Lutowanie ultraprecyzyjne

W technologii ultraprecyzyjnego lutowania wykorzystuje się pasty lutownicze 5 (15-25μm), typu 6 (5-15μm), a nawet typu 7 (2-11μm). Na jednym końcu skali ultraminiaturowej znajdują się komponenty QFN, μBGA i komponenty 01005. Na drugim, komponenty tak miniaturowe, iż wymagają drukowania apertur o wielkości zaledwie 55μm.

Technologia lutowania ultraminiaturowego ma kluczowe znaczenie dla integracji pakietów Systemi-n-Package (SiP), umożliwiając funkcjonowanie wielu układów scalonych na ograniczonej przestrzeni. Jest ona również niezbędna w procesie mocowania matryc w produkcji półprzewodników, zapewniając połączenia o dużej gęstości w procesorach czy pamięciach. Ponadto technologia ta jest niezbędna w produkcji wyświetlaczy mini i microLED, oferując zwiększoną rozdzielczość i dokładność kolorów elektroniki użytkowej.

Standardy lutowania ultraprecyzyjnego

Standardy lutowania są ustalane przez organizacje takie jak przykładowo IPC (Institute for Printed Circuits). Standardy te zapewniają spójność, niezawodność i innowacyjność w tej dziedzinie, niezbędne w miarę zmniejszania się rozmiarów komponentów i wzrostu złożoności zespołów elektronicznych.

Norma IPC J-STD-001, znana jako ‘Wymagania dla lutowanych zespołów elektrycznych i elektronicznych’, określa materiały, metody i kryteria weryfikacji dla wysokiej jakości lutowanych połączeń, w tym procesy lutowania ołowiowego i bezołowiowego. Kolejna norma, IPC J-STD-005, odnosi się do ‘Wymagań dla past lutowniczych’, skupiając się na kwalifikacji i charakterystyce pasty lutowniczej. Norma ta wspomina również o metodach testowania i kryteriach dotyczących zawartości metalu, lepkości, opadu, kulki lutowniczej, lepkości i zwilżania past lutowniczych. Istnieje jednak jeszcze szereg pytań, dotyczących lutowania ultraprecyzyjnego, na które nie znajdujemy jeszcze odpowiedzi w normach:

• metody aplikacji nowszych past lutowniczych, o mniejszych rozmiarach kulek

• Optymalne profile reflow dla komponentów o ultradrobnym rozstawie wyprowadzeń

• Normy oceny niezawodności połączeń w zespołach o dużej gęstości

• Specyfikacje dotyczące rozkładu wielkości cząstek dla past lutowniczych typu 8, 9 i 10

• Wytyczne dotyczące AOI w przypadku ultraminiaturowych komponentów

Unikalne wymagania dotyczące budowy past dla ultraprecyzyjnego lutowania (tj. past ultrafine)

Komponowanie past lutowniczych ultrafine wiąże się z rozwiązywaniem wyzwań charakterystycznych dla zespołów ultraminiaturowych. Innowacje w zakresie chemii topnika mają na celu poprawę zwilżalności, zmniejszenie utleniania i redukcję pustek, podczas gdy zmiany zawartości poszczególnych metali są wprowadzane w celu zapewnienia odpowiedniej objętości lutu bez uszczerbku dla możliwości drukowania i lutowanie rozpływowego małych depozytów.

Krytycznie ważnym wyzwaniem jest minimalizacja procesu utleniania się powierzchni kulek, ponieważ wpływa to bezpośrednio na lutowalność i niezawodność połączeń. Kluczową cechą pasty lutowniczej jest to, że im mniejszy rozmiar kulek, tym większa skłonność do utleniania. Dzieje się tak, ponieważ im drobniejszy jest rozmiar cząstek, tym większa jest całkowita powierzchnia stopu na jednostkę objętości/masy pasty. Zależność ta wynika bezpośrednio z matematycznego związku między powierzchnią a objętością kulek. Za każdym razem, gdy średnica kuli jest zmniejszona o połowę, stosunek powierzchni do masy dokładnie się podwaja (Rysunek 2).

Dlatego w przypadku ultradrobnych past lutowniczych, w celu redukcji procesu utleniania, zachodzi potrzeba modyfikacji składników topnika. Ponadto wszystkie operacje, od produkcji i przechowywania past ultradrobnych, po ich stosowanie w drukowaniu i reflow, wymaga użycia azotu w celu zapewnienia obojętnego środowiska.

Zawartość metali to kolejna cecha past lutowniczych, którą należy dostosować w celu uzyskania optymalnej wydajności. Dzieje się tak, ponieważ mniejsze rozmiary kulek lutowniczych powodują, że są one bardziej ściśnięte. Obecnie producenci past ultrafine wciąż analizują, jaka zawartość metali jest najkorzystniejsza.

Kolejny czynnik, który należy wziąć pod uwagę, to rozkład wielkości cząstek. Organizacje takie jak IPC określają, jaki procent wielkości cząstek musi mieścić się w zakresie nominalnym, a także jaki procent może być powyżej/poniżej nominału. Bazując na wynikach eksperymentów, prowadzonych przez producentów past z dopuszczalnymi zmianami rozkładu cząstek, należy opracować nowe specyfikacje dla past typu 8, 9 i 10.

Na przykład IPC J-STD-005 określa, że ​​w przypadku proszku typu 6 co najmniej 80% cząstek musi mieścić się między 5 a 15 µm średnicy, podczas gdy maksymalnie 10% może być mniejsze, do 10% może mieścić się w przedziale pomiędzy 15 a 25 µm, a nie więcej niż 0,5% może być większe niż 25 µm. Daje to możliwość porównania wydajności pasty typu 6, która zbliża się do tych limitów, z typem 6, którego rozkład cząstek jest bliżej idealnego i ponad >95% kulek mieście się w zakresie od 5 do 15 µm. Można przeprowadzić eksperymenty w celu ustalenia, czy dodatkowe 10% drobnych cząstek poprawia wydajność, czy ją zmniejsza. Na przykład duży odsetek drobnych cząstek zwiększy upakowanie kulek w sposób, który promuje wydajność, ale może się też zdarzyć, że spowoduje to łatwiejsze wypychanie pasty spod szablonu podczas drukowania.

Lepki topnik

Podobnie jak wszystkie inne topniki, tzw. lepki topnik jest przeznaczony do poprawy lutowalności poprzez przygotowanie powierzchni. Jednak dzięki bardziej lepkiej konsystencji pomaga on również zwiększyć przyczepność, aby utrzymać nieruchomo małe komponenty podczas lutowania rozpływowego.

Lepki topnik jest szczególnie pomocny w procesach obejmujących komponenty o drobnym skoku, komponenty w obudowach BGA (Ball Grid Array) czy po prostu o bardzo drobnych rozmiarach, w których ryzyko mostkowania lub niewystarczającego depozytu pasty jest zwiększone ze względu na wąskie odstępy między wyprowadzeniami.

Bumping Paste

Bumping Paste to specjalistyczna pasta lutownicza, szeroko stosowana w produkcji układów półprzewodnikowych w procesie znanym jako ‘bumping’. Proces ten polega na tworzeniu maleńkich wypukłości lutowniczych na obudowie układu scalonego lub na podłożu, które są niezbędne do późniejszego montażu typu flip-chip, w którym matryca półprzewodnikowa jest montowana do góry nogami na podłożu lub na płytce drukowanej.

Dostosowanie procesu lutowania do ultraprecyzyjnych aplikacji 

Jeśli chodzi o montaż ultraprecyzyjny, typowe defekty lutowania, takie jak mostkowanie, pustki i graping, nie tylko zyskują na znaczeniu, ale także są trudniejsze do złagodzenia. Ze względu na występowanie wielu precyzyjnych połączeń i miniaturowych komponentów, możliwości wystąpienia defektów są większe. Jednak ze względu na miniaturowy rozmiar apertur, poprawny proces drukowania staje się coraz trudniejszy do prawidłowego wykonania.

Rozważając przykład mostkowania. Jeśli komponenty rozmieszczone są bardzo gęsto, oznacza to, że również depozyty pasty znajdują się bardzo blisko siebie. Nawet niewielkie ilości dodatkowego lutowia lub niewielkie odchylenia umiejscowienia na padach mogą skutkować utworzeniem mostka. Generalnie: im więcej depozytów na podłożu, tym więcej możliwości utworzenia się mostka. Ponadto, jeśli występuje słabe uszczelnienie szablonu, mniejszy rozmiar cząstek pasty sprawia, że ​​znacznie łatwiej jest wypchnąć część lutu poza obszar wydruku. Dlatego ultraprecyzyjne aplikacje wymagają wysokiego stopnia precyzji i kontroli.

Przejście na drukowanie pastą lutowniczą ultracienkich warstw wymaga znacznych modyfikacji w procesie drukowania. Obejmuje to dokładniejszą kontrolę prędkości rakli, jej nacisku a także specyfikacji technicznych szablonów.

Modyfikacje szablonów: grubość, konstrukcja i współczynniki powierzchni

Aby uzyskać właściwy współczynnik apertur, szablony do drukowania tak małych depozytów mogą wymagać zmniejszenia ich grubości do 30 μm lub nawet mniejszej. Współczynnik powierzchni apertury w tym zakresie może wymagać wyższych wartości niż powszechnie przyjmowane 0,66. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, gdy na substracie znajduje się maska ​​lutownicza, ponieważ w tej skali jej grubość staje się istotną zmienną. Projekty apertur muszą również ewoluować od tradycyjnych kształtów do projektów ‘squircle’ (kwadrat z zaokrąglonymi rogami), zmniejszających efekt gromadzenia się cząstek pasty w narożnikach i zwiększając jednocześnie wolumen pasty przenoszonej na podłoże. Materiały stosowane do produkcji folii szablonowych muszą również gwarantować gładką ścianę po procesie cięcia laserowego i minimalne wahania grubości, tak aby zachować minimalną grubość i płaski kształt depozytu.

Do uzyskanie wymaganych efektów ultraprecyzyjnego drukowania bardzo często niezbędne jest stosowanie nanopowłok. Powłoki te poprawiają transfer, jednak nawet ich grubość może powodować problemy z ucieczką lutowia spod szablonu, co prowadzi do tworzenia się nierównych depozytów.

Ustawienia rakli i drukowania

Podstawowe ustawienia drukarki, w tym prędkość rakli, nacisk i inne zmienne, można ustalić za pomocą standardowego testu drukowania DOE. Ważne jest również użycie specjalnego oprzyrządowania lub oprzyrządowania próżniowego do podparcia podłoża. Wiele zastosowań ma bardzo cienkie podłoża, a wszelkie odchylenia od współpłaszczyznowości mogą prowadzić do problemów. Na przykład odchylenie wysokości podłoża o 10 µm (przybliżona średnica białej krwinki) może zmniejszyć objętość pasty lutowniczej drukowanej przez 30 µm o ponad 30%.

Kładzenie komponentów i lutowanie rozpływowe

Układy z ultraminiaturowymi komponentami napotykają liczne wyzwania w zakresie ich kładzenia i procesu lutowania rozpływowego, co wymaga innowacyjnego podejścia do problemów związanych z wyrównaniem i profilem termicznym. Ponownie, ze względu na małą skalę, potrzeba jedynie minimalnego odchylenia aby rozmieszczenie było wadliwe. Oprócz samych rozmiarów komponentów, trudności potęguje również ich zwiększona liczba.

Podczas reflow istnieje możliwość przemieszczania się komponentów. Ze względu na niewielkie rozmiary komponentów, napięcie powierzchniowe stopionego lutu jest wystarczające, aby spowodować ich przemieszczenie. Zalecany jest krótki (ok. 3 minutowy etap RTS (ramp-to-spike), a czas powyżej likwidusa powinien wynosić 45–60 sekund (Rysunek 3). Być może jednak najbardziej krytycznym wymogiem jest stosowanie azotu w procesie reflow w celu zminimalizowania utleniania. Przy stosowaniu past typu 6 jest to nie tyle zalecane, co wręcz obowiązkowe.

Metody i wymagania inspekcji

Należy również wdrożyć zaawansowane techniki inspekcji pasty lutowniczej (SPI). Często konieczne jest stosowanie najlepszego sprzętu, aby dokładnie ocenić bardzo małe depozyty. Zmienność objętości depozytu jest większa w przypadku ultraprecyzyjnych aplikacji. W przypadku zbyt małego lub zbyt dużego depozytu, ten drugi przypadek wydaje się korzystniejszy, należy bowiem pamiętać, że depozyt wynoszący 200% lub nawet do 400+% objętości teoretycznej może nadal skutkować dobrze uformowanymi połączeniami lutowniczymi. W przeciwnym jednak razie, niedostateczna objętość depozytu skutkuje wadliwym lutowaniem.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!