SMT analîz û çareseriya valahiya weldingê ya reflow hewa ya pasta lehimê ya kevneşopî bikar tîne (Çapa Essence 2023), hûn heq dikin!
1. Destpêk
Di civîna qerta devreyê de, pêşî pasta lehimkirinê li ser balîfa lehimkirinê ya qerta devreyê tê çapkirin, û dû re jî pêkhateyên elektronîkî yên cûrbecûr têne zeliqandin. Di dawiyê de, piştî firna ji nû ve herikînê, morîka tenekeyê ya di pasta lehimkirinê de tê helandin û her cûre pêkhateyên elektronîkî û balîfa lehimkirinê ya qerta devreyê bi hev re têne lehimkirin da ku civîna jêrmodulên elektrîkê pêk were. Teknolojiya mountkirina rûyê (sMT) di hilberên pakkirinê yên bi dendika bilind de, wekî pakêta asta pergalê (siP), cîhazên ballgridarray (BGA), û cîhazên power bare Chip, pakêta çargoşe ya bê pin a daîre (quad aatNo-lead, wekî QFN tê binavkirin) zêde dibe.
Ji ber taybetmendiyên pêvajoya kaynakirina bi pasta lehimê û materyalan, piştî kaynakirina reflow a van cîhazên rûyê lehimê yên mezin, di qada kaynakirina lehimê de kun dê hebin, ku ev yek dê bandorê li taybetmendiyên elektrîkê, taybetmendiyên germî û taybetmendiyên mekanîkî yên performansa hilberê bike, û heta bibe sedema têkçûna hilberê, ji ber vê yekê, ji bo baştirkirina valahiya kaynakirina reflow a pasta lehimê veguheriye pêvajoyek û pirsgirêkek teknîkî ku divê were çareser kirin, hin lêkolîneran sedemên valahiya kaynakirina topa lehimê ya BGA analîz û lêkolîn kirine, û çareseriyên başkirinê pêşkêş kirine, çareseriya çîpa tazî ya pêvajoya kaynakirina reflow a pasta lehimê ya kevneşopî ya qada QFN-ê ji 10 mm2 mezintir an qada kaynakirinê ji 6 mm2 mezintir kêm e.
Ji bo baştirkirina qulika qalibkirinê, qalibkirina Preformsolder û qalibkirina firna refluksê ya valahiyê bikar bînin. Qalibkirina pêşwext ji bo nîşankirina herikînê alavên taybetî hewce dike. Mînakî, piştî ku çîp rasterast li ser qalibkirina pêşwext tê danîn, çîp bi giranî tê veqetandin û tewandin. Ger çîpa çiyayî ya herikînê ji nû ve were herikandin û dûv re were destnîşan kirin, pêvajo bi du caran ji nû ve were herikandin, û lêçûna qalibkirina pêşwext û materyalê herikînê ji pasta qalibkirinê pir zêdetir e.
Amûrên refluksa valahiyê bihatir in, kapasîteya valahiyê ya odeya valahiyê ya serbixwe pir kêm e, lêçûna performansa wê ne zêde ye, û pirsgirêka şilbûna qalayê cidî ye, ku ev faktorek girîng e di sepandina hilberên bi dendika bilind û piçûk de. Di vê gotarê de, li ser bingeha pêvajoya kaynakirina reflow a pasta lehimê ya kevneşopî, pêvajoyek kaynakirina reflow a duyemîn a nû tê pêşxistin û destnîşan kirin da ku valahiya kaynakirinê baştir bike û pirsgirêkên girêdan û şikestina mohra plastîk a ji ber valahiya kaynakirinê çêdibin çareser bike.
2 Valahiya welding û mekanîzmaya hilberînê ya çapkirina pasta solder
2.1 Valahiya weldingê
Piştî kaynakirina ji nû ve herikînê, berhem di bin tîrêjên X de hat ceribandin. Wek ku di Şekil 1 de tê xuyang kirin, qulên di herêma kaynakirinê de bi rengekî siviktir ji ber kêmbûna lehimê di qata kaynakirinê de çêbûne.
Tesbîtkirina qulika bilbilê bi tîrêjên X
2.2 Mekanîzmaya avakirina valahiya weldingê
Bi mînaka pasta lehimê ya sAC305, pêkhate û fonksiyona sereke di Tabloya 1-ê de têne nîşandan. Morîkên fluks û qalayê bi şiklê pastê bi hev ve girêdayî ne. Rêjeya giraniya pasta lehimê qalayê bi fluksê re nêzîkî 9:1 e, û rêjeya qebareyê jî nêzîkî 1:1 e.
Piştî ku pasta lehimê tê çapkirin û bi pêkhateyên elektronîkî yên cûrbecûr ve tê siwarkirin, dema ku pasta lehimê di firna refluksê re derbas dibe, dê çar qonaxên germkirina pêşwext, çalakkirin, refluks û sarkirinê derbas bike. Rewşa pasta lehimê jî bi germahiyên cûda di qonaxên cûda de cûda ye, wekî ku di Wêne 2 de tê xuyang kirin.
Referansa profîlê ji bo her deverê lehimkirina reflow
Di qonaxa germkirin û çalakkirinê de, pêkhateyên firîner ên di nav herikîna di pasta lehimê de dema ku tên germkirin vediguherin gazê. Di heman demê de, dema ku oksîd li ser rûyê qata kaynakê tê rakirin, gaz çêdibin. Hin ji van gazan dê bihelin û ji pasta lehimê derkevin, û ji ber hilmijandina herikînê, mûyên lehimê dê bi hişkî werin tenikkirin. Di qonaxa refluksê de, herikîna mayî di pasta lehimê de dê zû bihele, mûyên qalayê dê bihelin, piçek ji gaza firîner a herikînê û piraniya hewaya di navbera mûyên qalayê de dê di demê de belav nebin, û mayî di qalaya helandî de û di bin tansiyona qalaya helandî de avahiya sendwîça hamburger in û ji hêla pêlava lehimê ya panela devreyê û pêkhateyên elektronîkî ve têne girtin, û gaza ku di qalaya şil de pêçayî ye, tenê bi hilmijandina ber bi jor ve zehmet e ku meriv bireve. Dema helandina jorîn pir kurt e. Dema ku qalaya helandî sar dibe û dibe qalaya hişk, di qata kaynakê de por xuya dibin û kunên lehimê çêdibin, wekî ku di Wêne 3 de tê xuyang kirin.
Nexşeya şematîk a valahiyê ku ji hêla kaynakirina reflow a pasta lehimê ve hatî çêkirin
Sedema bingehîn a valahîya kaynakirinê ew e ku hewa an gaza firar a ku piştî helandinê di pasta lehimê de pêçayî bi tevahî dernakeve. Faktorên bandorker ev in: materyalê pasta lehimê, şeklê çapkirina pasta lehimê, mîqdara çapkirina pasta lehimê, germahiya refluksê, dema refluksê, mezinahiya kaynakirinê, avahî û hwd.
3. Verastkirina faktorên bandorker ên li ser kunên kaynakirinê yên ji nû ve rijandina çapkirina pasta lehimkirinê
Ji bo piştrastkirina sedemên sereke yên valahiyên weldingê yên reflow û dîtina rêbazên baştirkirina valahiyên weldingê yên reflow ên ku bi pasta lehimê hatine çapkirin, ceribandinên QFN û çîpa lehimê ya tazî di Şekil 4 de tê nîşandan, mezinahiya rûyê lehimê QFN 4.4mmx4.1mm e, rûyê lehimê ji qata qalayî ye (%100 qalayîya paqij); Mezinahiya lehimê ya çîpa tazî 3.0mmx2.3mm e, qata lehimê ji qata bîmetalîk a nîkel-vanadyûmê ya sputterkirî ye, û qata rûyê jî vanadyûm e. Balîfa lehimê ya substratê bi zêr-nîkel-paladyûmê ya bêelektrîk bû, û qalindahiya wê 0.4μm/0.06μm/0.04μm bû. Pasta lehimê ya SAC305 tê bikar anîn, alavên çapkirina pasta lehimê DEK Horizon APix, alavên firna refluksê BTUPyramax150N, û alavên tîrêjên x DAGExD7500VR ne.
Nexşeyên QFN û welding çîpên tazî
Ji bo hêsankirina berawirdkirina encamên ceribandinê, qaymaqa reflow di bin şert û mercên di Tabloya 2 de hate kirin.
Tabloya rewşa weldingê ya Reflow
Piştî ku montajkirina rûberî û kaynakirina ji nû ve hat temamkirin, qata kaynakirinê bi tîrêjên X ve hat tespîtkirin, û hat dîtin ku di qata kaynakirinê ya li binê QFN de kunên mezin û çîpa tazî hene, wekî ku di Wêne 5 de tê xuyang kirin.
QFN û Holograma Çîpê (X-ray)
Ji ber ku mezinahiya girêkên qalayî, stûriya tora pola, rêjeya qada vekirinê, şeklê tora pola, dema refluksê û germahiya lûtkeya firnê hemî dê bandorê li valahiya weldingê ya reflow bikin, gelek faktorên bandorker hene, ku dê rasterast bi ceribandina DOE werin verast kirin, û hejmara komên ceribandinê dê pir mezin be. Pêdivî ye ku faktorên sereke yên bandorker bi lez werin şopandin û destnîşankirin bi rêya ceribandina berawirdkirina korelasyonê, û dûv re faktorên sereke yên bandorker bi rêya DOE bêtir werin çêtir kirin.
3.1 Pîvanên kunên lehimê û mûyên qalayî yên ji pasta lehimê
Bi ceribandina pasta lehimkirinê ya celeb3 (mezinahiya mûrekê 25-45 μm) SAC305, şert û mercên din bêguher dimînin. Piştî ji nû ve herikînê, qulên di qata lehimkirinê de têne pîvandin û bi pasta lehimkirinê ya celeb4 re têne berhev kirin. Hat dîtin ku qulên di qata lehimkirinê de di navbera her du celeb pasta lehimkirinê de ne pir cûda ne, ev nîşan dide ku pasta lehimkirinê ya bi mezinahiya mûrekê ya cûda bandorek eşkere li ser qulên di qata lehimkirinê de nake, ku ev ne faktorek bandorker e, wekî ku di Şekil 6 de tê xuyang kirin.
Berawirdkirina qulên toza qalayî ya metalî bi mezinahiyên perçeyên cûda
3.2 Stûriya valahiya welding û tora pola ya çapkirî
Piştî ji nû ve herikînê, rûbera valahiyê ya qata qelandî bi tora pola ya çapkirî ya bi qalindahiya 50 μm, 100 μm û 125 μm hate pîvandin, û şert û mercên din neguherîn man. Hat dîtin ku bandora qalindahiya cûda ya tora pola (pasteya lehimkirinê) li ser QFN bi ya tora pola ya çapkirî ya bi qalindahiya 75 μm re hate berhev kirin. Her ku qalindahiya tora pola zêde dibe, rûbera valahiyê hêdî hêdî kêm dibe. Piştî gihîştina qalindahiyek diyarkirî (100μm), rûbera valahiyê dê berevajî bibe û bi zêdebûna qalindahiya tora pola re dest bi zêdebûnê bike, wekî ku di Wêne 7 de tê xuyang kirin.
Ev nîşan dide ku dema mîqdara pasta lehimê zêde dibe, qala şilek a bi refluksê re ji hêla çîpê ve tê nixumandin, û derketina hewaya mayî tenê ji çar aliyan ve teng dibe. Dema ku mîqdara pasta lehimê tê guhertin, derketina hewaya mayî jî zêde dibe, û teqîna tavilê ya hewaya ku di qala şilek an gaza bêhnfireh a ku ji qala şilek derdikeve de pêçayî dibe sedema ku qala şilek li dora QFN û çîpê birijîne.
Ceribandinê dît ku bi zêdebûna qalindahiya tora pola re, teqîna bilbilên ku ji ber revîna hewayê an gaza bêîstîqrar çêdibin jî dê zêde bibe, û îhtîmala rijandina qalayê li dora QFN û çîpê jî dê bi heman rengî zêde bibe.
Berawirdkirina kunên di tora pola de bi qalindahiyên cûda
3.3 Rêjeya rûbera valahîya weldingê û vebûna tora pola
Tora pola ya çapkirî bi rêjeya vebûnê ya 100%, 90% û 80% hate ceribandin, û şert û mercên din neguherîn. Piştî herikîna ji nû ve, rûbera valahiya qata qelandî hate pîvandin û bi tora pola ya çapkirî ya bi rêjeya vebûnê ya 100% hate berhev kirin. Hat dîtin ku di bin şert û mercên rêjeya vebûnê ya 100% û 90% 80% de, wekî ku di Wêne 8 de tê xuyang kirin, di valahiya qata qelandî de ferqek girîng tune.
Berawirdkirina valahiyê ya deverên vekirinê yên cûda yên tora pola ya cûda
3.4 Valahiya weldkirî û şeklê tora pola ya çapkirî
Bi ceribandina şeklê çapkirinê ya pasta lehimkirinê ya şerîta b û tora meyldar c, şert û mercên din bêguher dimînin. Piştî ji nû ve herikînê, rûbera valahiya qata lehimkirinê tê pîvandin û bi şeklê çapkirinê yê tora a tê berawirdkirin. Tê dîtin ku di bin şert û mercên şebek, şerît û tora meyldar de, wekî ku di Şekil 9 de tê xuyang kirin, di valahiya qata lehimkirinê de ferqek girîng tune.
Berawirdkirina kunan di modên vekirina cûda yên tora pola de
3.5 Valahiya weldingê û dema refluksê
Piştî ceribandina dema refluksê ya dirêj (70 s, 80 s, 90 s), şert û mercên din bêguher man, qulika di qata kaynakirinê de piştî refluksê hate pîvandin, û bi dema refluksê ya 60 s re hate berhev kirin, hate dîtin ku bi zêdebûna dema refluksê re, qada qulika kaynakirinê kêm dibe, lê amplîtuda kêmkirinê bi zêdebûna demê re hêdî hêdî kêm dibe, wekî ku di Wêne 10 de tê xuyang kirin. Ev nîşan dide ku di rewşa dema refluksê ya têrker de, zêdekirina dema refluksê ji bo rijandina tevahî ya hewaya ku di qala şileya helandî de pêçayî ye, lê piştî ku dema refluksê digihîje demek diyarkirî, hewaya ku di qala şileya de pêçayî ye dijwar e ku dîsa birijîne. Dema refluksê yek ji faktorên ku bandorê li valahiya kaynakirinê dike ye.
Berawirdkirina vala ya dirêjahiyên demên refluksê yên cuda
3.6 Valahiya weldingê û germahiya herî bilind a firnê
Digel ceribandina germahiya firna lûtkeyê ya 240 ℃ û 250 ℃ û şert û mercên din neguherî, rûbera valahiya qata qelandî piştî reflow hate pîvandin, û bi germahiya firna lûtkeyê ya 260 ℃ re hate berhev kirin, hate dîtin ku di bin şert û mercên germahiya firna lûtkeyê yên cûda de, valahiya qata qelandî ya QFN û çîpê bi girîngî neguheriye, wekî ku di Şekil 11 de tê xuyang kirin. Ew nîşan dide ku germahiya firna lûtkeyê ya cûda bandorek eşkere li ser QFN û qulika di qata qelandî ya çîpê de nake, ku ev ne faktorek bandorker e.
Berawirdkirina vala ya germahiyên lûtkeyê yên cuda
Testên jorîn nîşan didin ku faktorên girîng ên ku bandorê li valahiya qata weldê ya QFN û çîpê dikin dema refluksê û qalindahiya tora pola ne.
4 Başkirina valahîya weldingê ya çapkirina pasta solderê
Testa 4.1DOE ji bo baştirkirina valahiya weldingê
Qulika di qata kaynakirinê ya QFN û çîpê de bi dîtina nirxa çêtirîn a faktorên sereke yên bandorker (dema refluksê û qalindahiya tora pola) hate baştirkirin. Pasta lehimkirinê cureyê SAC305 4 bû, şeklê tora pola cureyê torê bû (pileya vekirinê ya 100%), germahiya firna lûtkeyê 260 ℃ bû, û şert û mercên din ên ceribandinê wekî yên alavên ceribandinê bûn. Test û encamên DOE di Tabloya 3 de hatin nîşandan. Bandorên qalindahiya tora pola û dema refluksê li ser qulên kaynakirinê yên QFN û çîpê di Şekil 12 de têne nîşandan. Bi rêya analîza têkiliya faktorên sereke yên bandorker, tê dîtin ku karanîna qalindahiya tora pola ya 100 μm û dema refluksê ya 80 s dikare valahiya kaynakirinê ya QFN û çîpê bi girîngî kêm bike. Rêjeya valahiya kaynakirinê ya QFN ji herî zêde 27.8% daket 16.1%, û rêjeya valahiya kaynakirinê ya çîpê ji herî zêde 20.5% daket 14.5%.
Di ceribandinê de, 1000 berhem di bin şert û mercên çêtirîn de (qalindahiya tora pola 100 μm, dema refluksê 80 s) hatin hilberandin, û rêjeya valahîya kaynakirinê ya 100 QFN û çîpê bi awayekî rasthatî hate pîvandin. Rêjeya valahîya kaynakirinê ya navînî ya QFN %16,4 bû, û rêjeya valahîya kaynakirinê ya navînî ya çîpê %14,7 bû. Rêjeya valahîya kaynakirinê ya çîp û çîpê bi awayekî berbiçav kêm bûye.
4.2 Pêvajoya nû valahiya weldingê baştir dike
Rewşa hilberînê ya rastîn û ceribandin nîşan didin ku dema ku rûbera valahiya weldingê ya li binê çîpê ji %10 kêmtir be, di dema girêdana ser û qalibkirinê de pirsgirêka şikestina pozîsyona valahiya çîpê çênabe. Parametreyên pêvajoyê yên ji hêla DOE ve hatine çêtirkirin nikarin hewcedariyên analîzkirin û çareserkirina qulên di weldingê de bi pasta solder a kevneşopî bicîh bînin, û rêjeya rûbera valahiya weldingê ya çîpê divê bêtir were kêmkirin.
Ji ber ku çîpa ku li ser lehimê hatiye pêçandin nahêle ku gaza di lehimê de derkeve, rêjeya qulên li binê çîpê bi rakirin an kêmkirina gaza pêçayî ya lehimê bêtir kêm dibe. Pêvajoyek nû ya lehimkirina reflow bi du çapkirina pasta lehimê tê pejirandin: yek çapkirina pasta lehimê, yek reflow ku QFN nagire û çîpa tazî gazê di lehimê de derdixe; Pêvajoya taybetî ya çapkirina pasta lehimê ya duyemîn, patch û refluxa duyemîn di Wêne 13 de tê nîşandan.
Dema ku pasta lehimê ya bi qalindahiya 75μm cara yekem tê çapkirin, piraniya gaza di lehimê de bêyî pêça çîpê ji rûyê wê derdikeve, û qalindahiya wê piştî refluksê nêzîkî 50μm e. Piştî temamkirina refluksa seretayî, çargoşeyên piçûk li ser rûyê lehimê hişk ê sarbûyî têne çapkirin (ji bo kêmkirina mîqdara pasta lehimê, kêmkirina mîqdara rijandina gazê, kêmkirina an jî ji holê rakirina rijandina lehimê), û pasta lehimê bi qalindahiya 50 μm (encamên ceribandina jorîn nîşan didin ku 100 μm çêtirîn e, ji ber vê yekê qalindahiya çapkirina duyemîn 100 μm.50 μm=50 μm e), dûv re çîp tê sazkirin, û dûv re di 80 saniyeyan de vedigere. Piştî çapkirina yekem û herikîna ji nû ve, di lehimê de hema hema qul tune ye, û pasta lehimê di çapkirina duyemîn de piçûk e, û qulika weldingê piçûk e, wekî ku di Wêne 14 de tê xuyang kirin.
Piştî du çapên pasta solder, xêzkirina vala
4.3 Verastkirina bandora valahîya weldingê
Hilberîna 2000 berheman (qalindahiya tora pola ya çapkirina yekem 75 μm, qalindahiya tora pola ya çapkirina duyem 50 μm e), şert û mercên din neguherîn, pîvandina rasthatî ya 500 QFN û rêjeya valahîya weldingê ya çîpê, dît ku pêvajoya nû piştî refluksa yekem valahî tune, piştî refluksa duyemîn QFN rêjeya valahîya weldingê ya herî zêde %4,8 e, û rêjeya valahîya weldingê ya herî zêde ya çîpê %4,1 e. Li gorî pêvajoya weldingê ya çapkirina yek-paste ya orîjînal û pêvajoya çêtirkirî ya DOE, valahîya weldingê bi girîngî kêm bûye, wekî ku di Şekil 15an de tê xuyang kirin. Piştî ceribandinên fonksiyonel ên hemî berheman, ti şikestinên çîpê nehatin dîtin.
5 Kurte
Çêtirkirina mîqdara çapkirina pasta lehimkirinê û dema refluksê dikare rûbera valahiyê kêm bike, lê rêjeya valahiyê ya lehimkirinê hîn jî mezin e. Bikaranîna du teknîkên wehimkirina reflow a çapkirina pasta lehimkirinê dikare bi bandor rêjeya valahiyê ya lehimkirinê zêde bike. Rûbera lehimkirinê ya çîpa tazî ya devreya QFN di hilberîna girseyî de dikare bi rêzê ve 4.4mm x4.1mm û 3.0mm x2.3mm be. Rêjeya valahiyê ya lehimkirina reflow di binê 5% de tê kontrol kirin, ku kalîte û pêbaweriya lehimkirina reflow baştir dike. Lêkolîna di vê gotarê de ji bo baştirkirina pirsgirêka valahiyê ya rûbera lehimkirinê ya rûbera mezin referansek girîng peyda dike.
