Geavanceerde soldeerpasta zorgt voor betere elektronica

De assemblage van oppervlaktemontagetechnologie hangt meer van één materiaal af dan de meeste ingenieurs willen toegeven:soldeerpasta. De samenstelling-een suspensie van microscopisch kleine metaaldeeltjes in beweging-bepaalt of een productierun van $ 50.000 op tijd wordt verzonden of wordt gesloopt. Recente formuleringen hebben de grenzen verlegd van wat haalbaar is in goede- pitch-toepassingen, en de industrie besteedt eindelijk aandacht.

Het gaat om de ontwikkeling van soldeerpasta: het haalt de krantenkoppen niet. Niemand buiten de industrie raakt enthousiast over deeltjesmorfologie of fluxactiveringstemperaturen. Maar de afgelopen drie jaar hebben materiaalwetenschappers de grondbeginselen van hoe pasta zich gedraagt tijdens reflow opnieuw geformuleerd. De veranderingen zijn subtiel totdat je naar de opbrengstgegevens kijkt.

Type 5- en Type 6-poeders-we hebben het over respectievelijk 15-25 micron en 5-15 micron deeltjesgroottes - zijn van speciale toepassingen overgegaan naar reguliere productie. Vijf jaar geleden wilden de meeste contractfabrikanten Type 6 niet aanraken. Te kieskeurig, zeiden ze. Het afdrukvenster was te smal.

Dat is veranderd.

De verbeteringen concentreren zich rond drie gebieden, hoewel het oneerlijk zou zijn om ze even belangrijk te noemen. Reologische stabiliteit is het belangrijkst.

Een pasta die om 9.00 uur consistent wordt afgedrukt, zou om 16.00 uur identiek moeten afdrukken. Klinkt voor de hand liggend. In de praktijk zouden oudere formuleringen dikker worden naarmate de dag vorderde, vooral in faciliteiten zonder strikte luchtvochtigheidscontrole. De machinisten compenseerden dit door de dweildruk aan te passen, waardoor er een eigen variabiliteit ontstond. De nieuwere generatie fluxvehikels-vooral de synthetische harssystemen-behouden de viscositeit binnen een veel strakkere bandbreedte. We hebben gezien dat faciliteiten hun print-gerelateerde defectpercentages met 40% hebben zien dalen, simpelweg door van formulering te wisselen. Geen uitrustingswijzigingen. Geen procesaanpassingen. Gewoon beter plakken.

De tweede factor is de bevochtigingsprestatie op vervuilde oppervlakken. En voordat iemand beweert dat platen in theorie-zeker niet besmet mogen zijn. Echte- OSP-afwerkingen oxideren. ENIG-pads ontwikkelen tijdens opslag organische films. Halogeen-vrije substraten ontgassen tijdens reflow. Een robuust fluxsysteem kan deze omstandigheden aan zonder dat iedereen stroomopwaarts perfectie hoeft te bereiken.

Mictiegedrag is de derde overweging. Daarover later meer.

Miniaturisatie heeft de pastatechnologie harder gestimuleerd dan welke andere factor dan ook. Wanneer uw onderdeel 0,6 mm x 0,3 mm meet en de pad misschien 0,25 mm breed is, brengt u ongeveer 0,02 kubieke millimeter pasta aan. Bij die volumes doet alles er toe.

De deeltjesgrootteverdeling wordt van cruciaal belang. Eén enkel te groot deeltje-zeg 45 micron in een Type 5-formulering-kan brugvorming of onvoldoende afzetting veroorzaken. Gerenommeerde fabrikanten controleren hun poederproductie om deze uitschieters te elimineren, maar niet iedereen doet dat. Het kostenverschil tussen streng gecontroleerd poeder en standaardmateriaal is aanzienlijk. Sommige monteurs leren deze les duur.

De stenciltechnologie is parallel geëvolueerd. Nano-coatings op laser-gesneden roestvrijstalen openingen verbeteren de pasta-afgifte dramatisch. De coating is hydrofoob. De pasta blijft tijdens de scheidingsfase niet aan de wanden van de openingen plakken. Dit klinkt als een kleinigheid. Dat is het niet. Het vrijgeven van het diafragma bepaalt of uw afzettingshoogte 100 micron of 85 micron is, en dat verschil plant zich voort door het gehele thermische profiel.

De verschuiving naar leidende-vrije assemblage maakte alles ingewikkeld. SAC305-de dominante legering met 96,5% tin, 3% zilver, 0,5% koper-smelt bij 217-220 graden vergeleken met 183 graden voor traditioneel eutectisch tin-lood. Dat verschil van 35 graden klinkt niet zo veel, totdat je bedenkt dat het hele bord de liquidustemperatuur moet bereiken zonder temperatuurgevoelige componenten te beschadigen of de flux te verbranden.

Moderne pastaformuleringen hebben het werkbare venster vergroot. Betere fluxvoertuigen behouden hun activiteit over een breder temperatuurbereik, wat betekent dat het reflow-profiel niet op exacte tijdstippen de exacte temperaturen hoeft te bereiken. De tolerantie is verbeterd van misschien ±5 graden naar ±10 graden of meer met hoogwaardige materialen.

Sommige faciliteiten zijn daardoor lui geworden met profileren. Dat is een vergissing. De pasta is vergevingsgezinder, niet oneindig.

Hier zal ik meer tijd aan besteden dan het onderwerp waarschijnlijk rechtvaardigt, omdat leegstand procesingenieurs gek maakt en de oorzaken niet altijd intuïtief zijn.

Er ontstaan holtes wanneer vluchtige fluxdeeltjes vast komen te zitten in stollend soldeer. Tijdens het afkoelen ontsnappen de gassen niet snel genoeg, waardoor er belletjes ontstaan. Kleine ruimtes-minder dan 25% van het gewrichtsoppervlak-hebben over het algemeen geen invloed op de betrouwbaarheid. IPC-7095 beschrijft de criteria. Boven die drempel verzwakt u de mechanische en thermische verbinding.

Onderste-beëindigingscomponenten-QFN's, DFN's, LGA's-zijn beruchte leegtegeneratoren. Het grote centrale grondkussen vangt de vluchtige stoffen eronder op. De pasta smelt, de flux wordt geactiveerd en er komt gas vrij, maar het onderdeel werkt als een deksel. Het gas kan nergens anders heen dan in het soldeer.

Er zijn drie factoren die het plassen beheersen, en ze werken op een onvoorspelbare manier op elkaar in:

Pasta chemie. Geen enkele-schone formulering heeft de neiging meer te lekken dan water-oplosbare typen, omdat het residu de vluchtige stoffen niet op dezelfde manier absorbeert. Sommige no-schone pasta's zijn speciaal ontworpen voor weinig urineverlies; anderen niet. De datasheets maken dit niet altijd duidelijk.

Reflow-sfeer. Stikstof vermindert het plassen in vergelijking met luchtreflow. Het mechanisme is nog niet helemaal duidelijk-sommige onderzoekers schrijven het toe aan verminderde oxidatie waardoor een betere bevochtiging mogelijk is, anderen wijzen op een gewijzigde fluxontledingskinetiek. Hoe dan ook, faciliteiten met luchtreflow zien doorgaans 10-20% meer lege ruimten, soms zelfs meer.

Sjabloonontwerp. Dit is waar de meeste mensen eerst naar kijken, en eerlijk gezegd is dit vaak de verkeerde plek om te beginnen. Ja, u kunt het pastavolume verminderen om urineverlies te beperken. Ja, u kunt op grote openingen arceringspatronen of ruiten gebruiken om vluchtwegen te creëren. Maar deze aanpassingen verminderen het soldeervolume, wat onvoldoendes kan veroorzaken of de thermische dissipatie kan verminderen. De optimalisatie is niet eenvoudig.

Wat echt werkt: vacuümreflow. Systemen die vacuüm trekken tijdens piektemperaturen laten opgesloten gassen ontsnappen voordat het soldeer stolt. Het resultaat is een dramatische-leegteniveaudaling tot bijna nul. De apparatuurkosten zijn aanzienlijk. Voor toepassingen met hoge-betrouwbaarheid is dit gerechtvaardigd.

Ik moet toegeven dat dit defect mij verbijsterde toen ik het voor het eerst tegenkwam. Je hebt een BGA, perfect geplaatst. De soldeerpasta print schoon. Het reflow-profiel ziet er leerboek uit. Post-reflow röntgen-ray onthult enkele ballen die er... verkeerd uitzien. De pasta-afzetting en de componentbal smolten beide, maar vloeiden niet samen. Ze raken elkaar zonder daadwerkelijk samen te komen, zoals een hoofd dat op een kussen rust. Vandaar de naam.

De hoofdoorzaak is een timing-mismatch. Het kromtrekken van componenten tijdens het terugvloeien tilt bepaalde kogels precies op het verkeerde moment weg van de pasta-afzetting. De pasta stolt terwijl de bal omhoog wordt gebracht. Wanneer de bal tijdens het afkoelen weer naar beneden komt, komt hij in contact met de toch al-vaste pasta, maar kan hij geen metallurgische binding vormen.

Geavanceerd plakken lost kromtrekken niet op-dat is een probleem op componentniveau-. Maar formuleringen met langere open tijden en latere fluxactivering kunnen de pasta gesmolten houden totdat de component weer bezinkt. Het is een oplossing, geen oplossing. Echte oplossingen omvatten de kwalificatie van componentenleveranciers en strategische plaatsing tijdens de assemblagevolgorde.

Op elk specificatieblad staat de houdbaarheid vermeld. Typisch 6-12 maanden gekoeld op 0-10 graden. Wat ze niet benadrukken is de schade als gevolg van onjuiste omgang tussen de koelkast en de stencilprinter.

Koude pasta kan niet worden afgedrukt. Het moet de omgevingstemperatuur-meestal 4-6 uur vóór gebruik bereiken. Trek het er vroeg uit en de viscositeit is verkeerd. Er vormt zich condens op het oppervlak van de pot en mogelijk ook op de pasta zelf. Vochtopname verandert de reologie op manieren die pas duidelijk worden als je uren later defecten opspoort.

Sommige faciliteiten hebben thermokoppels ingebed in pastapotten om de werkelijke temperatuur te volgen. Overdreven? Misschien. Maar ze hadden geen last meer van mysterieuze opbrengstcrashes op maandagochtend.

Het andere hanteringsprobleem is het laden van metaal. Soldeerpasta bestaat voor 88-92% uit metaal, afhankelijk van de formulering. Deze deeltjes bezinken tijdens opslag. Als iemand de pot niet goed rolt voordat hij de printer laadt-en ik bedoel goed, niet vijf snelle rotaties-zullen de eerste afdrukken flux-zwaar zijn en de laatste afdrukken zwaar soldeerwerk. Beide zijn gebreken.

Ik heb dit voor het einde bewaard omdat jetting nog steeds een niche is, maar de technologie snel volwassen wordt. In plaats van via een stencil te printen, plaatsen straalsystemen individuele puntjes pasta met een snelheid van meer dan een miljoen dots per uur.

De voordelen liggen voor de hand in omgevingen met een hoge-mix. Geen stencil betekent geen omsteltijd. Nieuw product? Upload het programma. Verschillend pastavolume op specifieke pads? Triviaal. Stapstencils en meerdere prints worden overbodig.

De pastavereisten zijn verschillend. Jetted pasta heeft een lagere viscositeit en een fijnere deeltjesgrootte nodig dan gedrukte pasta. De meeste fabrikanten bieden nu jetting-specifieke formuleringen aan. Of jetting het stencilprinten voor reguliere productie zal vervangen, is onduidelijk.-De huidige doorvoercijfers geven de voorkeur aan stencils voor -enkelvoudige- productlijnen met een hoog volume. Maar het kruispunt nadert.

Materiële ontwikkeling neigt eerder naar evolutionaire dan naar revolutionaire verandering. De komende jaren zullen waarschijnlijk verfijningen met zich meebrengen: betere holteprestaties, bredere procesvensters, langere open tijden voordat de pasta op het stencil droogt. Nuttige verbeteringen, geen transformatieve.

De uitzondering kan solderen bij lage- temperaturen zijn. Legeringen op basis van bismut- die rond de 140 graden smelten, zouden de assemblage van temperatuur-gevoelige producten dramatisch vereenvoudigen. De betrouwbaarheidsproblemen zijn nog niet volledig opgelost-bismuth wordt onder bepaalde omstandigheden bros-maar het onderzoek is nog gaande. Verschillende grote pastafabrikanten hebben lage-producten in aanmerking.

Voorlopig betekent geavanceerde pasta minder defecten, grotere procesmarges en de mogelijkheid om componenten te assembleren die vijf jaar geleden onpraktisch zouden zijn geweest. Dat is meer waard dan ingenieurs doorgaans erkennen.

De elektronica-industrie heeft de neiging zich te concentreren op dramatische aankondigingen-nieuwe chiparchitecturen, baanbrekende materialen en revolutionaire processen. Ondertussen maken stapsgewijze verbeteringen aan de soldeerpasta stilletjes elke opeenvolgende generatie miniaturisatie mogelijk. De technologie krijgt zelden krediet in verhouding tot de impact ervan.