1 הקדמה
במכלול המעגלים, משחת הלחמה מודפסת תחילה על משטח ההלחמה של המעגל, ולאחר מכן מודבקים רכיבים אלקטרוניים שונים. לבסוף, לאחר תנור הזרימה החוזרת, מותכים את חרוזי הפח במשחת ההלחמה וכל מיני רכיבים אלקטרוניים ומשטח ההלחמה של המעגל מרותכים זה לזה כדי לממש את ההרכבה של תת-מודולים חשמליים. Surfacemounttechnology (sMT) נמצא בשימוש יותר ויותר במוצרי אריזה בצפיפות גבוהה, כגון חבילת רמת מערכת (siP), התקני ballgridarray (BGA) ו-power Bare Chip, חבילה שטוחה מרובעת ללא פינים (quad aatNo-lead, המכונה QFN ) מכשיר.
בשל המאפיינים של תהליך הריתוך והחומרים של משחת הלחמה, לאחר ריתוך מחדש של התקני משטח הלחמה גדולים אלה, יהיו חורים באזור ריתוך ההלחמה, שישפיעו על המאפיינים החשמליים, התכונות התרמיות והמאפיינים המכאניים של המוצר. אפילו להוביל לכשל במוצר, לפיכך, כדי לשפר את חלל הריתוך מחדש של משחת הלחמה הפך לבעיה תהליכית וטכנית שיש לפתור, כמה חוקרים ניתחו וחקרו את הגורמים לחלל ריתוך כדור הלחמה BGA, וסיפקו פתרונות שיפור, הלחמה קונבנציונלית להדביק תהליך ריתוך בזרימה חוזרת אזור ריתוך של QFN גדול מ-10 מ"מ או שטח ריתוך גדול מ-6 מ"מ חסר פתרון השבב החשוף.
השתמש בריתוך Preformsolder וריתוך תנור ריפלוקס ואקום כדי לשפר את חור הריתוך. הלחמה טרומית דורשת ציוד מיוחד כדי להצביע על שטף. לדוגמה, השבב מוסט ומוטה ברצינות לאחר שהשבב הונח ישירות על ההלחמה הטרומית. אם שבב הרכבת השטף הוא זרימה חוזרת ואז מצביע, התהליך גדל בשני זרימה חוזרת, והעלות של הלחמה וחומר שטף מוכנים גבוהים בהרבה ממשחת ההלחמה.
ציוד ריפלוקס ואקום יקר יותר, קיבולת הוואקום של תא הוואקום העצמאי נמוכה מאוד, ביצועי העלות אינם גבוהים, ובעיית התזת הפח היא חמורה, המהווה גורם חשוב ביישום של צפיפות גבוהה וגובה קטן. מוצרים. במאמר זה, המבוסס על תהליך הריתוך מחדש של משחת הלחמה הקונבנציונלי, פותח ומוצג תהליך ריתוך משני חדש לשיפור חלל הריתוך ולפתור את הבעיות של הדבקה ופיצוח איטום פלסטיק הנגרמות מחלל הריתוך.
2 משחת הלחמה הדפסת זרימה חוזרת של חלל ריתוך ומנגנון ייצור
2.1 חלל ריתוך
לאחר ריתוך חוזר, המוצר נבדק תחת צילום רנטגן. נמצא כי החורים באזור הריתוך עם צבע בהיר יותר נובעים מחוסר הלחמה בשכבת הריתוך, כפי שמוצג באיור 1
זיהוי בקרני רנטגן של חור הבועה
2.2 מנגנון היווצרות של חלל ריתוך
אם ניקח כדוגמה את משחת הלחמה sAC305, ההרכב והתפקוד העיקריים מוצגים בטבלה 1. השטף והחרוזי פח מחוברים יחד בצורת משחה. יחס המשקל של הלחמת בדיל לשטף הוא כ-9:1, ויחס הנפח הוא כ-1:1.
לאחר הדפסת משחת ההלחמה והרכבה עם רכיבים אלקטרוניים שונים, משחת ההלחמה תעבור ארבעה שלבים של חימום מוקדם, הפעלה, ריפלוקס וקירור כאשר היא עוברת דרך תנור הריפלוקס. גם מצב משחת ההלחמה שונה עם טמפרטורות שונות בשלבים שונים, כפי שמוצג באיור 2.
התייחסות לפרופיל עבור כל אזור של הלחמה חוזרת
בשלב החימום וההפעלה, הרכיבים הנדיפים בשטף במשחת ההלחמה יונדפו לגז בחימום. במקביל, יופקו גזים עם הסרת התחמוצת על פני שכבת הריתוך. חלק מהגזים הללו יתנדפו ויעזבו את משחת ההלחמה, וחרוזי ההלחמה יהיו מעובים בחוזקה עקב הנידוף של השטף. בשלב הריפלוקס, השטף שנותר במשחת ההלחמה יתנדף במהירות, חרוזי הפח יימסו, כמות קטנה של שטף גז נדיף ורוב האוויר בין חרוזי הפח לא יתפזרו בזמן, והשאריות ב- פח מותך ותחת המתח של הפח המותך הם מבנה סנדוויץ' המבורגר ונתפסים על ידי משטח ההלחמה של המעגל ורכיבים אלקטרוניים, ואת הגז העטוף בפח הנוזלי קשה להימלט רק על ידי הציפה כלפי מעלה. זמן ההיתוך העליון הוא מאוד קָצָר. כאשר הפח המותך מתקרר והופך לפח מוצק, נקבוביות מופיעות בשכבת הריתוך ונוצרים חורי הלחמה, כפי שמוצג באיור 3.
דיאגרמה סכמטית של ריק שנוצר על ידי ריתוך מחדש של משחת הלחמה
הסיבה העיקרית לחלל הריתוך היא שהאוויר או הגז הנדיף העטוף במשחת ההלחמה לאחר ההמסה אינם נפרק לחלוטין. הגורמים המשפיעים כוללים חומר משחת הלחמה, צורת הדפסת משחת הלחמה, כמות הדפסת משחת הלחמה, טמפרטורת ריפלוקס, זמן ריפלוקס, גודל ריתוך, מבנה וכן הלאה.
3. אימות גורמי ההשפעה של הדפסת משחת הלחמה חורי ריתוך מחדש
נעשה שימוש בבדיקות QFN ושבבים חשופים כדי לאשר את הגורמים העיקריים לחללי ריתוך חוזר, ולמצוא דרכים לשפר את חללי הריתוך בזרימה חוזרת המודפסים על ידי משחת הלחמה. פרופיל מוצר ריתוך של משחת הלחמה QFN ו-Chip חשוף מוצג באיור 4, גודל משטח הריתוך של QFN הוא 4.4 מ"מx4.1 מ"מ, משטח הריתוך הוא שכבה מחושלת (100% פח טהור); גודל הריתוך של השבב החשוף הוא 3.0 מ"מ x 2.3 מ"מ, שכבת הריתוך היא שכבה דו-מתכתית ניקל-ונדיום, ושכבת פני השטח היא ונדיום. כרית הריתוך של המצע הייתה טבילה זהב ניקל-פלדיום ללא חשמל, והעובי היה 0.4μm/0.06μm/0.04μm. נעשה שימוש במשחת הלחמה SAC305, ציוד ההדפסה של משחת הלחמה הוא DEK Horizon APix, ציוד תנור הריפלוקס הוא BTUPyramax150N, וציוד הרנטגן הוא DAGExD7500VR.
שרטוטי ריתוך QFN ושבבים חשופים
כדי להקל על השוואה בין תוצאות הבדיקה, ריתוך זרימה חוזרת בוצע בתנאים שבטבלה 2.
טבלת מצב ריתוך חוזר
לאחר השלמת הרכבת השטח וריתוך הזרימה מחדש, שכבת הריתוך זוהתה באמצעות צילום רנטגן, ונמצא כי היו חורים גדולים בשכבת הריתוך בתחתית QFN ושבב חשוף, כפי שמוצג באיור 5.
הולוגרמת QFN ושבב (רנטגן)
מכיוון שגודל חרוזי פח, עובי רשת פלדה, קצב שטח פתיחה, צורת רשת פלדה, זמן ריפלוקס וטמפרטורת שיא התנור ישפיעו כולם על חללי הריתוך מחדש, ישנם גורמים משפיעים רבים, אשר יאומתו ישירות על ידי בדיקת DOE, ומספר הניסויים. הקבוצות יהיו גדולות מדי. יש צורך לסנן ולקבוע במהירות את גורמי ההשפעה העיקריים באמצעות בדיקת השוואת מתאם, ולאחר מכן לבצע אופטימיזציה נוספת של גורמי ההשפעה העיקריים באמצעות DOE.
3.1 מידות חורי הלחמה וחרוזי פח משחת הלחמה
עם בדיקת משחת הלחמה מסוג 3 (גודל חרוז 25-45 מיקרומטר) SAC305, תנאים אחרים נשארים ללא שינוי. לאחר זרימה חוזרת, החורים בשכבת ההלחמה נמדדים ומשווים עם משחת הלחמה מסוג 4. נמצא שהחורים בשכבת ההלחמה אינם שונים באופן משמעותי בין שני סוגי משחת ההלחמה, מה שמעיד על כך שלמשחת ההלחמה בגודל חרוז שונה אין השפעה ברורה על החורים בשכבת ההלחמה, שאינה מהווה גורם משפיע, כפי שמוצג באיור. 6 כפי שמוצג.
השוואה בין חורי אבקת פח מתכתיים בגדלים שונים של חלקיקים
3.2 עובי חלל ריתוך ורשת פלדה מודפסת
לאחר זרימה חוזרת, שטח החלל של השכבה המרותכת נמדד עם רשת הפלדה המודפסת בעובי של 50 מיקרומטר, 100 מיקרומטר ו-125 מיקרומטר, ותנאים אחרים נותרו ללא שינוי. נמצא כי ההשפעה של עובי שונה של רשת הפלדה (משחת הלחמה) על QFN הושוותה לזו של רשת הפלדה המודפסת בעובי של 75 מיקרומטר ככל שעובי רשת הפלדה גדל, שטח החלל יורד בהדרגה לאט. לאחר הגעה לעובי מסוים (100 מיקרומטר), שטח החלל יתהפך ויתחיל לגדול עם הגדלת העובי של רשת הפלדה, כפי שמוצג באיור 7.
זה מראה שכאשר כמות משחת ההלחמה מוגברת, הפח הנוזלי עם ריפלוקס מכוסה על ידי השבב, ויציאת פליטת האוויר השיורית צרה רק מארבעה צדדים. כאשר כמות משחת ההלחמה משתנה, יציאת פליטת האוויר השיורית מוגברת גם היא, והתפרצות מיידית של אוויר עטופה בדיל נוזלי או גז נדיף היוצא מפח נוזלי יגרום לפח נוזלי להתיז סביב QFN והשבב.
הבדיקה מצאה כי עם הגדלת עובי רשת הפלדה תגדל גם התפוצצות הבועות שנגרמו כתוצאה מבריחת אוויר או גז נדיף, וגם הסבירות להתזת פח סביב QFN והשבב תגדל בהתאם.
השוואה בין חורים ברשת פלדה בעובי שונה
3.3 יחס שטח של חלל ריתוך ופתח רשת פלדה
רשת הפלדה המודפסת עם קצב פתיחה של 100%, 90% ו-80% נבדקה, ושאר התנאים נותרו ללא שינוי. לאחר זרימה חוזרת, שטח החלל של השכבה המרותכת נמדד והושווה לרשת הפלדה המודפסת עם קצב פתיחה של 100%. נמצא כי לא היה הבדל משמעותי בחלל השכבה המרותכת בתנאי קצב הפתיחה של 100% ו-90% 80%, כפי שמוצג באיור 8.
השוואת חללים של אזור פתיחה שונה של רשת פלדה שונה
3.4 חלל מרותך וצורת רשת פלדה מודפסת
עם בדיקת צורת ההדפסה של משחת ההלחמה של רצועה b ורשת משופעת c, תנאים אחרים נשארים ללא שינוי. לאחר זרימה חוזרת, שטח החלל של שכבת הריתוך נמדד ומשווה לצורת ההדפסה של רשת א. נמצא כי אין הבדל משמעותי בחלל שכבת הריתוך בתנאי רשת, רצועה ורשת משופעת, כפי שמוצג באיור 9.
השוואה בין חורים במצבי פתיחה שונים של רשת פלדה
3.5 חלל ריתוך וזמן ריפלוקס
לאחר בדיקת זמן ריפלוקס ממושך (70 שניות, 80 שניות, 90 שניות), שאר התנאים נותרו ללא שינוי, החור בשכבת הריתוך נמדד לאחר ריפלוקס, ובהשוואה לזמן הריפלוקס של 60 שניות, נמצא כי עם עלייה של זמן ריפלוקס, שטח חור הריתוך ירד, אך משרעת ההפחתה ירדה בהדרגה עם עליית הזמן, כפי שמוצג באיור 10. זה מראה שבמקרה של זמן ריפלוקס לא מספיק, הגדלת זמן הריפלוקס תורמת להצפת אוויר מלאה. עטוף בפח נוזלי מותך, אך לאחר שזמן הריפלוקס גדל לזמן מסוים, האוויר העטוף בפח נוזלי מתקשה לעלות שוב על גדותיו. זמן ריפלוקס הוא אחד הגורמים המשפיעים על חלל הריתוך.
השוואה בטלה של אורכי זמן ריפלוקס שונים
3.6 חלל ריתוך וטמפרטורת שיא התנור
עם בדיקת טמפרטורת שיא של 240 ℃ ו- 250 ℃ ותנאים אחרים ללא שינוי, שטח החלל של השכבה המרותכת נמדד לאחר זרימה חוזרת, ובהשוואה לטמפרטורת שיא של 260 ℃, נמצא כי בתנאי שיא שונים של טמפרטורת תנור, החלל של השכבה המרותכת של QFN והשבב לא השתנתה באופן משמעותי, כפי שמוצג באיור 11. זה מראה שלטמפרטורת שיא שונה של תנור אין השפעה ברורה על QFN ועל החור בשכבת הריתוך של השבב, שאינו גורם משפיע.
השוואה בטלה של טמפרטורות שיא שונות
הבדיקות לעיל מצביעות על כך שהגורמים המשמעותיים המשפיעים על חלל שכבת הריתוך של QFN והשבב הם זמן ריפלוקס ועובי רשת הפלדה.
4 הדפסת משחת הלחמה שיפור חלל ריתוך בזרימה חוזרת
בדיקת 4.1DOE לשיפור חלל הריתוך
החור בשכבת הריתוך של QFN והשבב שופר על ידי מציאת הערך האופטימלי של גורמי ההשפעה העיקריים (זמן ריפלוקס ועובי רשת הפלדה). משחת ההלחמה הייתה SAC305 type4, צורת רשת הפלדה הייתה מסוג רשת (100% דרגת פתיחה), טמפרטורת השיא של התנור הייתה 260 ℃, ותנאי בדיקה אחרים היו זהים לאלו של ציוד הבדיקה. בדיקת DOE ותוצאות הוצגו בטבלה 3. ההשפעות של עובי רשת פלדה וזמן ריפלוקס על QFN וחורי ריתוך שבב מוצגות באיור 12. באמצעות ניתוח אינטראקציה של גורמים משפיעים עיקריים, נמצא כי שימוש בעובי רשת פלדה של 100 מיקרון וזמן ריפלוקס של 80 שניות יכול להפחית באופן משמעותי את חלל הריתוך של QFN והשבב. שיעור חלל הריתוך של QFN מופחת מ-27.8% המקסימלי ל-16.1%, ושיעור חלל הריתוך של השבב מופחת מ-20.5% המקסימלי ל-14.5%.
בבדיקה יוצרו 1000 מוצרים בתנאים האופטימליים (עובי רשת פלדה של 100 מיקרומטר, זמן ריפלוקס של 80 שניות), וקצב חלל הריתוך של 100 QFN והשבב נמדד באופן אקראי. שיעור חלל הריתוך הממוצע של QFN היה 16.4%, ושיעור חלל הריתוך הממוצע של השבב היה 14.7% ברור ששיעור חלל הריתוך של השבב והשבב מופחת.
4.2 התהליך החדש משפר את חלל הריתוך
מצב הייצור והבדיקה בפועל מראים שכאשר שטח חלל הריתוך בתחתית השבב קטן מ-10%, בעיית פיצוח מיקום חלל השבב לא תתרחש במהלך הדבקת העופרת והדפוס. פרמטרי התהליך שעברו אופטימיזציה על ידי DOE אינם יכולים לעמוד בדרישות של ניתוח ופתרון החורים בריתוך הזרימה הקונבנציונלית של משחת הלחמה, ויש להפחית עוד יותר את קצב שטח חלל הריתוך של השבב.
מכיוון שהשבב המכוסה על ההלחמה מונע מהגז בהלחמה לברוח, קצב החורים בתחתית השבב מופחת עוד יותר על ידי ביטול או הפחתה של הגז המצופה בהלחמה. תהליך חדש של ריתוך זרימה חוזרת עם הדפסה של שתי משחת הלחמה מאומץ: הדפסת משחת הלחמה אחת, זרימה חוזרת אחת שאינה מכסה QFN ושבב חשוף שפורק את הגז בהלחמה; התהליך הספציפי של הדפסת משחת הלחמה משנית, תיקון וריפלוקס משני מוצג באיור 13.
כאשר מדפיסים לראשונה משחת ההלחמה בעובי 75 מיקרומטר, רוב הגז בהלחמה ללא כיסוי שבב בורח מהמשטח, והעובי לאחר ריפלוקס הוא כ- 50 מיקרומטר. לאחר השלמת הריפלוקס הראשוני, ריבועים קטנים מודפסים על פני ההלחמה המוצקת המקוררת (על מנת להפחית את כמות משחת ההלחמה, להפחית את כמות זליגת הגז, להפחית או להעלים נתזי הלחמה), ומשחת ההלחמה עם עובי של 50 מיקרומטר (תוצאות הבדיקה לעיל מראות ש-100 מיקרומטר הוא הטוב ביותר, כך שהעובי של ההדפסה המשנית הוא 100 מיקרומטר. 50 מיקרומטר=50 מיקרומטר), לאחר מכן התקן את השבב, ולאחר מכן חזור דרך 80 שניות. אין כמעט חור בהלחמה לאחר ההדפסה הראשונה והזרימה מחדש, ומשחת ההלחמה בהדפסה השנייה קטנה, וחור הריתוך קטן, כפי שמוצג באיור 14.
לאחר שתי הדפסות של משחת הלחמה, ציור חלול
4.3 אימות אפקט חלל הריתוך
ייצור של 2000 מוצרים (עובי רשת הפלדה הראשונה להדפסה הוא 75 מיקרומטר, עובי רשת פלדת ההדפסה השנייה הוא 50 מיקרומטר), תנאים אחרים ללא שינוי, מדידה אקראית של 500 QFN וקצב חלל ריתוך שבב, מצא שהתהליך החדש לאחר הריפלוקס הראשון אין חלל, לאחר הריפלוקס השני QFN שיעור חלל הריתוך המרבי הוא 4.8%, ושיעור חלל הריתוך המרבי של השבב הוא 4.1%. בהשוואה לתהליך הריתוך המקורי של הדפסה בדבק יחיד ותהליך אופטימיזציה של DOE, חלל הריתוך מצטמצם באופן משמעותי, כפי שמוצג באיור 15. לא נמצאו סדקי שבב לאחר בדיקות פונקציונליות של כל המוצרים.
5 סיכום
האופטימיזציה של כמות ההדפסה של משחת הלחמה וזמן הריפלוקס יכולה להפחית את שטח חלל הריתוך, אך קצב חלל הריתוך עדיין גדול. שימוש בשתי טכניקות ריתוך זרימה חוזרת של הדפסת משחת הלחמה יכולה ביעילות ולמקסם את קצב חלל הריתוך. אזור הריתוך של שבב חשוף מעגל QFN יכול להיות 4.4 מ"מ x4.1 מ"מ ו-3.0 מ"מ x2.3 מ"מ בהתאמה בייצור המוני. קצב החלל של ריתוך זרימה חוזרת נשלט מתחת ל-5%, מה שמשפר את האיכות והאמינות של ריתוך זרימה חוזרת. המחקר במאמר זה מספק התייחסות חשובה לשיפור בעיית חלל הריתוך של משטח ריתוך בשטח גדול.
זמן פרסום: יולי-05-2023
