Контроль над механизмами образования пустот при пайке оплавлением

Если основные требования предъявляются к электрической проводимости, с большим количеством пустот можно мириться, но каково бы ни было количество пустот, оно значительно снижает проводимость тепловую. Например, в модулях светодиодного освещения на рабочие характеристики критически влияет эффективность теплопередачи до подложки через интерфейс присоединения кристалла 1-го уровня и далее до радиатора через интерфейс присоединения 2-го уровня, так что пустоты в паяных соединениях на обоих уровнях необходимо сводить к минимуму.

Пустоты в паяных соединениях возникают из-за пузырьков газа, которые остаются в объеме припоя на этапе затвердевания припоя. Хотя существует возможность того, что воздух может быть захвачен в область соединения в процессе оплавления паяльной пасты, обычно считается, что газы, образующие пузырьки, в основном выделяются из вещества флюсов при улетучивании растворителей, как побочные продукты реакций активаторов с оксидами металлов и при разложении смол и прочих компонентов. Будут ли эти газы выходить из паяного соединения или останутся в них в виде пустот, зависит от множества факторов, включая площадь и геометрию паяного соединения.

Поскольку несмоченные области основания образуют места прикрепления пузырьков, паяемость оснований и активность флюса – еще одни факторы, влияющие на образование пустот в паяном соединении. Летучие вещества, выделяющиеся в течение того времени, когда плавятся и сливаются шарики порошка припоя, являются основным источником пузырьков, так что основное влияние на образование пустот может оказывать термопрофиль оплавления.

В этой статье авторы описывают факторы, влияющие на образование пустот в паяных соединениях с малой и большой площадью, которые моделируют, соответственно, соединения 1-го и 2-го уровня в светодиодных модулях, и рассматривают методики снижения данного явления на каждом уровне. Также авторы сообщают результаты исследований влияния на образование пустот состава флюса и оптимизации термопрофиля для обеспечения того, чтобы бóльшая часть летучих соединений вышла из соединения на ранней стадии процесса плавления.

Авторы: Кейт Суитман (Keith Sweatman), Такатоши Нишимура (Takatoshi Nishimura), Кеничиро Сугимото (Kenichiro Sugimoto), Акира Кита (Akira Kita), Nihon Superior Co., Ltd., Осака, Япония
Публикуется по оригинальной публикации в трудах IPC APEX EXPO


Существует два основных типа пустот, которые могут сформироваться в паяном соединении: усадочные пусты и газовые пустоты. В современный видах припоя усадочные пустоты являются следствием уменьшения объема, припоя при переходе из жидкой фазы в твердую. Если припой ведет себя как эвтектический и его отверждение происходит изотермически в одну стадию с развитием твердой фазы изнутри галтели наружу, все уменьшение объема приходится на внешнюю поверхность. Единственным последствием является то, что окончательная галтель немного меньше, чем изначально сформировавшаяся в жидком состоянии, но эта галтель не содержит внутренних пустот.

Ситуация усложняется, если припойный сплав ведет себя не как эвтектический, и его отверждение происходит на некотором интервале температур с более чем одной стадией отверждения. Примером припоя, проявляющего такое неэвтектическое поведение, служит припой Sn-3,0%Ag-0,5%Cu, широко известный как «SAC305». Отверждение начинается при температуре около 219°C, при этом происходит рост дендритов основного олова (Sn), которые продолжают расти по мере того, как припой остывает до 217°C, когда оставшаяся жидкость с увеличенным содержанием серебра (Ag) и меди (Cu) затвердевает как эвтектическая. Объемы расплавленного припоя могут оказаться изолированными внутри дендритной сети основного олова, так что когда они отверждаются, уменьшение объема вынуждено образовать пустоту.

Пустоты, образованные таким образом, имеют неправильную форму, отражающую форму границы раздела фаз при отверждении, которая их сформировала, и, поскольку они занимают зазоры между дендритами, большое отношение длины к ширине. Если эти усадочные пустоты пересекают поверхность, они могут выглядеть как усадочные раковины, подобные трещинам, или как усадочные отверстия.

Усадочная пустота в сплаве SAC305
Рис. 1 — Усадочная пустота в сплаве SAC305,
пересекающая поверхность галтели паяного соединения, образуя усадочную раковину
Типичная пустота, возникшая из-за захвата пузырька газа в припое
Рис. 2 — Типичная пустота, возникшая из-за захвата пузырька газа в припое

Газовые пустоты являются результатом захвата пузырька газа в припое. Форма и размер таких пустот определяется равновесием между давлением газа и поверхностным натяжением расплавленного припоя, поэтому они обычно имеют почти точную сферическую форму и в целом гладкую внутреннюю поверхность. Исключения из этого правила возникают, когда пузырек прикреплен к одной из соединяемых поверхностей, которая не была смочена припоем, и когда равновесный диаметр больше зазора соединения.

Пустота, в которой газовый пузырек прикрепился к несмоченной области площадки
Рис. 3 — Пустота, в которой газовый пузырек прикрепился к несмоченной области площадки

Источники газа, образующего пустоты, могут быть различными, включая улетучивание влаги, захваченной дефектами медной металлизации платы, и разложение органических веществ, осажденных в процессе гальванической металлизации. В данной статье рассматривается только один тип пустот – пустоты, возникающие в паяных соединениях, полученных методом оплавления, и являющиеся результатом захвата летучих соединений, выделяемых из флюса паяльной пасты: либо непосредственно из его компонентов, либо как продукты реакций при флюсовании между активаторами и оксидами поверхности.

Пузырьки газа в расплавленном припое представляют собой термодинамически нестабильную систему. Пузырьки образуют дополнительные поверхности в припое, что означает, что свободная энергия системы выше, чем она была бы, если бы газ вышел. Эта дополнительная свободная энергия побуждает к росту крупных пузырьков, которые обладают меньшим отношением площади к объему, за счет пузырьков малого размера. Однако если это происходит только путем диффузии газа через жидкость, этот процесс очень медленный. Более быстрый рост может происходить путем слипания, если пузырьки находятся в движении из-за действия других сил,. При таком соприкосновении меньший пузырек будет захвачен бóльшим, при этом уменьшив абсолютную величину площади раздела газа и жидкости. В паяльных пастах при их оплавлении происходит достаточное движение для того, чтобы это произошло, так что пустоты в паяных соединениях обычно образуются в виде крупных пузырьков в относительно малом количестве.

Как только плавление завершено и расплавленный припой приходит в неподвижное состояние, единственной силой, способной переместить пузырек на хоть сколько-нибудь значительное расстояние за время, пока припой расплавлен (время пребывания выше ликвидуса), становится гравитация. Эта действующая на пузырек выталкивающая сила равна весу вытесненного припоя (сила Архимеда). То, что гравитация является фактором в удалении пустот, было подтверждено наблюдением того, что пустоты склонны сохранять взвешенное состояние в паяных соединениях, выполненных в условиях невесомости на Международной космической станции [1].

Выталкивающая сила работает только в одном направлении – вверх, и если геометрия соединения подразумевает отсутствие пути выхода в данном направлении, пузырек останется захваченным в паяном соединении. Именно по этой причине образование пузырьков обычно наибольшее в соединениях с большим отношением длины к ширине, как например в соединениях между большими кремниевыми кристаллами и подложками.

Газовые пузырьки, взвешенные в паяном соединении, которое выполнено в условиях невесомости
Рис. 4 — Газовые пузырьки, взвешенные в паяном соединении, которое выполнено в условиях невесомости [1]

Другим фактором, который может помешать выталкиванию пузырьков из паяного соединения выталкивающей силой, является блокирование пути выхода уже успевшим застыть припоем. Вероятность того, что газовые пузырьки будут захвачены отвержденным припоем, возрастает, если они образуются ближе к концу цикла оплавления, и если увеличено время нахождения выше ликвидуса. Если путь выхода не заблокирован из-за геометрии соединения, газ, выделяемый в начале периода, в течение которого припой расплавлен, выйдет до того, как соединение начнет отверждаться.


МЕТОДИКИ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПУСТОТ


Для конкретного пузырька, при допущении, что масса содержащегося в нем газа неизменна, размер пузырька при данной температуре зависит от поверхностного натяжения припоя и атмосферного давления. Это описывается математически уравнением Юнга-Лапласа, которое можно выразить в следующей форме:

уравнение Юнга-Лапласа

где r – радиус пузырька, γ – поверхностное натяжение поверхности раздела между пузырьком и припоем, Pb – давление в пузырьке, Pa – атмосферное давление.

Поверхностное натяжение противодействует давлению, тем самым ограничивая размер, который может быть достигнут пузырьком при данном атмосферном давлении. Таким образом, очевидно, что если поверхностное натяжение можно снизить, то избыточное давление, которому возможно противодействие, снижается, и при данной массе содержащихся в пузырьке летучих соединений пузырек может быть увеличен в размерах.

В условиях реального производства образование пустот зависит от множества факторов: от состава паяльной пасты до ее хранения и обращения с ней и до условий, при которых происходит ее окончательное оплавление (см. рис. 5).

Факторы, влияющие на образование пустот при выполнении процессов пайки
Рис. 5 — Факторы, влияющие на образование пустот при выполнении процессов пайки

 

Print / Dispense Печать / дозирование
Temp / Humidity Температура / влажность
Volume Объем
Storage condition Условия хранения
Reflow Оплавление
Peak Temp Пиковая температура
TAL Время пребывания выше ликвидуса
BLT Время пребывания ниже ликвидуса
Ramp Rate Время нарастания температуры
Soak Temp Температура выдержки
Soak Time Время выдержки
Atmospheric Pressure Атмосферное давление
Atmosphere Атмосфера
Void Пустоты
Storage Condition Условия хранения
Surface Finish Финишное покрытие
Mounting Alignment Совмещение при монтаже
Oxidation Level Уровень окисления
Substrates / Components Подложка / компоненты
Soldering area Область пайки
Surface Roughness Шероховатость поверхности
Surface Tension of molten solder Поверхностное натяжение расплавленного припоя
Flux Activity Активность флюса
Solder Paste Паяльная паста
Powder Size / Oxidation Level Размер частиц порошка / уровень окисления
Melting Temp Range Диапазон температур плавления
Storage Condition Условия хранения
Flux Vaporization Behavior Поведение флюса по парообразованию

Ключевыми элементами снижения образования пустот являются выбор материала и управление процессом. Эти вопросы выходят за пределы паяльной пасты как таковой и распространяются на поверхности оснований (подложек) и компонентов, которые являются основаниями паяного соединения.

 

Стратегии снижения образования пустот при пайке
Рис. 6 — Стратегии снижения образования пустот при пайке

 

Void Reduction Strategy Стратегия снижения образования пустот
Reduce Volatiles Release in Reflow Stage of Profile Уменьшить выделение летучих соединений на стадии плавления профиля
Facilitate Escape of Volatiles Способствовать выходу летучих соединений
Use Solvent that Volatilizes During Preheat Использовать растворитель, улетучивающийся на этапе предварительного нагрева
Reduce Surface Tension of Solder Снизить поверхностное натяжение припоя
Shorter TAL Lower Peak Сократить время пребывания выше ликвидуса и снизить пиковую температуру
Longer TAL Higher Peak Увеличить время пребывания выше ликвидуса и повысить пиковую температуру
Vacuum reflow Вакуумное оплавление
Depending on Solder Paste Formulation Определяется составом паяльной пасты
Improvement in Soldering Conditions Улучшения условий пайки

Отправным моментом в минимизации количества пустот в стратегиях снижения их образования является то, что пустоты образуются из пузырьков газа, создаваемого в процессе оплавления и захватываемого внутри припоя. Этот газ либо выделяется непосредственно из компонентов флюса, либо образуется как продукт реакций при флюсовании между активаторами и оксидами поверхности. На размер, который может быть достигнут пузырьком, и на то, насколько легко пузырек может пробиться через поверхность припоя и выйти из него, влияет поверхностное натяжение припоя. Таким образом, имеется два подхода к минимизации количества пустот:

  1. Уменьшение количества летучих соединений, выделяемых на стадии плавления термопрофиля.
  2. Способствование выходу образовавшихся летучих соединений.

Вклад состава паяльной пасты

Образование летучих соединений можно отследить с помощью термогравиметрического анализа. Например, на рис. 7 показана зависимость потери веса двух видов флюсов паяльных паст – флюса A и флюса B – от температуры при скорости нагрева 50°C/мин. в воздушной атмосфере.

 

Термогравиметрический анализ флюсов паяльных паст двух типов
Рис. 7 — Термогравиметрический анализ флюсов паяльных паст двух типов

 

 

Weight Loss (%) Потеря веса, %
20.00 20,00
0.00 0,00
-20.00 -20,00
-40.00 -40,00
-60.00 -60,00
-80.00 -80,00
-100.00 -100,00
50.0 50,0
100.0 100,0
150.0 150,0
200.0 200,0
250.0 250,0
300.0 300,0
350.0 350,0
380.0 380,0
Temperature © Температура, °C
Onset of solvent evaporation Начало испарения растворителя
Preheat Предварительный нагрев
Reflow Плавление
Weight Loss in Preheat Потеря веса при предварительном нагреве
Weight Loss in Reflow Потеря веса при плавлении
Flux A Флюс A
Flux B Флюс B
Temperature Ramp 50C/minute Нарастание температуры 50°C/мин.

Результаты, приведенные в табл. 1, показывают, что потеря веса флюса B на стадии оплавления профиля более чем вдвое превосходит потерю веса флюса A. Можно было бы ожидать, что если в тот период времени, когда припой расплавлен, образуется меньше газа, должно быть меньше возможностей для захвата пузырьков.

 

Флюс Общая потеря веса в цикле пайки оплавлением, % Потеря веса при предварительном нагреве, % Потеря веса при плавлении, %
Контрольный 16,26 62 38
С малым образованием пустот 17,5 85 15

Таблица 1 — Потери веса флюса в процесса оплавления

Меньшее поверхностное натяжение расплавленного припоя означает, что пузырьки будут больше, что приводит к большей вероятности пересечения поверхности расплавленного припоя, так что захваченный газ может покинуть объем припоя. В процессах пайки для заданного припоя поверхностное натяжение в большой степени зависит от эффективности флюса, что, в первую очередь, определяется его составом.

Если целью является минимизация поверхностного натяжения, то необходимо наличие методики его измерения. В приводимых в данной статье экспериментах по оптимизации флюса поверхностное натяжение измерялось с помощью методики, основанной на использовании баланса смачивания [7]. В данной методике выполняется определение размера мениска, образующегося у несмачиваемой поверхности стеклянного стержня, как разницы между направленной вверх силой, регистрируемой измерителем смачивания, и силой, которая должна была бы действовать только при выталкивании стержня (выталкивающей силой). Зная диаметр стеклянного стержня, из этой разницы сил можно вычислить поверхностное натяжение.

 

Принцип методики измерения поверхностного натяжения
Рис. 8 — Принцип методики измерения поверхностного натяжения [6]

 

Force, f сила f
Start начало
Depth, h глубина h

Сила f, регистрируемая измерителем смачивания, является суммой силы поверхностного натяжения и выталкивающей силы, действующих на несмачиваемый стержень по мере его погружения в припой:

уравнение Юнга-Лапласа

где D – диаметр стержня, γ – поверхностное натяжение, θ – краевой угол, ρ – плотность припоя, h – глубина погружения стержня, A – площадь поперечного сечения стержня. Когда краевой угол на несмачиваемой поверхности достигает π радиан, увеличение регистрируемой силы при дальнейшем погружении стержня происходит только из-за выталкивающей силы. Экстраполируя выталкивающую силу в меньшую сторону нулевой глубине погружения), можно получить значение πDγ, из которого можно вычислить поверхностное натяжение.

На рис. 9 схематично изображена экспериментальная установка. 4-миллиметровый стеклянный стержень, закрепленный на головке измерителя смачивания [8], погружается со скоростью 0,5 мм/с до глубины 20 мм в расплавленный припой Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge [9] в ванне припоя, нагретой до 240°C. Эталонное поверхностное натяжение было измерено в воздухе и без какого-либо флюса.

 

Схематичное изображение установки для измерения поверхностного натяжения припоя (a) и типовые результаты эксперимента по измерению поверхностного натяжения (b)
Рис. 9 – Схематичное изображение установки для измерения поверхностного натяжения припоя (a) и типовые результаты эксперимента по измерению поверхностного натяжения (b)

 

Force Measured by Wetting Balance Сила, измеренная измерителем смачивания
Volume of Solder Displaced by Surface Tension Объем припоя, вытесненного из-за поверхностного натяжения
Movement Direction Направление перемещения
Glass Rod Стеклянный стержень
Flux Флюс
Solder Припой
Force (mN) Сила, мН
Time (s) Время, с

Когда это испытание использовалось для определения влияния вещества флюса, на конец стеклянного стержня наносилось одинаковое количество флюса путем вдавливания стержня в отпечаток флюса диаметром 6,5 мм и толщиной 0,2 мм, который наносился печатью на керамическую пластину. После подъема стержня на нем оставался слой флюса толщиной 0,2 мм.

Результаты, приведенные на рис. 10, показывают, что при изменении состава было получено существенное снижение поверхностного натяжения. Ожидалось, что это будет способствовать снижению образования пустот описанным выше путем.

 

Результаты измерений поверхностного натяжения
Рис. 10 – Результаты измерений поверхностного натяжения

 

Surface Tension (N/m) Поверхностное натяжение, Н/м
0.700 0,700
0.650 0,650
0.600 0,600
0.550 0,550
0.500 0,500
No Flux Без флюса
Reference Flux Контрольный флюс
Low Voiding Flux Флюс с малым образованием пустот

Был выполнен ряд контрольных испытаний с флюсом с малым образованием пустот с применением двух типов компонентов. Для моделирования силового полупроводникового компонента на обычную печатную плату с нанесенным цельным отпечатком паяльной пасты высотой 120 мкм монтировалась квадратная медная пластина со стороной 19 мм (см. рис. 11). Вторым использовавшимся компонентом был корпус CSP132 с шариковыми выводами из припоя SAC305 с размером 300 мкм и шагом 0,5 мм, который монтировался на паяльную пасту высотой 120 мкм (см. рис. 12).

 

Моделирование мощного полупроводникового компонента
Рис. 11 – Моделирование мощного полупроводникового компонента

 

Cu plate Медная пластина
Substrate Основание
Испытательный компонент CSP132
Рис. 12 – Испытательный компонент CSP132

В паяльной пасте был сплав Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge, который обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в эвтектическом поведении при затвердевании, что также может способствовать минимизации образования пустот [11]. В профиле оплавления время пребывания выше ликвидуса 227°C составляло 90 с (см. рис. 13).

 

Профиль оплавления для оценки состава флюса
Рис. 13 – Профиль оплавления для оценки состава флюса

 

0.0 0,0
50.0 50,0
100.0 100,0
200.0 200,0
250.0 250,0
300.0 300,0
350.0 350,0

Результаты мер для снижения образования пустот, описанных выше, показаны на рис. 14. В обоих случаях были достигнуты цели <10% и <5% пустот. Кроме того, превосходные характеристики паяльной пасты с составов для снижения образования пустот подтвердились и для чип-компонентов. Небольшой положительный эффект при оплавлении в азотной атмосфере, возможно, может быть отнесен к защитному действию, которое он оказывает на припой, снижая степень окисления, с которым приходится справляться флюсу, в результате чего у флюса остается больше запаса активности для снижения поверхностного натяжения.

 

Влияние флюса на образование пустот в паяном соединении
Рис. 14 – Влияние флюса на образование пустот в паяном соединении

 

Large Thermal Pads Большие теплоотводящие площадки
BGA Balls Шариковые выводы BGA
Reference Контрольный флюс
Low Voiding Флюс с малым образованием пустот
Air: 6.0% Voids Воздух: пустоты 6,0%
Air: 4.2% Voids Воздух: пустоты 4,2%
Air: 5.7% Voids Воздух: пустоты 5,7%
Air: 4.9% Voids Воздух: пустоты 4,9%
N2: 5.7% Voids Азот: пустоты 5,7%
N2: 2.8% Voids Азот: пустоты 2,8%
N2: 5.1% Voids Азот: пустоты 5,1%
N2: 3.8% Voids Азот: пустоты 3,8%

Снижение образования пустот с помощью условий оплавления

Первый шаг в снижении образования пустот заключается в удалении из состава флюса паяльной пасты компонентов, которые не начали бы улетучиваться или разлагаться с образованием газа на поздних стадях профиля оплавления. Это можно сделать путем применения растворителей, которые в большой степени испаряются в процессе предварительного нагрева или в самом начале этапа профиля, на котором происходит плавление. Другие компоненты флюса, смолы, активаторы и регуляторы тиксотропности, а также стабилизаторы должны обладать стабильностью и выделять минимальное количество летучих соединений, в особенности на последней стадии профиля, на которой припой находится в расплавленном состоянии (время пребывания выше ликвидуса).

Однако, поскольку невозможно полностью исключить возможность выделения газа на поздних стадиях плавления, особенно в пустотах, прикрепленных к несмоченным областям, которые могут содержать в себе флюс, необходимо принять меры для облегчения выхода пузырьков до того, как начнется отверждение. Чтобы определить, какой подход мог бы оказаться эффективным для минимизации образования пустот, необходимо рассмотреть способы, которыми пузырьки могут выйти из соединения, и факторы, которые могут помешать их выходу.

 

Типовые рентгеновское и оптическое изображения пустот
Рис. 15 — Типовые рентгеновское и оптическое изображения пустот

 

X-ray Image Рентгеновское изображение
Optical Image Оптическое изображение
Non-wetted areas Несмоченные области

В основе методов снижения вероятности образования пустот в паяных соединениях – рассмотренные ранее вопросы, относящиеся к способам их формирования. Для снижения образования пустот состав паяльной пасты должен:

  • обладать пониженным выделением улетучивающихся веществ на стадии оплавления течение периода, когда припой расплавлен)
  • содержать растворители, которые улетучиваются на стадии предварительного нагрева профиля оплавления
  • снижать поверхностное натяжение припоя

Однако удастся ли реализовать все преимущества состава паяльной пасты для снижения количества пустот в очень большой степени зависит от характеристик профиля оплавления, в особенности, от временных параметров и длительности стадии плавления, обычно называемой временем пребывания выше ликвидуса.

Выполнение эксперимента

Для оценки влияния профиля оплавления на образование пустот в соединениях на больших площадках выполнялся монтаж квадратного компонента QFN размером 10 мм с оловянным покрытием на обычную печатную плату с паяльной пастой, нанесенной толщиной 130 мкм. Применялось два типа профилей оплавления: один с коротким временем пребывания выше ликвидуса и низкой пиковой температурой, а другой – с длительным временем пребывания выше ликвидуса и высокой пиковой температурой (рис. 16).

 

Профили оплавления и компоненты для оценки образования пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках
Рис. 16 — Профили оплавления и компоненты для оценки образования пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках

 

Temperature © Температура, °C
Time (Minute) Время, мин.
High Profile Высокий профиль
Peak Temp: 258C Пиковая температура: 258°C
TAL: 130s Время пребывания выше ликвидуса: 130 с
Low Profile Низкий профиль
Peak Temp: 230C Пиковая температура: 230°C
TAL: 58s Время пребывания выше ликвидуса: 58 с
As Printed После печати пасты
As Placed QFN После установки компонента QFN
After Reflow (X-ray) После оплавления (рентгеновское изображение)

 

Влияние профиля оплавления на образование пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках при применении припоя Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge с флюсом A (слева) и флюса B (справа)
Рис. 17 — Влияние профиля оплавления на образование пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках при применении припоя Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge с флюсом A (слева) и флюса B (справа)

 

Results: Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge Flux A Результаты для Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge с флюсом A
Results: Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge Flux B Результаты для Sn-0,7Cu-0,05Ni+Ge с флюсом B
Void Ratio (%) Коэффициент пустотности, %
High Profile Высокий профиль
Low Profile Низкий профиль
Non-wetting area Несмоченная область
Max Макс.
Average Среднее
Min Мин.
Stdev Ср.-кв. откл.

Результаты для сплава Sn-0.7Cu-0.05Ni+Ge с флюсом A показывают, что более длительное время пребывания выше ликвидуса и более высокая пиковая температура приводят к снижению образования пустот. Предполагается, что высокое образование пустот при низком профиле связано с более слабым смачиванием, из-за чего образуется множество несмоченных областей, к которым могут прикрепляться пузырьки, а также с меньшим временем, в течение которого захваченные пузырьки могут выйти из расплавленного припоя, пока его температура выше ликвидуса. Наименьшая средняя пустотность была получена при комбинации низкого профиля и флюса B, который был составлен таким образом, чтобы летучие соединения по максимуму выделялись в процессе предварительного нагрева или на ранней стадии плавления, и чтобы обеспечивалась высокая активность для хорошего смачивания с минимальным образованием несмоченных областей, к которым могут прикрепляться пузырьки. Предполагается, что большее образование пустот при комбинации флюса B и высокого профиля связано с бóльшим образованием несмоченных областей из-за истощения активности флюса за более длительное время пребывания выше ликвидуса. Поскольку флюс B составлен таким образом, чтобы летучие соединения по максимуму выделялись в процессе предварительного нагрева, растворителя для сохранения подвижности и активности флюса было меньше в течение длительного времени пребывания выше ликвидуса, когда возможно повторное окисление соединяемых оснований.

Безусловно, важное значение имеет хорошее смачивание оснований, чтобы отсутствовали несмоченные области или области с неполным смачиванием, которые могут представлять собой точки для прикрепления пузырьков, как показано на рис. 3. В случае паяных соединений малого размера, например компонентов BGA и столбиковых выводов, поверхностное натяжение расплавленного припоя настолько велико, что выталкивающей силы недостаточно для отрыва пустот от несмоченных областей.

На рис. 18 приведен пример ситуации, которая может случиться в паяном соединении малого размера, в котором пузырек, прикрепленный к несмоченной области, состоит из остатка флюса. При увеличенном времени пребывания выше ликвидуса остатком флюса будут продолжать выделяться летучие соединения, в результате чего, пока припой расплавлен, пустота будет расти.

 

Типичный пример несмоченной области и остатка флюса, захваченного в виде пустоты в паяном соединении малого размера
Рис. 18 — Типичный пример несмоченной области и остатка флюса, захваченного в виде пустоты в паяном соединении малого размера

 

Non-wetting spot Несмоченное пятно

Для оценки образования пустот в соединениях малого размера на подслое столбиковых выводов Ti/Ni/Cu были подготовлены припойные столбиковые выводы размером 100 мкм из пасты с порошком SAC405 типа 5 и флюсом типа ROL0. Сборка подвергалась пайке оплавлением с профилями, время пребывания выше ликвидуса которых изменялось в диапазоне от 50 до 210 с (см. рис. 19).

 

Влияние типа профиля оплавления на степень образования пустот в соединениях малого размера
Рис. 19 — Влияние типа профиля оплавления на степень образования пустот в соединениях малого размера

 

Temperature © Температура, °C
Time (Minute) Время, мин.
X-ray Image Рентгеновское изображение
Void Пустота
A: RtP (Linear)
Peak Temp: 235C
TAL: 72s
Soak Time: 63s
A: нарастание до пика (линейное)
Пиковая температура: 235°C
Время пребывания выше ликвидуса: 72 с
Время выдержки: 63 с
B: Soak + Short TAL
Peak Temp: 240C
TAL: 50s
Soak Time: 140s
B: выдержка + короткое время пребывания выше ликвидуса
Пиковая температура: 240°C
Время пребывания выше ликвидуса: 50 с
Время выдержки: 140 с
C: RtP (Linear) + Long TAL
Peak Temp: 235C
TAL: 210s
Soak Time: 50s
C: нарастание до пика (линейное) + длительное время пребывания выше ликвидуса
Пиковая температура: 235°C
Время пребывания выше ликвидуса: 210 с
Время выдержки: 50 с
Void Ratio (%) Коэффициент пустотности, %
RtP (Linear) Нарастание до пика (линейное)
Soak +Short TAL Выдержка + короткое время пребывания выше ликвидуса
RtP (Linear) + Long TAL Нарастание до пика (линейное) + длительное время пребывания выше ликвидуса

Результаты показывают, что занятую пустотами область можно уменьшить, сократив время нахождения выше ликвидуса, поскольку это сводит к минимуму испарение летучих соединений флюса в течение стадии плавления профиля. Результаты при использовании профилей типа «нарастание до пика» и «нарастание до пика + короткое время пребывания выше ликвидуса» указывают на то, что предварительный нагрев оказывается эффективным для снижения образования пустот, поскольку он позволяет выйти избыточным летучим соединениям до начала плавления. Таким образом, как и ожидалось, для паяных соединений малого размера более короткое время пребывания выше ликвидуса и пониженная пиковая температура оплавления могут внести реальный вклад в минимизацию вероятности наличия газа, образуемого при разложении компонентов флюса в пустотах, захваченных на несмоченных областях.

Снижение образования пустот с помощью вакуумного оплавления

Единственная внешняя сила, которая может действовать на пузырек – эта сила гравитация, действующая посредством выталкивания. Величина выталкивающей силы растет с увеличением размера пузырька, поэтому все, что увеличивает размер пузырька, будет повышать вероятность его выхода.

Если не считать снижение поверхностного натяжения, единственный способ увеличения размера пузырька – это снижение атмосферного давления. Поскольку произведение давления и объема остается неизменным (закон Бойля), если атмосферное давление снижается, объем газа при постоянной температуре увеличится. Как объяснялось ранее, в случае пузырька газа в жидкости равновесие усложняется наличием поверхностного натяжения на границе газа (пузырька). При отсутствии поверхностного натяжения снижение давления вокруг расплавленного припоя с нормального атмосферного давления 101 кПа до 10 кПа привело бы к увеличению диаметра пузырька примерно в два раза. Если давление уменьшилось бы до 1 кПа, диаметр пузырька увеличился бы в 4 раза. При наличии ограничивающего действия на размер пузырька со стороны поверхностного натяжения при данном снижении давления из-за того, что размер пузырька увеличивается, уменьшение атмосферного давления приведет к даже большему увеличению размера пузырька.

Существует два эффекта, связанных с увеличением размера пузырька, от которых можно ожидать повышения вероятности выхода содержимого пузырька. Простые геометрические соображения указывают на то, что пузырек большего размера с большей вероятностью встретится и сольется с другим пузырьком. А чем больше пузырек, тем вероятнее, что он коснется внешней поверхности припоя и покинет его. Поскольку выталкивающая сила связана с объемом вытесненного припоя, эта сила растет пропорционально кубу диаметра пузырька, таким образом создается быстро растущая сила, способствующая удалению пузырька. Увеличение размера пузырька вдвое приводит к восьмикратному увеличению объема и, как следствие, выталкивающей силы. Увеличение диаметра вчетверо увеличивает выталкивающую силу в 64 раза.

Сейчас на рынке доступно оборудование вакуумной пайки оплавлением, способное уменьшать давление, действующее на расплавленный припой, до 1 – 10 кПа. С целью оценки был использован испытательный образец, показанный на рис. 16, который подвергался ряду дополнительных контрольных испытаний с применением чип-резисторов и конденсаторов 1608 и 2125.

Влияние флюса на образование пустот в паяном соединении с большой площадью (a) и в соединениях компонента CSP (b)
Рис. 20 – Влияние флюса на образование пустот в паяном соединении с большой площадью (a) и в соединениях компонента CSP (b)

 

Large Thermal Pads Большие теплоотводящие площадки
BGA Balls Шариковые выводы BGA
Reference Контрольный флюс
Low Voiding Флюс с малым образованием пустот
Air: 6.0% Voids Воздух: пустоты 6,0%
Air: 4.2% Voids Воздух: пустоты 4,2%
Air: 5.7% Voids Воздух: пустоты 5,7%
Air: 4.9% Voids Воздух: пустоты 4,9%
Vacuum: 2.0% Vacuum: 2,0%
Vacuum: 1.0% Vacuum: 1,0%
Vacuum: 5.1% Vacuum: 5,1%
Vacuum: 3.1% Vacuum: 3,1%

 

Компонент Образование пустот
Контрольный флюс Флюс с малым образованием пустот
Кол-во % Кол-во %
CR1608 9/200 4,0 0/200 0,0
CC1608 2/200 1,0 0/200 0,0
CR2125 30/270 11,1 0/270 0,0
CC2125 3/270 1,1 0/270 0,0

Таблица 2 — Влияние флюса на образование пустот в соединениях чип-компонентов при вакуумной пайке

Результаты, приведенные в табл. 2, показывают, что применение вакуума в течение времени пребывания выше ликвидуса может значительно снизить уровень образования пустот, особенно в соединениях на теплоотводящих площадках с большой площадью, и свести к минимуму образование пустот как для больших, так и для малых паяных соединений. Вероятно, что большинство пустот, остающихся после вакуумного оплавления – это пустоты, прикрепленные к несмоченным областям.


ВЫВОДЫ

Хотя полностью устранить пустоты невозможно, их образование может быть сведено к минимуму с помощью системного подхода, основанного на выявлении факторов, задействованных в образовании пустот и его снижении. В приводимом в данной статье исследовании было показано положительное влияние следующих факторов с достижением целевых уровней образования пустот: • Изменение состава для минимизации выделения летучих соединений в течение той части профиля оплавления, когда припой расплавлен • Оптимизация состава для снижения поверхностного натяжения припоя • Максимизация возможности выхода пустот из расплавленного припоя за счет увеличения времени нахождения выше ликвидуса • Применение вакуума, когда припой расплавлен Попутно было подтверждено положительное влияние азотной атмосферы.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы хотели бы выразить благодарность г-ну Митсухиро Кавахара (Mitsuhiro Kawahara), отвечавшему за разработку состава паяльной пасты с малым образованием пустот, за его работу и за проведение экспериментов, представленных в данной статье.


СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

  1. http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060013420_2006014337.pdf
  2. IPC-A-610 «Acceptability of Electronic Assemblies», IPC-Association Connecting Electronic Industries, Bannockburn, IL 60015, USA: Article 5.2.2
  3. IPC-A-610, «Acceptability of Electronic Assemblies», IPC-Association Connecting Electronic Industries, Bannockburn, IL 60015, USA: Article 8.2.12.4
  4. JIS C 61191-6 «Printed board assemblies-Part 6. Evaluation of criteria for voids in soldered joints of BGA and LGA and measurement methods. Japanese Standards Association, 4-1-24 Akasaka Minato-ku, Tokyo, Japan
  5. D. Herron, Y. Liu, and N-C Lee, «Voiding Control at QFN Assembly» Proceedings of the Pan Pacific Microelectronics Symposium, 2011.
  6. Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration, Investigation Report FB413/IF2005.405/2005-365, «Determination of the Properties of Liquid Solders during Wave and Selective Soldering».
  7. M. Miyazaki, M. Mizutani, T, Takemoto, and A. Matsunawa., «Conditions for the Measurement of Surface Tension of Solders with a Wetting Balance Tester», Trans. JWRI, Vol. 26 (1977), No.1, pp 81-84.
  8. Rhesca Solder Checker SAT-500.
  9. «Nihon Superior lead-free solder alloy Sn0.7Cu0.05Ni+Ge. US Patent No. 6180055.
  10. Eightech Tectron Co. Ltd Vacuum Reflow Oven Model RSV12M-612-WD.
  11. T. Ventura, C.M. Gourlay, K. Nogita, T. Nishimura, M. Rappaz, A.K. Dahle, «The influence of 0-0.1 wt.% Ni on the microstructure and fluidity length of Sn-0.7wt%Cu-xNi», Journal of Electronic Materials, 37, 1 (2008) 32-39.

14 июня 2017, Санкт-Петербург

Практическая конференция
«Сборочно-монтажное оборудование.
Технологии и практические решения»

Вернуться на сайт Подробнее