SMT sử dụng phương pháp phân tích và giải pháp khoang hàn bằng khí hàn thông thường (Phiên bản Essence 2023), bạn xứng đáng có được điều đó!
1 Giới thiệu
Trong quá trình lắp ráp bảng mạch, kem hàn được in lên miếng hàn bảng mạch trước, sau đó các linh kiện điện tử khác nhau được gắn vào. Cuối cùng, sau lò nung chảy, các hạt thiếc trong kem hàn được làm nóng chảy, và tất cả các loại linh kiện điện tử và miếng hàn của bảng mạch được hàn lại với nhau để hoàn thiện việc lắp ráp các mô-đun điện. Công nghệ gắn bề mặt (sMT) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm đóng gói mật độ cao, chẳng hạn như gói cấp hệ thống (siP), thiết bị mảng lưới bi (BGA) và chip nguồn trần, gói phẳng vuông không chân (quad aatNo-lead, gọi tắt là QFN).
Do đặc điểm của quy trình hàn kem hàn và vật liệu, sau khi hàn chảy lại các thiết bị bề mặt hàn lớn này, sẽ có các lỗ trên khu vực hàn hàn, điều này sẽ ảnh hưởng đến các tính chất điện, tính chất nhiệt và tính chất cơ học của sản phẩm Hiệu suất, và thậm chí dẫn đến hỏng sản phẩm, do đó, việc cải thiện khoang hàn chảy lại kem hàn đã trở thành một vấn đề về quy trình và kỹ thuật phải được giải quyết, một số nhà nghiên cứu đã phân tích và nghiên cứu nguyên nhân của khoang hàn bi hàn BGA và đưa ra các giải pháp cải tiến, quy trình hàn chảy lại kem hàn thông thường có diện tích hàn QFN lớn hơn 10mm2 hoặc diện tích hàn lớn hơn 6 mm2 là không đủ giải pháp cho chip trần.
Sử dụng hàn Preformsolder và hàn lò hồi lưu chân không để cải thiện lỗ hàn. Hàn đúc sẵn đòi hỏi thiết bị chuyên dụng để định vị thuốc hàn. Ví dụ, sau khi đặt trực tiếp lên hàn đúc sẵn, phoi được dịch chuyển và nghiêng đáng kể. Nếu phoi gắn thuốc hàn được nấu chảy lại rồi hàn, quy trình sẽ tăng gấp đôi, và chi phí cho vật liệu hàn đúc sẵn và thuốc hàn cao hơn nhiều so với kem hàn.
Thiết bị hàn hồi lưu chân không có giá thành cao hơn, công suất chân không của buồng chân không độc lập rất thấp, hiệu suất chi phí không cao, và vấn đề bắn thiếc nghiêm trọng, đây là một yếu tố quan trọng trong việc ứng dụng các sản phẩm mật độ cao và bước hàn nhỏ. Trong bài báo này, dựa trên quy trình hàn hồi lưu kem hàn thông thường, một quy trình hàn hồi lưu thứ cấp mới được phát triển và giới thiệu để cải thiện khoang hàn và giải quyết các vấn đề liên kết và nứt mối hàn nhựa do khoang hàn gây ra.
2. Khoang hàn in chảy lại và cơ cấu sản xuất
2.1 Khoang hàn
Sau khi hàn nóng chảy, sản phẩm được kiểm tra bằng tia X. Các lỗ thủng có màu nhạt hơn ở vùng hàn được xác định là do lớp hàn không đủ lượng hàn, như thể hiện trong Hình 1.
Phát hiện lỗ bong bóng bằng tia X
2.2 Cơ chế hình thành khoang hàn
Lấy kem hàn sAC305 làm ví dụ, thành phần và chức năng chính được thể hiện trong Bảng 1. Chất trợ dung và hạt thiếc được liên kết với nhau theo dạng kem. Tỷ lệ trọng lượng của chất hàn thiếc so với chất trợ dung là khoảng 9:1, và tỷ lệ thể tích là khoảng 1:1.
Sau khi kem hàn được in và gắn với các linh kiện điện tử khác nhau, kem hàn sẽ trải qua bốn giai đoạn: nung nóng sơ bộ, hoạt hóa, hồi lưu và làm mát khi đi qua lò hồi lưu. Trạng thái của kem hàn cũng khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau trong các giai đoạn khác nhau, như thể hiện trong Hình 2.
Tham chiếu hồ sơ cho từng khu vực hàn chảy
Trong giai đoạn nung nóng sơ bộ và hoạt hóa, các thành phần dễ bay hơi trong chất trợ dung trong kem hàn sẽ bị bay hơi thành khí khi được gia nhiệt. Đồng thời, khí sẽ được tạo ra khi lớp oxit trên bề mặt lớp hàn bị loại bỏ. Một số khí này sẽ bay hơi và rời khỏi kem hàn, và các hạt hàn sẽ bị cô đặc chặt do sự bay hơi của chất trợ dung. Trong giai đoạn hồi lưu, chất trợ dung còn lại trong kem hàn sẽ bay hơi nhanh chóng, các hạt thiếc sẽ tan chảy, một lượng nhỏ chất trợ dung dễ bay hơi và hầu hết không khí giữa các hạt thiếc sẽ không bị phân tán kịp thời, và phần còn lại trong thiếc nóng chảy và dưới sức căng của thiếc nóng chảy là cấu trúc bánh sandwich hamburger và bị giữ lại bởi miếng hàn bảng mạch và các linh kiện điện tử, và khí được bọc trong thiếc lỏng khó thoát ra ngoài chỉ bằng lực đẩy hướng lên trên. Thời gian nóng chảy phía trên rất ngắn. Khi thiếc nóng chảy nguội đi và trở thành thiếc rắn, các lỗ rỗng xuất hiện trong lớp hàn và các lỗ hàn được hình thành, như thể hiện trong Hình 3.
Sơ đồ khoảng trống được tạo ra bởi quá trình hàn chảy kem hàn
Nguyên nhân gốc rễ của khoang hàn là do không khí hoặc khí dễ bay hơi bao bọc trong kem hàn sau khi nóng chảy không được xả hết. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm vật liệu kem hàn, hình dạng in kem hàn, lượng kem hàn, nhiệt độ hồi lưu, thời gian hồi lưu, kích thước mối hàn, cấu trúc, v.v.
3. Kiểm chứng các yếu tố ảnh hưởng đến lỗ hàn chảy in kem hàn
Các thử nghiệm QFN và chip trần đã được sử dụng để xác nhận nguyên nhân chính gây ra các lỗ rỗng hàn chảy lại và tìm cách cải thiện các lỗ rỗng hàn chảy lại được in bằng kem hàn. Hồ sơ sản phẩm hàn chảy lại kem hàn QFN và chip trần được thể hiện trong Hình 4, kích thước bề mặt hàn QFN là 4,4mmx4,1mm, bề mặt hàn là lớp thiếc (100% thiếc nguyên chất); Kích thước hàn của chip trần là 3,0mmx2,3mm, lớp hàn là lớp lưỡng kim niken-vanadi phun và lớp bề mặt là vanadi. Miếng đệm hàn của chất nền là lớp nhúng vàng niken-paladi không điện, và độ dày là 0,4μm/0,06μm/0,04μm. Sử dụng kem hàn SAC305, thiết bị in kem hàn là DEK Horizon APix, thiết bị lò hồi lưu là BTUPyramax150N và thiết bị chụp X-quang là DAGExD7500VR.
Bản vẽ hàn chip trần và QFN
Để thuận tiện cho việc so sánh kết quả thử nghiệm, hàn nóng chảy được thực hiện theo các điều kiện trong Bảng 2.
Bảng điều kiện hàn nóng chảy
Sau khi hoàn tất việc lắp bề mặt và hàn chảy, lớp hàn được phát hiện bằng tia X và thấy rằng có những lỗ lớn trên lớp hàn ở phía dưới QFN và phoi trần, như thể hiện trong Hình 5.
QFN và Chip Hologram (X-quang)
Do kích thước hạt thiếc, độ dày lưới thép, tỷ lệ diện tích mở, hình dạng lưới thép, thời gian hồi lưu và nhiệt độ lò nung đỉnh đều ảnh hưởng đến lỗ rỗng hàn hồi lưu, nên có nhiều yếu tố ảnh hưởng, sẽ được kiểm chứng trực tiếp bằng thử nghiệm DOE, và số lượng nhóm thử nghiệm sẽ quá lớn. Cần sàng lọc nhanh chóng và xác định các yếu tố ảnh hưởng chính thông qua thử nghiệm so sánh tương quan, sau đó tối ưu hóa thêm các yếu tố ảnh hưởng chính thông qua DOE.
3.1 Kích thước lỗ hàn và hạt thiếc hàn
Với thử nghiệm kem hàn SAC305 loại 3 (kích thước hạt 25-45 μm), các điều kiện khác không thay đổi. Sau khi hàn chảy lại, các lỗ trên lớp hàn được đo và so sánh với kem hàn loại 4. Kết quả cho thấy các lỗ trên lớp hàn không khác biệt đáng kể giữa hai loại kem hàn, cho thấy kem hàn có kích thước hạt khác nhau không ảnh hưởng rõ ràng đến các lỗ trên lớp hàn, và đây không phải là yếu tố ảnh hưởng, như thể hiện trong Hình 6.
So sánh các lỗ bột thiếc kim loại có kích thước hạt khác nhau
3.2 Độ dày của khoang hàn và lưới thép in
Sau khi hàn chảy lại, diện tích khoang của lớp hàn được đo bằng lưới thép in có độ dày 50 μm, 100 μm và 125 μm, các điều kiện khác không thay đổi. Kết quả cho thấy ảnh hưởng của các độ dày lưới thép (keo hàn) khác nhau đến QFN đã được so sánh với lưới thép in có độ dày 75 μm. Khi độ dày của lưới thép tăng lên, diện tích khoang giảm dần. Sau khi đạt đến một độ dày nhất định (100 μm), diện tích khoang sẽ đảo ngược và bắt đầu tăng lên khi độ dày của lưới thép tăng lên, như thể hiện trong Hình 7.
Điều này cho thấy khi lượng kem hàn tăng lên, thiếc lỏng bị bao phủ bởi chip, và cửa thoát khí dư chỉ hẹp ở bốn phía. Khi lượng kem hàn thay đổi, cửa thoát khí dư cũng tăng lên, và luồng khí bao bọc thiếc lỏng hoặc khí dễ bay hơi thoát ra từ thiếc lỏng sẽ bắn tung tóe xung quanh QFN và chip.
Thử nghiệm cho thấy khi độ dày của lưới thép tăng lên, hiện tượng vỡ bong bóng do không khí hoặc khí dễ bay hơi thoát ra cũng sẽ tăng lên và khả năng thiếc bắn ra xung quanh QFN và chip cũng tăng theo.
So sánh các lỗ trên lưới thép có độ dày khác nhau
3.3 Tỷ lệ diện tích khoang hàn và lỗ lưới thép
Lưới thép in với tỷ lệ mở 100%, 90% và 80% đã được thử nghiệm, các điều kiện khác không thay đổi. Sau khi nấu chảy lại, diện tích khoang của lớp hàn được đo và so sánh với lưới thép in với tỷ lệ mở 100%. Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về diện tích khoang của lớp hàn trong điều kiện tỷ lệ mở 100% và 90% 80%, như thể hiện trong Hình 8.
So sánh độ rỗng của các diện tích mở khác nhau của các loại lưới thép khác nhau
3.4 Khoang hàn và hình dạng lưới thép in
Với thử nghiệm hình dạng in của kem hàn dải b và lưới nghiêng c, các điều kiện khác không thay đổi. Sau khi nấu chảy lại, diện tích khoang của lớp hàn được đo và so sánh với hình dạng in của lưới a. Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về khoang của lớp hàn trong điều kiện lưới, dải và lưới nghiêng, như thể hiện trong Hình 9.
So sánh các lỗ ở các chế độ mở khác nhau của lưới thép
3.5 Khoang hàn và thời gian hồi lưu
Sau khi thử nghiệm thời gian hồi lưu kéo dài (70 giây, 80 giây, 90 giây), các điều kiện khác không thay đổi, lỗ trên lớp hàn được đo sau khi hồi lưu và so sánh với thời gian hồi lưu 60 giây, thấy rằng khi thời gian hồi lưu tăng, diện tích lỗ hàn giảm, nhưng biên độ giảm giảm dần theo thời gian tăng, như thể hiện trong Hình 10. Điều này cho thấy trong trường hợp thời gian hồi lưu không đủ, việc tăng thời gian hồi lưu có lợi cho việc tràn hoàn toàn không khí được bọc trong thiếc lỏng nóng chảy, nhưng sau khi thời gian hồi lưu tăng đến một thời gian nhất định, không khí được bọc trong thiếc lỏng khó tràn trở lại. Thời gian hồi lưu là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến khoang hàn.
So sánh khoảng thời gian hồi lưu khác nhau
3.6 Nhiệt độ khoang hàn và nhiệt độ lò nung đỉnh
Với thử nghiệm nhiệt độ lò đỉnh 240 ℃ và 250 ℃ và các điều kiện khác không thay đổi, diện tích khoang của lớp hàn được đo sau khi nấu chảy lại và so sánh với nhiệt độ lò đỉnh 260 ℃, người ta thấy rằng trong các điều kiện nhiệt độ lò đỉnh khác nhau, khoang của lớp hàn QFN và phoi không thay đổi đáng kể, như thể hiện trong Hình 11. Điều này cho thấy nhiệt độ lò đỉnh khác nhau không có tác động rõ ràng đến QFN và lỗ trên lớp hàn của phoi, đây không phải là yếu tố ảnh hưởng.
So sánh khoảng trống của các nhiệt độ đỉnh khác nhau
Các thử nghiệm trên cho thấy các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khoang lớp hàn của QFN và phoi là thời gian hồi lưu và độ dày lưới thép.
4. Cải thiện khoang hàn bằng in chảy kem hàn
4.1Thử nghiệm DOE để cải thiện khoang hàn
Lỗ trên lớp hàn của QFN và phoi được cải thiện bằng cách tìm ra giá trị tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng chính (thời gian hồi lưu và độ dày lưới thép). Kem hàn là SAC305 loại 4, hình dạng lưới thép là loại lưới (độ mở 100%), nhiệt độ lò đỉnh là 260 ℃ và các điều kiện thử nghiệm khác giống với thiết bị thử nghiệm. Thử nghiệm DOE và kết quả được thể hiện trong Bảng 3. Ảnh hưởng của độ dày lưới thép và thời gian hồi lưu đến các lỗ hàn QFN và phoi được thể hiện trong Hình 12. Thông qua phân tích tương tác của các yếu tố ảnh hưởng chính, Người ta thấy rằng sử dụng độ dày lưới thép 100 μm và thời gian hồi lưu 80 giây có thể làm giảm đáng kể khoang hàn QFN và phoi. Tốc độ khoang hàn của QFN giảm từ mức tối đa 27,8% xuống 16,1% và tốc độ khoang hàn của phoi giảm từ mức tối đa 20,5% xuống 14,5%.
Trong thử nghiệm, 1000 sản phẩm được sản xuất trong điều kiện tối ưu (độ dày lưới thép 100 μm, thời gian hồi lưu 80 giây), và tỷ lệ khoang hàn của 100 QFN và phoi được đo ngẫu nhiên. Tỷ lệ khoang hàn trung bình của QFN là 16,4%, và tỷ lệ khoang hàn trung bình của phoi là 14,7%. Tỷ lệ khoang hàn của phoi và phoi giảm rõ rệt.
4.2 Quy trình mới cải thiện khoang hàn
Tình hình sản xuất thực tế và thử nghiệm cho thấy khi diện tích khoang hàn ở đáy chip nhỏ hơn 10%, vấn đề nứt vị trí khoang chip sẽ không xảy ra trong quá trình liên kết và đúc chì. Các thông số quy trình được DOE tối ưu hóa không thể đáp ứng yêu cầu phân tích và xử lý lỗ hổng trong hàn chảy lại kem hàn thông thường, và tỷ lệ diện tích khoang hàn của chip cần được giảm hơn nữa.
Do chip được phủ trên lớp hàn ngăn không cho khí trong mối hàn thoát ra ngoài, nên tỷ lệ lỗ ở đáy chip được giảm hơn nữa bằng cách loại bỏ hoặc giảm khí được phủ trên mối hàn. Một quy trình hàn chảy mới với hai chế độ in kem hàn được áp dụng: một chế độ in kem hàn, một chế độ hàn chảy không phủ QFN và chip trần xả khí trong mối hàn; Quy trình cụ thể của chế độ in kem hàn thứ cấp, vá và hồi lưu thứ cấp được thể hiện trong Hình 13.
Khi lần đầu tiên in kem hàn dày 75μm, hầu hết khí trong chất hàn không có nắp chip thoát ra khỏi bề mặt và độ dày sau khi hồi lưu là khoảng 50μm. Sau khi hoàn thành quá trình hồi lưu sơ cấp, các ô vuông nhỏ được in trên bề mặt chất hàn đông đặc đã nguội (để giảm lượng kem hàn, giảm lượng khí tràn ra, giảm hoặc loại bỏ bắn tóe chất hàn) và kem hàn có độ dày 50 μm (kết quả thử nghiệm ở trên cho thấy 100 μm là tốt nhất, do đó độ dày của lần in thứ cấp là 100 μm.50 μm = 50 μm), sau đó lắp chip, sau đó quay lại qua 80 giây. Hầu như không có lỗ nào trên chất hàn sau lần in và nấu chảy đầu tiên, kem hàn trong lần in thứ hai nhỏ và lỗ hàn cũng nhỏ, như thể hiện trong Hình 14.
Sau hai lần in kem hàn, bản vẽ rỗng
4.3 Kiểm tra hiệu ứng khoang hàn
Sản xuất 2000 sản phẩm (độ dày của lưới thép in đầu tiên là 75 μm, độ dày của lưới thép in thứ hai là 50 μm), các điều kiện khác không đổi, đo ngẫu nhiên 500 QFN và tỷ lệ khoang hàn chip, thấy rằng quy trình mới sau khi hồi lưu đầu tiên không có khoang, sau khi hồi lưu QFN thứ hai, tỷ lệ khoang hàn tối đa là 4,8% và tỷ lệ khoang hàn tối đa của chip là 4,1%. So với quy trình hàn in dán đơn ban đầu và quy trình được DOE tối ưu hóa, khoang hàn giảm đáng kể, như thể hiện trong Hình 15. Không tìm thấy vết nứt chip nào sau khi kiểm tra chức năng của tất cả các sản phẩm.
5 Tóm tắt
Việc tối ưu hóa lượng mực in kem hàn và thời gian hồi lưu có thể giảm diện tích khoang hàn, nhưng tỷ lệ khoang hàn vẫn còn lớn. Sử dụng hai kỹ thuật hàn chảy lại bằng mực in kem hàn có thể tối đa hóa hiệu quả và tối đa hóa tỷ lệ khoang hàn. Diện tích hàn của chip trần mạch QFN có thể lần lượt là 4,4mm x 4,1mm và 3,0mm x 2,3mm trong sản xuất hàng loạt. Tỷ lệ khoang hàn chảy lại được kiểm soát dưới 5%, giúp cải thiện chất lượng và độ tin cậy của hàn chảy lại. Nghiên cứu trong bài báo này cung cấp một tài liệu tham khảo quan trọng để cải thiện vấn đề khoang hàn của bề mặt hàn diện tích lớn.
