用于LGA的室温快速流动可返修底部填充胶

作者:YINCAE Advanced Materials公司:Mary Liu博士,Wusheng Yin博士

随着电子设备的小型化,LGA(Land Grid Array)或QFN已广泛应用于消费电子产品。然而在LGA和基板之间只有20~30 μmm间隙,在室温下毛细管作用的底部填充胶流入较大的LGA元件是很难的。填充不足会导致质量差和可靠性差等问题。

为了解决这些问题,室温快速流动可返修底部填充胶被成功开发,该胶具有优良的流动性,室温下约30 s,底部填充胶可以流入20 μmm间隙,完成15 mm的距离。下面将在本文中详细讨论其固化行为、存储、热循环性能和可返修性。

引言

随着电子设备的小型化,LGA(Land Grid Array)或QFN(Quad Flat No Lead)等先进器件得到了广泛应用,特别是在消费电子设备中,这可以大大减小设备厚度。同时,元件密度也在不断增加,例如,相邻元件之间的空间缩小到10 ~20 μm。然而,小型化已经不可避免地导致了一些可靠性问题,如热循环和跌落试验中LGA焊点裂纹问题。

为了解决小型化带来的问题,目前已开发了一些方法:(1)已开发了焊点封装胶,可使焊点强度增强5~10倍。通常焊点封装胶与焊膏一起使用,回流焊后焊点强度增强100%,因此解决了焊点裂缝问题。(2)针对LGA和QFN器件,一直试图开发毛细管作用的流动底部填充胶,以解决可靠性问题。然而,在制造过程中出现了许多问题。由于20 μmm的狭窄间隙,毛细管作用的底部填充胶不能完全填充LGA或 QFN 的底部间隙。此外,毛细管作用的底部填充胶也会污染邻近元件。为了解决这些问题,我们开发了适用于LGA 或 QFN的室温快速流动可返修底部填充胶。这种新的底部填充胶不仅可以在室温下流入10~20 μmm间隙的LGA底部,也不会污染周边元件。所有的可靠性测试结果都证明,这种室温快速流动可返修底部填充胶可以解决LGA或QFN器件可靠性问题。在本文中,我们将详细讨论。

实验

本研究采用商用焊膏材料,并且所有这些材料均来自领先的供应商。这里使用的底部填充胶Y是我们公司的。

底部填充胶流动试验

将商用焊膏印刷到玻璃片上并回流焊。回流焊后,从玻璃基片上去除焊料球。在玻璃的两个边缘粘贴一条双面胶带,再由另一块新鲜玻璃覆盖,形成夹层结构,中间通道用于底部填充流动试验。在25 ℃的室温下,玻璃夹层结构是稳定的。将UNDERFILL Y点涂到玻璃夹层结构的一端,让其自动地流入夹层通道。在一定的距离内记录流动时间。

在流动测试后,将Underfill Y在150 ℃下固化5 min。用光学显微镜检查固化填充边的空洞。另一组固化的底部填充胶在100 ℃下蒸煮24 h后进行分层检查。

热循环试验

对底部填充的LGA或QFN进行热循环试验。试验条件为:45~125 ℃;在两个极端温度下各保持15 min;温度在15 min内从45 ℃上升到125 ℃,也在15 min内从125 ℃降至45 ℃,每个循环周期总时间为1 h。

跌落试验

对底部填充的LGA或QFN进行跌落试验。试验条件为:6英尺高,混凝土地板,自由落体。

结果与讨论

焊点封装胶

在开始讨论室温快速流动可返修底部填充胶之前,先让我们回顾一下焊点封装胶。焊点封装胶已被开发并被证明对焊点有较强的加固作用。无论是BGA、QFN或LGA,加固作用不会因使用的元件而改变,因为焊点封装胶的性质决定加固作用。与正常的BGA相比,LGA没有焊料凸点,所以应用焊点封装胶的工艺过程是具有挑战性的。

在大规模生产中,焊点封装材料S(SJEM S)的使用通常有几种方法,如:浸渍、喷射、阶梯模板印刷和针转移。因为LGA没有焊料凸点,工艺控制困难,在大规模生产中用浸渍法似乎很困难。喷射、阶梯模板印刷和针转移都被认为是批量生产的一种非常有前途的方法。在这项研究中,我们主要讨论LGA组装应用的针转移工艺。

为了将焊点封装胶施加到载有焊膏的PCB焊盘上,我们设计了用于针转移的新针,以及进行了模板设计。针和模板设计如图1所示。印刷焊膏后,用我们的新针和模板,针转移焊点封装胶到PCB焊盘,PCB的照片如图2所示。

从图2可以看出,焊膏和SJEM S都一起沉积在PCB焊盘上。焊点封装胶和焊膏在回流焊时可以很好地混合,因为焊膏中有很多溶剂,有助于焊点封装胶扩展到整个焊盘。回流后,对LGA组件进行剪切力测试,结果如图3所示。

从图3可以看出,使用SJEM S的剪切力优于底部填充的,底部填充仅比焊膏的好一点。剪切试验后对失效模式进行了研究,照片如图4所示。从图4中可很明显看出,失效与焊点无关,而是在PCB侧和元件侧焊盘剥离。这表明焊点强度比PCB或元件与焊盘的结合强度大很多。

室温快速流动可返修底部填充胶的底部填充流动性

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