пайка компонентов в корпусах QFN методы борьбы с пустотами

Понедельник, 25 января 2016.

пайка компонентов в корпусах QFN методы борьбы с пустотами
Разработчики электронных устройств все чаще применяют в своих изделиях микросхемы в корпусе QFN, которые имеют широкие функциональные возможности при минимальных размерах. Эти компоненты монтируются по технологии поверхностного монтажа, при этом необходимо избегать появления пустот в толще паяного соединения центральной контактной площадки микросхемы. Единственный метод, позволяющий минимизировать появление пустот, – пайка в вакуумной камере.

Микросхема в корпусе QFN имеет выводы, расположенные по периметру корпуса и заходящие под него, и находящуюся в центре корпуса большую контактную площадку, которая отводит тепло от кристалла и снижает индуктивность и сопротивление паяного соединения. Широкое распространение корпуса QFN получили из-за малых размеров (в том числе и толщины корпуса), веса, хороших тепловых и электрических характеристик, очень высокой эффективности и выгодной цены. Однако все эти преимущества может свести на нет одна важная проблема – образование пустот в паяном соединении под микросхемой.

К сожалению, особенности корпуса QFN – его малые размеры и вес в сочетании с гладкой нижней стороной – способствуют появлению браков пайки: смещения компонента, возникновению перемычек и коротких замыканий, плохого контакта и непропая. Эти виды брака хорошо известны, и способы борьбы с ними с успехом применяются на современных электронных производствах. При этом особое внимание нужно уделять наиболее сложному для диагностики и опасному виду брака – образованию пустот в паяных соединениях. Если небольшое количество пустот возникает в соединениях боковых выводов микросхем, это незначительно влияет на качество, функциональность и надежность изделия. Однако появление пустот в соединении большой центральной контактной площадки, которая, как правило, является теплоотводом кристалла, гораздо опасней. Эти пустоты могут возникнуть из-за того, что большое количество паяльной пасты ограничивает испарение летучих соединений флюса во время процесса оплавления.

Рис 1.(а) Результаты применения разных типов паяльных паст: рентгенограммы соединений, полученных без вакуумной пайки

Рис 1.(б) Результаты применения разных типов паяльных паст: рентгенограммы соединений, полученных с применением вакуумной пайки

Большее количество пустот снижает площадь контактной области, увеличивая внутреннее сопротивление и ухудшая тепловые характеристики микросхемы. Как следствие, из-за постоянного перегрева компонента падает производительность и уменьшается срок его жизни, что в итоге приводит в преждевременному выходу изделия из строя.

Рис 2.(а) Результаты применения трафаретов с различными апертурами: отпечатки пасты

Рис 2.(б) Соответствующие им рентгенограммы соединений, полученных без вакуумной пайки

Рис 2.(в) Соответствующие им рентгенограммы соединений, с применением вакуумной пайки

В современной практике применяются несколько способов разрешения этой проблемы:

  • применение разных типов паяльных паст (рис.1). Тип паяльной пасты в небольших пределах влияет на количество пустот;
  • применение трафаретов с различными формами апертур (рис.2). От формы отпечатков пасты также зависит количество и размер пустот;
  • пайка в атмосфере азота (рис.3);
  • пайка в разреженной среде (рис.4). Значительное уменьшение количества пустот в толще соединения происходит при разрежении 300 мбар;
  • применение различных температурных профилей пайки (рис.5). Это позволяет лишь ограниченно влиять на образование пустот.

Видно, что все описанные методы имеют ограниченное влияние на процесс образования пустот и не позволяют полностью исключить их появление. Только применение пайки в вакууме позволяет эффективно бороться с возникновением пустот в паяных соединениях большой площади.

Рис 3. Результаты пайки в различных средах: рентгенограммы соединений, полученных без вакуумной пайки, с применением вакуумной пайки, в азотной среде без вакуумной пайки, с применением вакуумной пайки.

Рис 4. Результаты пайки в разреженной среде

Рис 3. Различные температурные профили пайки: короткая зона предварительного нагрева и более длинная пиковая зона; более длинная зона предварительного нагрева и короткая пиковая зона; понижение и повышение температуры в пиковой зоне пайки

Специально для уменьшения количества пустот в паяных соединениях специалистами компании SMT Wertheim была разработана концепция Reflow Vacuum-Plus-Concept, которая уже зарекомендовала себя в условиях реального производства и признана авторитетными мировыми промышленными ассоциациями. Модуль Vacuum Plus N2 устанавливается в зону пиковой температуры (между зонами конвекции и охлаждения) печей оплавления SMT Reflow Soldering System от серий S до серии XXL Plus (рис.6). Также возможна установка вакуумного модуля в уже готовые системы пайки оплавлением производства SMT. Все необходимые параметры модуля (время создания и уровень вакуума, вентиляции и т.д.) интегрируются в програмное обеспечение печи и настраиваются вместе с другими параметрами на сенсорном экране. При выключенном вакуумном модуле печь оплавления работает как обычная конвекционная печь. В этом случае вакуумная камера расширяет зону пайки, что даст значительное увеличение общей производительности производства. Таким образом, проверенная годами высококачественная технология конвекционной пайки компании SMT получила новый, инновационный подход.

Печь оплавления SMT Quattro Peak S с вакуумным модулем Vacuum-Plus-Module
Печь оплавления SMT Quattro Peak S с вакуумным модулем Vacuum-Plus-Module

Рис.6. Печь оплавления SMT Quattro Peak S с вакуумным модулем Vacuum-Plus-Module

ООО «Новые Технологии»

А.Маурин, Р.Фабер

maurin@tecnew.ru