SMT משתמש בניתוח ופתרון חללי ריתוך של משחת הלחמה קונבנציונלית באמצעות הזרמת אוויר (מהדורת Essence 2023), מגיע לכם!
1 מבוא
בהרכבת לוח המעגלים, משחת הלחמה מודפסת תחילה על משטח ההלחמה של לוח המעגלים, ולאחר מכן מודבקים רכיבים אלקטרוניים שונים. לבסוף, לאחר תנור ההזרמה החוזרת, חרוזי הבדיל במשחת ההלחמה מותכים וכל מיני רכיבים אלקטרוניים ומשטח ההלחמה של לוח המעגלים מרותכים יחד כדי לממש את הרכבת תת-המודולים החשמליים. טכנולוגיית הרכבה משטחית (sMT) נמצאת בשימוש הולך וגובר במוצרי אריזה בצפיפות גבוהה, כגון מארז ברמת המערכת (siP), התקני Ballgridarray (BGA), והתקני Power bare Chip, מארז שטוח מרובע ללא פינים (quad aatNo-lead, המכונה QFN).
בשל מאפייני תהליך ריתוך משחת הלחמה והחומרים, לאחר ריתוך חוזר של התקני שטח הלחמה גדולים אלה, יהיו חורים באזור ריתוך ההלחמה, אשר ישפיעו על התכונות החשמליות, התכונות התרמיות והתכונות המכניות של ביצועי המוצר, ואף יובילו לכשל המוצר. לכן, כדי לשפר את חלל ריתוך החוזר של משחת הלחמה הפך לבעיה תהליךית וטכנית שיש לפתור. מספר חוקרים ניתחו וחקרו את הגורמים לחלל ריתוך כדורי הלחמה BGA, וסיפקו פתרונות לשיפור. בתהליך ריתוך חוזר של משחת הלחמה קונבנציונלית, חסרים פתרונות לשבב חשוף בשטח QFN גדול מ-10 מ"מ רבוע או בשטח ריתוך גדול מ-6 מ"מ רבוע.
השתמשו בריתוך Preformsolder ובריתוך בתנור ריפלוקס ואקום כדי לשפר את חור הריתוך. הלחמה טרומית דורשת ציוד מיוחד לכיוון השטף. לדוגמה, השבב מוסט ומוטה ברצינות לאחר שהשבב מונח ישירות על ההלחמה הטרומית. אם שבב המותקן בשטף עובר ריפלוקס ואז ריפלוקס, התהליך גדל פי שניים, ועלות ההלחמה הטרומית וחומר השטף גבוהה בהרבה מאשר משחת הלחמה.
ציוד ריפלוקס ואקום יקר יותר, קיבולת הוואקום של תא הוואקום העצמאי נמוכה מאוד, ביצועי העלות אינם גבוהים, ובעיית התזת הפח חמורה, וזהו גורם חשוב ביישום של מוצרים בעלי צפיפות גבוהה ופסיעה קטנה. במאמר זה, בהתבסס על תהליך ריתוך ריפלוקס משחת הלחמה קונבנציונלי, פותח ומוצג תהליך ריתוך ריפלוקס משני חדש כדי לשפר את חלל הריתוך ולפתור את בעיות ההדבקה והסדקים באיטום הפלסטי הנגרמות על ידי חלל הריתוך.
2 חלל ריתוך מחדש של הדפסת משחת הלחמה ומנגנון ייצור
2.1 חלל ריתוך
לאחר ריתוך חוזר, המוצר נבדק תחת קרני רנטגן. נמצא כי החורים באזור הריתוך בצבע בהיר יותר נבעו מחוסר הלחמה בשכבת הריתוך, כפי שמוצג באיור 1.
גילוי רנטגן של חור הבועה
2.2 מנגנון היווצרות חלל ריתוך
אם ניקח לדוגמה את משחת הלחמה sAC305, ההרכב העיקרי והתפקיד שלה מוצגים בטבלה 1. הפלקס וחרוזי הבדיל מחוברים יחד בצורת משחה. יחס המשקל של הלחמת בדיל לפלקס הוא כ-9:1, ויחס הנפח הוא כ-1:1.
לאחר הדפסת משחת ההלחמה והרכבתה עם רכיבים אלקטרוניים שונים, משחת ההלחמה תעבור ארבעה שלבים של חימום מוקדם, הפעלה, רפלוקס וקירור כאשר היא עוברת דרך תנור הרפלוקס. מצב משחת ההלחמה משתנה גם הוא עם טמפרטורות שונות בשלבים שונים, כפי שמוצג באיור 2.
ייחוס פרופיל עבור כל תחום של הלחמת reflow
בשלב החימום המוקדם וההפעלה, הרכיבים הנדיפים בשטף שבמשחת ההלחמה יתנדפו לגז בעת החימום. במקביל, ייווצרו גזים כאשר תחמוצת שכבת הריתוך מוסרת. חלק מהגזים הללו יתנדפו ויעזבו את משחת ההלחמה, וחרוזי ההלחמה יתעבו בחוזקה עקב נדיפות השטף. בשלב הריפלוקס, השטף שנותר במשחת ההלחמה יתאדה במהירות, חרוזי הבדיל יימסו, כמות קטנה של גז נדיף של השטף ורוב האוויר בין חרוזי הבדיל לא יתפזרו בזמן, והשאריות בבדיל המותך ותחת מתח הבדיל המותך יוצרות מבנה של כריך המבורגר ונתפסות על ידי משטח ההלחמה של לוח המעגלים והרכיבים האלקטרוניים, והגז העטוף בבדיל הנוזלי קשה להימלט רק בגלל הציפה כלפי מעלה. זמן ההיתוך העליון קצר מאוד. כאשר הבדיל המותך מתקרר והופך לבדיל מוצק, מופיעות נקבוביות בשכבת הריתוך ונוצרים חורי הלחמה, כפי שמוצג באיור 3.
תרשים סכמטי של חלל שנוצר על ידי ריתוך חוזר של משחת הלחמה
שורש חלל הריתוך הוא שהאוויר או הגז הנדיף העטופים במשחת הלחמה לאחר ההיתוך אינם משוחררים לחלוטין. הגורמים המשפיעים כוללים את חומר משחת הלחמה, צורת ההדפסה של משחת הלחמה, כמות ההדפסה של משחת הלחמה, טמפרטורת הזרימה החוזרת, זמן הזרימה החוזרת, גודל הריתוך, מבנה הריתוך וכן הלאה.
3. אימות גורמי השפעה של חורי ריתוך חוזרים בהדפסת משחת הלחמה
בדיקות QFN ושבב חשוף שימשו לאישור הגורמים העיקריים לחללים בריתוך reflow, ולמציאת דרכים לשיפור חללי בריתוך reflow המודפסים על ידי משחת הלחמה. פרופיל מוצר ריתוך reflow של משחת הלחמה QFN ושבב חשוף מוצג באיור 4. גודל משטח ריתוך QFN הוא 4.4 מ"מ x 4.1 מ"מ, משטח הריתוך הוא שכבה מצופה פח (100% בדיל טהור); גודל הריתוך של השבב החשוף הוא 3.0 מ"מ x 2.3 מ"מ, שכבת הריתוך היא שכבה דו-מתכתית ניקל-ונדיום מרוססת, ושכבת פני השטח היא ונדיום. משטח הריתוך של המצע היה טבילה בזהב ניקל-פלדיום אלקטרולס, והעובי היה 0.4 מיקרון/0.06 מיקרון/0.04 מיקרון. נעשה שימוש במשחת הלחמה SAC305, ציוד הדפסת משחת הלחמה הוא DEK Horizon APix, ציוד תנור הריפלוקס הוא BTUPyramax150N, וציוד הרנטגן הוא DAGExD7500VR.
שרטוטים של ריתוך QFN ושבב חשוף
כדי להקל על השוואת תוצאות הבדיקה, בוצע ריתוך חוזר (reflow) בתנאים בטבלה 2.
טבלת תנאי ריתוך Reflow
לאחר השלמת ההרכבה המשטחית וריתוך הזרמה חוזרת, שכבת הריתוך זוהתה באמצעות קרני רנטגן, ונמצא כי היו חורים גדולים בשכבת הריתוך בתחתית ה-QFN והשבב החשוף, כפי שמוצג באיור 5.
הולוגרמת QFN ושבב (רנטגן)
מאחר שגודל חרוזי הבדיל, עובי רשת הפלדה, קצב שטח הפתיחה, צורת רשת הפלדה, זמן הריפלוקס וטמפרטורת שיא התנור - כולם ישפיעו על חללי ריתוך הריפלוקס, ישנם גורמי השפעה רבים, אשר יאומתו ישירות על ידי בדיקת DOE, ומספר קבוצות הניסוי יהיה גדול מדי. יש צורך לסנן ולקבוע במהירות את גורמי ההשפעה העיקריים באמצעות בדיקת השוואת קורלציה, ולאחר מכן לייעל עוד יותר את גורמי ההשפעה העיקריים באמצעות DOE.
3.1 מידות של חורי הלחמה וחרוזי פח של משחת הלחמה
בבדיקת משחת הלחמה מסוג 3 (גודל חרוז 25-45 מיקרומטר) SAC305, שאר התנאים נותרים ללא שינוי. לאחר הזרמה חוזרת, החורים בשכבת ההלחמה נמדדים ומושווים למשחת הלחמה מסוג 4. נמצא כי החורים בשכבת ההלחמה אינם שונים באופן משמעותי בין שני סוגי משחת ההלחמה, דבר המצביע על כך שלמשחת הלחמה עם גודל חרוז שונה אין השפעה ברורה על החורים בשכבת ההלחמה, דבר שאינו גורם משפיע, כפי שמוצג באיור 6.
השוואה בין חורי אבקת בדיל מתכתי עם גדלי חלקיקים שונים
3.2 עובי חלל הריתוך ורשת הפלדה המודפסת
לאחר ההזרמה החוזרת, נמדד שטח החלל של השכבה המרותכת עם רשת הפלדה המודפסת בעובי של 50 מיקרון, 100 מיקרון ו-125 מיקרון, ותנאים אחרים נותרו ללא שינוי. נמצא כי ההשפעה של עוביים שונים של רשת הפלדה (משחת הלחמה) על QFN הושוותה לזו של רשת הפלדה המודפסת בעובי של 75 מיקרון. ככל שעובי רשת הפלדה עולה, שטח החלל יורד בהדרגה. לאחר הגעה לעובי מסוים (100 מיקרון), שטח החלל יתהפך ויתחיל לגדול עם העלייה בעובי רשת הפלדה, כפי שמוצג באיור 7.
זה מראה שכאשר כמות משחת ההלחמה גדלה, הבדיל הנוזלי עם ריפלוקס מכוסה על ידי השבב, ופתח יציאת האוויר השיורי צר רק מארבעה צדדים. כאשר כמות משחת ההלחמה משתנה, גם פתח יציאת האוויר השיורי גדל, וההתפרצות המיידית של אוויר עטוף בבדיל נוזלי או גז נדיף הבורח מבדיל נוזלי תגרום להתזת בדיל נוזלי סביב ה-QFN והשבב.
הבדיקה מצאה כי עם העלייה בעובי רשת הפלדה, גם התפוצצות הבועות הנגרמת על ידי בריחת אוויר או גז נדיף תגדל, וההסתברות להתזות פח סביב ה-QFN והשבב תגדל בהתאם.
השוואה בין חורים ברשת פלדה בעוביים שונים
3.3 יחס שטח של חלל ריתוך ופתח רשת פלדה
נבדקה רשת הפלדה המודפסת עם קצב פתיחה של 100%, 90% ו-80%, ושאר התנאים נותרו ללא שינוי. לאחר הזרמה חוזרת, נמדד שטח החלל של השכבה המרותכת והושווה לרשת הפלדה המודפסת עם קצב פתיחה של 100%. נמצא כי לא היה הבדל משמעותי בחלל השכבה המרותכת בתנאים של קצב פתיחה של 100% ו-90% ו-80%, כפי שמוצג באיור 8.
השוואת חללים של שטחי פתיחה שונים של רשת פלדה שונה
3.4 חלל מרותך וצורת רשת פלדה מודפסת
בבדיקת צורת ההדפסה של משחת ההלחמה של רצועה ב' ורשת משופעת ג', שאר התנאים נותרים ללא שינוי. לאחר ההזרמה החוזרת, שטח החלל של שכבת הריתוך נמדד ומושווה לצורת ההדפסה של רשת א'. נמצא כי אין הבדל משמעותי בחלל שכבת הריתוך בתנאי הרשת, הרצועה והרשת המשופעת, 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), כאשר שאר התנאים נותרו ללא שינוי, נמדד החור בשכבת הריתוך לאחר הריפלוקס, ובהשוואה לזמן הריפלוקס של 60 שניות, נמצא כי עם עלייה בזמן הריפלוקס, שטח חור הריתוך קטן, אך משרעת ההפחתה פחתה בהדרגה עם עלייה בזמן, כפי שמוצג באיור 10. ממצא זה מראה שבמקרה של זמן ריפלוקס לא מספיק, הגדלת זמן הריפלוקס תורמת לגלישה מלאה של אוויר עטוף בבדיל נוזלי מותך, אך לאחר שזמן הריפלוקס עולה לזמן מסוים, קשה לאוויר העטוף בבדיל נוזלי לגלוש שוב. זמן הריפלוקס הוא אחד הגורמים המשפיעים על חלל הריתוך.
השוואה בין ריק של אורכי זמן ריפלוקס שונים
3.6 חלל הריתוך וטמפרטורת שיא התנור
לאחר בדיקת טמפרטורת שיא תנור של 240 ℃ ו-250 ℃ ותנאים אחרים ללא שינוי, נמדד שטח החלל של השכבה המרותכת לאחר הזרמה חוזרת, ובהשוואה לטמפרטורת שיא תנור של 260 ℃, נמצא כי בתנאי טמפרטורת שיא תנור שונים, חלל השכבה המרותכת של QFN והשבב לא השתנה באופן משמעותי, כפי שמוצג באיור 11. איור זה מראה כי לטמפרטורת שיא תנור שונה אין השפעה ברורה על QFN ועל החור בשכבת הריתוך של השבב, דבר שאינו גורם משפיע.
השוואה ריקה 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 שיפור חלל ריתוך הזרמה מחדש של משחת הלחמה
4.1 בדיקת DOE לשיפור חלל הריתוך
שופר החור בשכבת הריתוך של QFN והשבב על ידי מציאת הערך האופטימלי של גורמי ההשפעה העיקריים (זמן ריפלוקס ועובי רשת הפלדה). משחת ההלחמה הייתה מסוג SAC305 4, צורת רשת הפלדה הייתה מסוג רשת (100% מעלות פתיחה), טמפרטורת השיא של התנור הייתה 260 ℃, ותנאי הבדיקה האחרים היו זהים לאלה של ציוד הבדיקה. בדיקת DOE ותוצאותיה מוצגים בטבלה 3. השפעות עובי רשת הפלדה וזמן הריפלוקס על חורי ריתוך QFN והשבב מוצגות באיור 12. באמצעות ניתוח האינטראקציה של גורמי ההשפעה העיקריים, נמצא כי שימוש בעובי רשת פלדה של 100 מיקרון וזמן ריפלוקס של 80 שניות יכול להפחית משמעותית את חלל הריתוך של QFN והשבב. קצב חלל הריתוך של QFN מצטמצם מ-27.8% ל-16.1%, וקצב חלל הריתוך של השבב מצטמצם מ-20.5% ל-14.5%, ל-20.5%.
בבדיקה, יוצרו 1000 מוצרים בתנאים אופטימליים (עובי רשת פלדה של 100 מיקרון, זמן ריפלוקס של 80 שניות), וקצב חלל הריתוך של 100 QFN והשבב נמדד באופן אקראי. קצב חלל הריתוך הממוצע של QFN היה 16.4%, וקצב חלל הריתוך הממוצע של השבב היה 14.7%. קצב חלל הריתוך של השבב והשבב מופחת באופן ניכר.
4.2 התהליך החדש משפר את חלל הריתוך
מצב הייצור והבדיקות בפועל מראים שכאשר שטח חלל הריתוך בתחתית השבב קטן מ-10%, בעיית הסדקים במיקום חלל השבב לא תתרחש במהלך חיבור והיציקה של העופרת. פרמטרי התהליך שעברו אופטימיזציה על ידי DOE אינם יכולים לעמוד בדרישות הניתוח והפתרון של החורים בריתוך חוזר של משחת הלחמה קונבנציונלית, ויש צורך להפחית עוד יותר את קצב שטח חלל הריתוך של השבב.
מכיוון שהשבב המכוסה על ההלחמה מונע מהגז שבהלחמה לברוח, קצב החורים בתחתית השבב מצטמצם עוד יותר על ידי ביטול או הפחתה של הגז המצופה בהלחמה. אומץ תהליך חדש של ריתוך הזרמה חוזרת (reflow) עם שתי הדפסת משחת הלחמה: הדפסת משחת הלחמה אחת, הזרמה חוזרת אחת שאינה מכסה את ה-QFN והשבב החשוף שפולט את הגז בהלחמה; התהליך הספציפי של הדפסת משחת הלחמה משנית, טלאי וריפלוקס משני מוצג באיור 13.
כאשר מודפסת לראשונה משחת הלחמה בעובי 75 מיקרון, רוב הגז בהלחמה ללא כיסוי שבב יוצא מהמשטח, והעובי לאחר הריפלוקס הוא כ-50 מיקרון. לאחר השלמת הריפלוקס הראשוני, מודפסים ריבועים קטנים על פני השטח של ההלחמה המוצקה לאחר קירור (על מנת להפחית את כמות משחת ההלחמה, להפחית את כמות דליפת הגז, להפחית או למנוע התזות הלחמה), ומשחת הלחמה בעובי של 50 מיקרון (תוצאות הבדיקה לעיל מראות ש-100 מיקרון הוא הטוב ביותר, ולכן עובי ההדפסה המשנית הוא 100 מיקרון. 50 מיקרון = 50 מיקרון), לאחר מכן מתקינים את השבב, ולאחר מכן מחזירים אותו לאחר 80 שניות. כמעט ואין חור בהלחמה לאחר ההדפסה הראשונה והריפלוקס, 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 להדפסה הראשונה הוא 75 מיקרון, עובי רשת הפלדה להדפסה השנייה הוא 50 מיקרון), תנאים אחרים ללא שינוי, מדידה אקראית של 500 QFN וקצב חלל ריתוך השבב, מצא כי בתהליך החדש לא נמצא חלל ריתוך לאחר הריפלוקס הראשון, QFN לאחר הריפלוקס השני קצב חלל הריתוך המקסימלי הוא 4.8%, וקצב חלל הריתוך המקסימלי של השבב הוא 4.1%. בהשוואה לתהליך הריתוך המקורי של הדפסה בדבק יחיד ותהליך אופטימלי של DOE, חלל הריתוך מצטמצם משמעותית, כפי שמוצג באיור 15. לא נמצאו סדקי שבב לאחר בדיקות פונקציונליות של כל המוצרים.
5 סיכום
אופטימיזציה של כמות הדפסת משחת הלחמה וזמן הריפלוקס יכולה להפחית את שטח חלל הריתוך, אך קצב חלל הריתוך עדיין גדול. שימוש בשתי טכניקות ריתוך ריפלוקס להדפסת משחת הלחמה יכול למקסם ביעילות את קצב חלל הריתוך. שטח הריתוך של שבב חשוף במעגל QFN יכול להיות 4.4 מ"מ x 4.1 מ"מ ו-3.0 מ"מ x 2.3 מ"מ בהתאמה בייצור המוני. קצב חלל הריתוך ריפלוקס נשלט מתחת ל-5%, מה שמשפר את האיכות והאמינות של ריתוך הריפלוקס. המחקר במאמר זה מספק מקור חשוב לשיפור בעיית חלל הריתוך של משטח ריתוך גדול.
