Fortschrittliche Lotpaste sorgt für bessere Elektronik

Die Montage der Oberflächenmontagetechnologie hängt mehr von einem Material ab, als die meisten Ingenieure zugeben möchten:Lötpaste. Die Verbindung-eine Suspension aus mikroskopisch kleinen Metallpartikeln im Fluss-bestimmt, ob eine 50.000-Dollar-Produktion pünktlich versendet wird oder verschrottet wird. Jüngste Formulierungen haben die Grenzen dessen, was bei Fine-{6}Pitch-Anwendungen erreichbar ist, verschoben, und die Branche achtet endlich darauf.

Das Besondere an der Entwicklung von Lotpasten ist, dass sie keine Schlagzeilen macht. Niemand außerhalb der Branche ist von der Partikelmorphologie oder den Flussaktivierungstemperaturen begeistert. Aber in den letzten drei Jahren haben Materialwissenschaftler die Grundlagen für das Verhalten von Pasten beim Reflow neu formuliert. Die Änderungen sind subtil, bis man sich die Ertragsdaten ansieht.

Pulver vom Typ 5 und Typ 6-wir sprechen hier von Partikelgrößen von 15-25 Mikrometer bzw. 5–15 Mikrometer – sind von Spezialanwendungen in die Massenproduktion übergegangen. Vor fünf Jahren hätten die meisten Auftragsfertiger Typ 6 nicht angerührt. Zu wählerisch, sagten sie. Das Druckfenster war zu eng.

Das hat sich geändert.

Die Verbesserungen konzentrieren sich auf drei Bereiche, obwohl es unehrlich wäre, sie als gleich wichtig zu bezeichnen. Am wichtigsten ist die rheologische Stabilität.

Eine Paste, die konstant um 9 Uhr morgens druckt, sollte auch um 16 Uhr identisch gedruckt werden. Klingt offensichtlich. In der Praxis würden ältere Formulierungen im Laufe des Tages dicker, insbesondere in Einrichtungen ohne strenge Feuchtigkeitskontrolle. Die Bediener kompensierten dies, indem sie den Rakeldruck anpassten, was zu einer eigenen Variabilität führte. Die neuere Generation von Flussmitteln-insbesondere die Kunstharzsysteme-halten die Viskosität in einem viel engeren Bereich. Wir haben gesehen, dass Betriebe ihre Fehlerquote im Zusammenhang mit Druck- allein durch den Wechsel der Rezepturen um 40 % senken konnten. Keine Ausstattungsänderungen. Keine Prozessanpassungen. Einfach besser einfügen.

Der zweite Faktor ist die Benetzungsleistung auf kontaminierten Oberflächen. Und bevor jemand argumentiert, dass Boards nicht kontaminiert sein sollten-sicher, theoretisch. Echte-OSP-Oberflächen oxidieren. ENIG-Pads entwickeln während der Lagerung organische Filme. Halogen-freie Substrate entgasen beim Reflow. Ein robustes Fluxsystem bewältigt diese Bedingungen, ohne dass alle vorgeschalteten Personen Perfektion erreichen müssen.

Das Entleerungsverhalten ist die dritte Überlegung. Mehr dazu später.

Die Miniaturisierung hat die Pastentechnologie stärker vorangetrieben als jeder andere Faktor. Wenn Ihr Bauteil 0,6 mm x 0,3 mm misst und das Pad vielleicht 0,25 mm breit ist, tragen Sie ungefähr 0,02 Kubikmillimeter Paste auf. Bei diesen Lautstärken ist alles wichtig.

Die Verteilung der Partikelgröße wird entscheidend. Ein einzelner übergroßer Partikel -beispielsweise 45 Mikrometer in einer Typ-5-Formulierung-kann zu Brückenbildung oder unzureichenden Ablagerungen führen. Seriöse Hersteller kontrollieren ihre Pulverproduktion, um diese Ausreißer zu eliminieren, aber nicht jeder tut dies. Der Kostenunterschied zwischen streng kontrolliertem Pulver und Standardmaterial ist erheblich. Manche Monteure lernen diese Lektion teuer.

Parallel dazu hat sich die Schablonentechnologie weiterentwickelt. Nano-Beschichtungen auf lasergeschnittenen Edelstahlöffnungen verbessern die Pastenabgabe erheblich. Die Beschichtung ist hydrophob-Paste haftet während der Trennphase nicht an den Öffnungswänden. Das hört sich nach einer Kleinigkeit an. Das ist es nicht. Die Aperturfreigabe bestimmt, ob Ihre Auftragshöhe 100 Mikrometer oder 85 Mikrometer beträgt, und dieser Unterschied breitet sich über das gesamte thermische Profil aus.

Die Umstellung auf blei-freie Montage machte alles komplizierter. SAC305-die vorherrschende Legierung mit 96,5 % Zinn, 3 % Silber, 0,5 % Kupfer-schmilzt bei 217-220 Grad im Vergleich zu 183 Grad für herkömmliches eutektisches Zinn-Blei. Dieser Unterschied von 35 Grad hört sich nicht nach viel an, bis man bedenkt, dass die gesamte Platine die Liquidustemperatur erreichen muss, ohne temperaturempfindliche Komponenten zu beschädigen oder das Flussmittel zu verbrennen.

Moderne Pastenformulierungen haben das Verarbeitungsfenster erweitert. Bessere Flussmittel behalten ihre Aktivität über breitere Temperaturbereiche hinweg bei, was bedeutet, dass das Reflow-Profil nicht zu genau bestimmten Zeiten exakte Temperaturen erreichen muss. Die Toleranz hat sich bei hochwertigen Materialien von vielleicht ±5 Grad auf ±10 Grad oder mehr verbessert.

Einige Einrichtungen sind daher bei der Profilerstellung nachlässig geworden. Das ist ein Fehler. Die Paste verzeiht mehr, nicht unendlich.

Hier werde ich mehr Zeit aufwenden, als das Thema wahrscheinlich rechtfertigt, denn Entleerung treibt Prozessingenieure in den Wahnsinn und die Ursachen sind nicht immer intuitiv.

Es entstehen Hohlräume, wenn flüchtige Flussmittelbestandteile im erstarrenden Lot eingeschlossen werden. Beim Abkühlen entweichen die Gase nicht schnell genug und es bilden sich Blasen. Kleine Hohlräume-unter 25 % der Verbindungsfläche-haben im Allgemeinen keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit. IPC-7095 legt die Kriterien fest. Oberhalb dieser Schwelle schwächen Sie die mechanische und thermische Verbindung.

Unten-Abschlusskomponenten-QFNs, DFNs, LGAs-sind berüchtigte Hohlraumgeneratoren. Das große zentrale Erdungspolster fängt darunter flüchtige Stoffe ein. Die Paste schmilzt, das Flussmittel wird aktiviert und gibt Gas frei, aber die Komponente wirkt wie ein Deckel. Das Gas kann nirgendwohin gelangen, außer in das Lot.

Drei Faktoren steuern die Blasenentleerung und interagieren unvorhersehbar:

Chemie einfügen. Keine-sauberen Formulierungen neigen dazu, mehr Hohlräume zu bilden als wasserlösliche-Formulierungen, da die Rückstände flüchtige Stoffe nicht auf die gleiche Weise absorbieren. Einige No{4}}Clean-Pasten wurden speziell für eine geringe Blasenbildung entwickelt; andere nicht. Die Datenblätter machen dies nicht immer deutlich.

Reflow-Atmosphäre. Stickstoff reduziert die Blasenbildung im Vergleich zum Luft-Reflow. Der Mechanismus ist noch nicht vollständig geklärt-Einige Forscher führen ihn auf eine verringerte Oxidation zurück, die eine bessere Benetzung ermöglicht, andere weisen auf eine veränderte Zersetzungskinetik des Flussmittels hin. Ungeachtet dessen kommt es in Einrichtungen, in denen Luft-Reflow betrieben wird, in der Regel um 10–20 % höhere Void-Werte, manchmal auch mehr.

Schablonendesign. Hier schauen die meisten Menschen zuerst hin, und ehrlich gesagt ist es oft der falsche Ausgangspunkt. Ja, Sie können das Pastenvolumen reduzieren, um die Blasenbildung zu begrenzen. Ja, Sie können bei großen Öffnungen Kreuzschraffurmuster oder Fensterscheiben verwenden, um Fluchtwege bereitzustellen. Diese Modifikationen verringern jedoch das Lotvolumen, was zu unzureichenden Lötstellen oder einer verringerten Wärmeableitung führen kann. Die Optimierung ist nicht einfach.

Was tatsächlich funktioniert: Vakuum-Reflow. Systeme, die bei Spitzentemperaturen Vakuum erzeugen, lassen eingeschlossene Gase entweichen, bevor das Lot erstarrt. Das Ergebnis ist ein dramatischer -Abfall des Hohlraumgehalts auf nahezu Null. Der Ausrüstungsaufwand ist erheblich. Für Anwendungen mit hoher -Zuverlässigkeit ist dies gerechtfertigt.

Ich gebe zu, dieser Defekt hat mich verwirrt, als ich ihn zum ersten Mal sah. Sie haben einen BGA, perfekt platziert. Die Lotpaste lässt sich sauber drucken. Das Reflow-Profil sieht lehrreich aus. Die Post-Reflow-Röntgenaufnahme-zeigt einige Kugeln, die ... falsch aussehen. Sowohl die Pastenablagerung als auch die Komponentenkugel schmolzen, aber sie verschmolzen nicht. Sie berühren sich, ohne sich wirklich zu verbinden, wie ein Kopf, der auf einem Kissen ruht. Daher der Name.

Die Hauptursache ist eine zeitliche Diskrepanz. Durch den Bauteilverzug während des Reflow-Lötens werden bestimmte Kugeln genau im falschen Moment aus der Pastenablagerung gehoben. Die Paste verfestigt sich, während die Kugel angehoben wird. Wenn die Kugel während des Abkühlens wieder nach unten fällt, berührt sie die bereits feste Paste, kann jedoch keine metallurgische Bindung eingehen.

Durch das erweiterte Einfügen wird das Problem der Verzerrung-bei der es sich um ein Problem auf Komponentenebene- handelt, nicht behoben. Aber Formulierungen mit längeren Offenzeiten und späterer Flussmittelaktivierung können die Paste geschmolzen halten, bis sich die Komponente wieder setzt. Es handelt sich um eine Problemumgehung, nicht um eine Lösung. Echte Lösungen umfassen die Qualifizierung der Komponentenlieferanten und die strategische Platzierung während der Montagereihenfolge.

In jedem Datenblatt ist die Haltbarkeitsdauer aufgeführt. Normalerweise 6-12 Monate gekühlt bei 0-10 Grad. Was sie nicht betonen, sind die Schäden durch unsachgemäße Handhabung zwischen Kühlschrank und Schablonendrucker.

Kaltpaste kann nicht gedruckt werden. Es muss -normalerweise 4-6 Stunden lang Umgebungstemperatur erreichen, bevor es verwendet werden kann. Ziehen Sie es zu früh heraus und die Viskosität ist falsch. Auf der Glasoberfläche und möglicherweise auf der Paste selbst bildet sich Kondenswasser. Die Feuchtigkeitsaufnahme verändert die Rheologie auf eine Weise, die erst Stunden später sichtbar wird, wenn Sie Fehler beheben.

In einigen Einrichtungen sind Thermoelemente in Pastengläser eingebettet, um die tatsächliche Temperatur zu überwachen. Overkill? Vielleicht. Aber es gab keine mysteriösen Renditeeinbrüche am Montagmorgen mehr.

Das andere Handhabungsproblem ist die Metallbeladung. Lotpaste besteht je nach Formulierung zu 88-92 % aus Metall. Diese Partikel setzen sich während der Lagerung ab. Wenn jemand den Behälter nicht richtig rollt, bevor er den Drucker bestückt-und ich meine richtig, nicht fünf schnelle Umdrehungen-werden die ersten Drucke viel Flussmittel enthalten-und die letzten Drucke werden viel Lot enthalten. Beides sind Mängel.

Ich habe das bis zum Ende aufgehoben, weil Jetting immer noch eine Nische ist, aber die Technologie schnell ausgereift ist. Anstatt durch eine Schablone zu drucken, tragen Düsensysteme einzelne Pastenpunkte mit Geschwindigkeiten von über einer Million Punkten pro Stunde auf.

Die Vorteile liegen in High-{0}}Mix-Umgebungen auf der Hand. Keine Schablone bedeutet keine Umrüstzeit. Neues Produkt? Laden Sie das Programm hoch. Unterschiedliches Pastenvolumen auf bestimmten Pads? Trivial. Stufenschablonen und Mehrfachdrucke werden überflüssig.

Die Pastenanforderungen sind unterschiedlich. Gespritzte Paste benötigt eine geringere Viskosität und eine feinere Partikelgröße als gedruckte Paste. Mittlerweile bieten die meisten Hersteller strahlspezifische Formulierungen an. Ob das Jetting den Schablonendruck für die Mainstream-Produktion ersetzen wird, ist unklar. -Die aktuellen Durchsatzzahlen begünstigen Schablonen für Einzelproduktlinien mit hohem{5}}Volumen-. Aber der Übergangspunkt naht.

Die materielle Entwicklung tendiert eher zu evolutionären als zu revolutionären Veränderungen. Die nächsten Jahre werden wahrscheinlich Verbesserungen bringen: bessere Hohlraumleistung, breitere Prozessfenster, längere offene Zeiten, bevor die Paste auf der Schablone trocknet. Nützliche Verbesserungen, keine transformativen.

Die Ausnahme könnte das Löten bei niedrigen{0}}Temperaturen sein. Legierungen auf Wismutbasis, die bei etwa 140 Grad schmelzen, würden die Montage temperaturempfindlicher Produkte erheblich vereinfachen. Die Zuverlässigkeitsbedenken sind noch nicht vollständig ausgeräumt -Wismut versprödet unter bestimmten Bedingungen-, aber die Forschung ist noch nicht abgeschlossen. Mehrere große Pastenhersteller haben Niedrigtemperaturprodukte in der Qualifizierung.

Derzeit bedeutet fortschrittliche Paste weniger Defekte, größere Prozessspielräume und die Möglichkeit, Komponenten zusammenzubauen, die vor fünf Jahren unpraktisch gewesen wären. Das ist mehr wert, als Ingenieure normalerweise anerkennen.

Die Elektronikindustrie konzentriert sich in der Regel auf dramatische Ankündigungen-neue Chiparchitekturen, bahnbrechende Materialien und revolutionäre Prozesse. In der Zwischenzeit ermöglichen schrittweise Verbesserungen der Lotpaste stillschweigend jede weitere Generation der Miniaturisierung. Die Technologie erhält selten Anerkennung entsprechend ihrer Wirkung.