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关于修改I/O钢网孔径以减少BTC上的空洞的有效性评估
录入时间:2019/6/18 12:09:34

Assessing the Effectiveness of IO Stencil Aperture Modifications on BTC Void Reduction

Timothy O’Neill

Carlos Tafoya

Gustavo Ramirez

AIM

克兰斯敦,罗德岛,美国

摘要

由于成本低、占用面积小、整体可靠性,底部端组件BTC已迅速融入PCB设计中。无铅端与底部/热焊盘的结合,给PCB组装者带来了许多挑战,包括倾斜,不良焊点的形成,很难检查以及最明显的,中心焊盘的空洞。由于输入变量的多样性会影响它们的形成,所以在大的SMT焊点上的空洞很难预测和控制。严格观察了焊膏化学组成,PCB成品,回流曲线和空气环境,其效果得到了充分的记录。此外,许多已发表的中心焊盘空洞的研究都是专注于优化中心焊盘的占用面积和钢网孔的设计。它显示了一种无需成本的、易于实现的I/O设计指导原则,可以在BTC封装中不断地、反复地减少空洞的形成。

 

介绍

底部端接组件(BTC)对印刷电路板(PCB)组装商来说是一个特殊的挑战,因为它们的中心焊盘焊点形成了焊料空洞。中心焊盘可用作电气接地,散热片或散热通道(图1)。如果由于焊料空隙导致接点的导电和导热不能达到规定的功能,则可能会导致元件过早失效。

 

焊膏由金属粉末和助熔剂介质组成,金属粉末重量百分比为85-90%,但体积百分比仅为约50%。 回流之后,只有50%的印刷沉积物保持为固体焊料,这存在挥发尽可能多的助焊剂以使焊料空隙最小化的挑战。 已经测试了无数的接地焊盘阻焊层和模板孔径设计,以提供除气通道以排空挥发的焊剂。 大多数这些设计产生的结果有限,成效有限,因为接地层设计不是造成空洞的最大因素。

 

空洞形成的两个主要变量是焊膏化学和回流曲线。 散热孔的影响也是一个重要的考虑因素; 然而,在本研究中没有对其进行评估,因为它不是在装配过程中可以解决的变量。 可用于减少空洞形成的其他工艺技术包括真空空气和汽相回流,但这些技术需要相当大的资金投入,并且不能广泛用于典型的PCB装配工。

 

背景

在进行深度锡膏印刷研究和回流样品板的同时,公司的应用实验室工作人员注意到,当I/O周边焊盘未覆盖锡膏的时候,焊料空洞会显著减少。在典型表现为10-20%空洞的组件上,这一比例下降到几乎为零。

 

工程师推断I/O上没有锡膏可使元件浮在熔融焊料表面,因此可更容易地排出焊剂气体。 他们认为,随着熔融焊料最终润湿到组件的模具桨,组件被拉下,可能会进一步取代中途被困的挥发物,然后冷却后最终冻结。 重复的实验显示了一致的结果:当I/O焊盘无印刷焊料时,空洞减少; 当I/O焊盘1:1开孔印刷时,空洞增加。

根据结果的重复性我们进一步讨论和假设:如果I/O焊盘上的锡膏,会限制元件漂浮在熔融焊料表面,影响了中心焊盘上焊料的排气;那么增加I/O焊盘上的锡膏体积 - 在元件中心焊盘上焊料应达到液相线 之前- 增加了支撑元件的高度,从而为助焊剂挥发创造排气空间。

 

假设

增加I/O焊盘上焊膏的体积会暂时性地抬高器件,在器件进入回流工艺的液相线阶段,改善助焊剂挥发性气体从中心焊盘排气的空间。

 

该假设基于这样一个概念,即由于I/O焊盘位于原件本体边缘以及它们的热容量比本体低得多,I/O焊盘焊料在接地焊盘之前达到液相线状态。 当焊料熔化时,它们会在焊盘聚合,顶起(BTC)元件。 由I/O焊盘上的焊料暂时提供的额外高度可以增加中心焊盘出气空间从而减少空洞的机制。 当焊料润湿到引脚可焊端子时,润湿力将下拉元件本体。润实力的下拉快速也能迫使更多挥发物从中心焊盘上的熔融焊料中溢出。 (图2)

在此研究中,即使是最大的I/O焊锡量的增加,超过30mils,也没有发现桥连或短路。只有发现焊料过量的焊点。

 


图 2 - I/O印刷量在接地焊盘空洞的效果

 

 

 实验方法

所有的测试都是,由两位SMT经验综合超过50年的SMTA认证工艺工程师在墨西哥Juarez的公司应用实验室进行的。

 测试样品

测试PCB是一个商用的印刷测试板,有12个BTC引脚(图3)。尺寸为8.5”x 6”的PCB板是由高Tg层压,使用化学镍金(ENIG)表面处理。

连续组装20个测试印刷电路板组件(PCBAs),使用相同的材料和工艺参数,为研究提供240个QFNs,每种类型60个。

3-测试样品

元件的选择

研究中分析了三种封装。如图4从左到右所示:MLF48、7x7mm; MLF32 7 x7mm和MLF16 5 x5mm。所有的MLFs都来自相同的制造商和各自的批次,100%的哑光镀锡在铜铅框架上,并且都是从相同的样品组件供应商获得的PCB

 4 –测试的元件

 1 – 元件类型


 

图 5 –实验性I/O锡膏印刷钢网设计

 

锡膏和印刷

 

图 6 –原始I/O锡膏印刷技术

锡膏使用的是免洗的SAC305 T4粉,具有2年以上的生产历史,一直表现出相对较低的空洞性能。使用的模板是优质不锈钢,二极管激光切割与氟聚合物纳米涂层。测试区域气温恒定,温度一般为25.4°C(78°F)和相对湿度54%。

 回流曲线

组件是在一个新的、商用的十区空气对流回流炉。图7显示了选择炉温曲线。选择升温回流曲线 (RTS)是因为:

• 线性曲线一般比恒温曲线产生更多的空洞。在回流曲线中常见的减少空洞的方法:合金熔化之前增加恒温区来增加助焊剂化学物的挥发。RTS曲线不用于减少空洞。

• 多数容易有空洞和容易受空洞影响的封装元件通常对在回流过程中峰值温度也具有热敏性。因此,对于BTC和类似的微型化塑料封装来说,具有较短的高热回流通常是首选的。

 

 

  本研究的目的是分离孔径设计的效果,并尽量减少分析对结果的影响。

 

7 –选择炉温曲线

回流曲线-长RTS(4.5分钟)标准斜率(< 2.0)和标准TAL(~75秒)峰值温度240°C

X射线设备和设置

采用自动高分辨率、透射X射线检查系统来描述空洞。所使用的设置为75 Kv和.075mA,或5.6瓦。使用生产统计软件对结果进行了计算和处理。

 结果与讨论

       空洞形成:

每一个测试的元件焊盘都是增量印刷,则空洞减少。结果如图8-10所示。

 

 8 - QFN48空洞结果

 9 –QFN32空洞结果

 

图 10 –QFN16空洞结果

 

DOE的X射线结果证实了早期的结果。在测试的3种设备中,空洞随着印刷的增加而减少。

该假设指出,在I/O焊盘上的更多的锡膏可以帮助“抬高”在中央焊盘锡膏上方的组件,使其能够在中央焊盘的锡膏达到液相温度之前更好地释放焊剂气体。在实际回流过程中,不可能测量液相沉积的小高度差,因此在理论上用以下假设进行计算:

• 焊料(金属)的体积是焊锡膏覆盖量的50%

• 印刷完全合并在焊盘上

• 通过将计算体积除以I/O焊盘面积来确定高度。

理论高度差见表2。

 

 2 - 印刷引起的理论间隔差异

 

 11 –  空洞总结

经过测试的三种封装都显示出随着印刷量的增加而减少的空洞率。结合图11的总结得出,两个较大的元件在减少空洞方面表现出了类似的趋势,但是较小的元件在增量印刷时,相对于较大的元件没有出现大量的空洞骤减。

导致小封装不同的表现模式的三个可能性:

1) 较小的元件-外形和较低的热容量决定了I/O焊盘焊料和中央焊盘上焊料接近液相线之间的排气时间缩短。这可以通过先进的分析技术和/或热成像相机进一步研究。

2) I/O焊盘在16-pin设备上比在32和48 pin设备上小。因此,印刷需要将元件抬高到必需的高度以提高排气。

3) 在于I/O焊盘和中央焊盘之间的面积比可能存在一个数学关系,I/O印刷和中央焊盘印刷,或I/O焊盘和中央焊盘的周长,基于在润湿过程中在润湿或表面张力之前的浮力。

 

随着项目的进展,这三种可能的解释将作进一步的详细探讨,并将在未来的出版物中报道。

焊点形成

在组装完成X光检查后,样品被切片,以观察I/O焊盘和中央焊盘的焊点形成。样品由两部分组成,分别是最小和最大的组件QFN16和QFN48,它们分别在0和30mils上打印。第一部分视图是通过测量同一排多个I/O焊点高度;第二种部分是通过引脚和中央焊盘来测量周长和中心焊点的高度,并评估焊料的形成。图12显示了在MLF48上的位置,图13到15显示了对比的实际部分。

 12 –MLF48的截面位置

图13- QFN48 I/Os在0mil和最大(30mil)的印刷横截面

图13中的图像显示了相似的I/O焊点高度,尽管在锡膏的体积上有差异,尽管印刷的焊点有近2.5倍的焊锡膏量,而在1:1的情况下,该焊点的印刷量是相同的。第二组交叉部分-通过中央焊盘的部分-显示I/Os上的额外焊点到达了周长。

图14-中央焊盘和焊盘QFN48周长的横截面

在图14中,焊点之间有显著的不同。在左边,锡膏与I/O焊盘印刷成1:1,在中心连接处看到一个很大的空洞,在周边缝中可以看到一个典型的圆角。在右边,锡膏被印在30mil以外的地方,中心焊点没有空洞,但是I/O焊盘上的多余的焊料被挤出了周边的焊点。

图14中所示过多的焊料是一个潜在的缺陷。在一些底部终端的封装,不需要润湿到终端和脚趾的边缘,但即使它们不是,许多组装者更愿意看到它们。如果在进行AOI检查,在终端上过多的焊料会导致错误的呼叫。如果目视检查,它们可以解释为由于它们的负润湿角造成的缺陷。图15和图16显示了QFN16的相似图像。

 

图15-QFN16 I/O在0和最大(30mil)印刷的横截面

图16-中央焊盘和QFN16焊盘周长的横截面

  

切片分析的结果显示,需要评估所有器件的增量印刷的结果,以了解如何平衡减少空洞与周边焊点的形成。每一个参数组合的样品都要加上所有QFN32, QFN16和QFN48的10mil和20mil的印刷。配合x射线数据来帮助定义增量印刷的最佳窗口。

通过对I/Os的印刷来大幅度减少空泛的能力有很大的潜力。它很容易,有效,并且不需要花费来实施。

 

结论

1)  所有元件的空洞率都降低到10%以下。在QFN48组件上,通过增加对I/O 焊盘的增量印刷来减少空洞的数量是非常有效的。使用+30 mils 印刷(5.28%)测量的最大的空洞大小与标准的1:1打印出的最小的空洞(5.22%)差不多。切片分析的结果显示,需要评估所有器件的增量印刷的结果,以了解如何平衡减少空洞与周边焊点的形成。

2) 由I/O 增量印刷的得到暂时的(高度)会将组件抬高,在润湿和结合之前,它会促进出气。实验数据显示高度约为1- 1.5mils。增加印刷和理论高度超过2mils并不能带来可观的效益,可能导致不良后果。

3) 每个封装尺寸的反应都不一样。最小的封装看起来并没有像较大的封装那样能从较长的印刷上受益。

4) 本测试并未使用,有利于空洞减少的回流曲线, 只使用常规的RTS 曲线。不考虑回流曲线对空洞的影响。

 

今后工作

 

本研究是(BTC)I/O增量印刷的试验。还在继续将获得更多的数据,进一步的测试是将评估其他变量对I/O增量印刷的影响,包括回流、PCB表面光洁度和组件类型,集中于改进I/O和底盘孔径设计,以获得最优的参数,并帮助建立更高的可靠性,以确定实验室的结果是否可以在实际生产中应用,以及这种新的I/O设计可以在多大程度上限制及杜绝空洞的产生。


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