرد شده چاپ می‌شوند (به منظور کاهش مقدار خمیر لحیم، کاهش مقدار سرریز گاز، کاهش یا حذف پاشش لحیم) و خمیر لحیم با ضخامت 50 میکرومتر (نتایج آزمایش فوق نشان می‌دهد که 100 میکرومتر بهترین است، بنابراین ضخامت چاپ ثانویه 100 میکرومتر است. 50 میکرومتر = 50 میکرومتر)، سپس تراشه را نصب کنید و سپس به مدت 80 ثانیه برگردانید. پس از چاپ و رفلاکس اول تقریباً هیچ سوراخی در لحیم وجود ندارد و خمیر لحیم در چاپ دوم کوچک است و سوراخ جوش نیز کوچک است، همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است.
پس از دو چاپ خمیر لحیم، طراحی توخالی
۴.۳ تأیید اثر حفره جوشکاری
تولید ۲۰۰۰ محصول (ضخامت اولین توری فولادی چاپ ۷۵ میکرومتر، ضخامت دومین توری فولادی چاپ ۵۰ میکرومتر)، سایر شرایط بدون تغییر، اندازه‌گیری تصادفی ۵۰۰ QFN و نرخ حفره جوشکاری تراشه، نشان داد که فرآیند جدید پس از رفلاکس اول بدون حفره، پس از رفلاکس دوم QFN حداکثر نرخ حفره جوشکاری ۴.۸٪ و حداکثر نرخ حفره جوشکاری تراشه ۴.۱٪ است. در مقایسه با فرآیند جوشکاری چاپ تک خمیری اصلی و فرآیند بهینه شده DOE، حفره جوشکاری به طور قابل توجهی کاهش یافته است، همانطور که در شکل ۱۵ نشان داده شده است. پس از آزمایش‌های عملکردی همه محصولات، هیچ ترک تراشه‌ای مشاهده نشد.
۵ خلاصه
بهینه‌سازی مقدار چاپ خمیر لحیم و زمان رفلاکس می‌تواند مساحت حفره جوشکاری را کاهش دهد، اما نرخ حفره جوشکاری هنوز زیاد است. استفاده از دو تکنیک جوشکاری بازتابی چاپ خمیر لحیم می‌تواند به طور مؤثر نرخ حفره جوشکاری را به حداکثر برساند. مساحت جوش تراشه بدون پوشش مدار QFN می‌تواند در تولید انبوه به ترتیب 4.4 میلی‌متر در 4.1 میلی‌متر و 3.0 میلی‌متر در 2.3 میلی‌متر باشد. نرخ حفره جوشکاری بازتابی زیر 5٪ کنترل می‌شود که کیفیت و قابلیت اطمینان جوشکاری بازتابی را بهبود می‌بخشد. تحقیق در این مقاله مرجع مهمی برای بهبود مشکل حفره جوشکاری سطح جوشکاری با مساحت بزرگ ارائه می‌دهد.
