Prozess-, Design- und Materialfaktoren für die Hohlraumkontrolle bei thermisch anspruchsvollen Anwendungen

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Lotblasenbildung ist ein häufiges Phänomen bei allen Halbleiterverpackungen und elektronischen Leiterplattenbaugruppen. Hohlräume sind ein problematischer Defekt bei Baugruppen, die mithilfe der Oberflächenmontagetechnologie hergestellt werden. Hohlräume können elektrische Signale stören, können als Isolatoren dienen, wenn eine Wärmeableitung erforderlich ist, und sie können auch die Ursache für die Ausbreitung von Rissen und einen frühen Ausfall einer Baugruppe sein, wenn sie in der Nähe der Pad-Oberfläche auftreten. Die akzeptablen Werte für Hohlräume variieren je nach Endanwendung und Einsatzumgebung. Bei thermisch anspruchsvollen Anwendungen in rauen Umgebungen wie Automobil- und LED-Außenbeleuchtung ist eine Hohlraumkontrolle erforderlich, um die Leistung zu optimieren und die Lebensdauer zu verlängern diese Komponenten. Je geringer die Hohlräume auf diesen thermischen und elektrischen Pads sind, desto besser ist die Verbindung zur Leiterplatte und den nachfolgenden Schichten.

Es gibt viele Faktoren, die die Häufigkeit und Größe von Hohlräumen beeinflussen. Diese Studie konzentriert sich auf verschiedene Prozess-, Design- und Materialauswahlüberlegungen, die die Hohlraumbildung kontrollieren oder möglicherweise reduzieren, um die Akzeptanzkriterien der Industrie und des Endmarktes zu erfüllen. Konkreter werden Gehäusedesign, Reflow-Profile und Lotpastenchemie in Form von Anwendungsstudien besprochen. Für diese Fallstudien wurden kommerzielle PLCC-Pakete mittlerer Leistung und Keramik-LED-Pakete hoher Leistung auf Aluminium-Metallkern-Leiterplatten sowie BGA, D-Pak und MLF auf FR4-PBCs verwendet.

Abbildung 1:Hohlraumeinschluss in der Lotschicht.

Die weltweite Akzeptanz LED-basierter Lichtquellen hat dazu geführt, dass die energieeffiziente Technologie zahlreiche Märkte und Endanwendungen erschließt, darunter auch Hochleistungsbeleuchtungssegmente. Beispiele hierfür sind Außenscheinwerfer für Kraftfahrzeuge, Straßenbeleuchtung, industrielle Hallenleuchten sowie Architektur- und Unterhaltungsbeleuchtung. Daher sind die Kundenerwartungen hinsichtlich der Aufrechterhaltung von Effizienz, behördlichen Vorschriften, Sicherheit und der Reduzierung der Gesamtsystem-/Ersatzkosten wichtig, um die Akzeptanzraten zu erreichen.

Für diese hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer ist eine hervorragende Zuverlässigkeit der Baugruppenverbindungen von entscheidender Bedeutung, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.

Die Rolle von Verbindungen in LED Level 1 (Chip/Die-Befestigung) und Level 2 (Package-on-Board-Befestigung) besteht im Wesentlichen darin:

Figur 2:Hochleistungs-LED-Wärmepfad.

Hohlräume, das sind Taschen mit eingeschlossenen Gasen aus dem Lötflussmittel, können Probleme bei elektrischen Signalen verursachen, als thermische Widerstände wirken, wenn Wärmeableitung erforderlich ist, und sie können auch die Ursache für die Ausbreitung von Rissen und den frühen Ausfall einer Baugruppe sein. Abbildung 1 zeigt großflächige Hohlräume in der Lotschicht. Das Phänomen des Auftretens von Leere ist ein komplexes System; Es gibt viele Faktoren, die den unterschiedlichen Grad der Blasenentleerung bestimmen. Beispiele hierfür sind: Chemie, Reflow-Profil, Materialvolumen, lötbare Pad-Oberfläche und Design der Komponenten-Pads (thermisch und elektrisch).

Für LED-Chip-Befestigungsbaugruppen der Stufe 1 kann die Verwendung herkömmlicher Lote als Vorteil sowohl hinsichtlich der einfachen Verarbeitung als auch der Kosten angesehen werden. Allerdings ist die Bedeutung des Wärmemanagements für Hochleistungs- und Ultrahochleistungs-LEDs von entscheidender Bedeutung. Die Sperrschichttemperatur in der LED steigt mit zunehmendem Ansteuerstrom. Da mehr als 50 % der elektrischen Eingangsleistung aufgrund des Wirkungsgradabfalls bei hohen Ansteuerströmen in LEDs als Wärme verloren gehen, verringert dieser Anstieg der Sperrschichttemperatur die Lichtausbeute, indem die Wahrscheinlichkeit einer strahlungslosen Rekombination erhöht wird, was zu einem Rückgang des Wirkungsgrads und der Nennlebensdauer führt . Daher muss die Verlustwärme von der Verbindungsstelle abgeführt werden, um die Lichtumwandlungseffizienz und die Lichtleistung des Hochleistungs-LED-Pakets aufrechtzuerhalten. Die verschiedenen Komponenten im Wärmeflusspfad in einem Hochleistungs-LED-Paket sind in Abbildung 2 dargestellt.

Tabelle 1:Details zum Testfahrzeug.

Darüber hinaus erfordern die Anforderungen für die Verarbeitung von LED-Gehäusen mit lötbasierter Die-Befestigung auf Platinen als Level-2-Baugruppe für Level 1 die Fähigkeit zum mehrfachen Reflow-Löten. Bei mehreren Aufschmelzvorgängen derselben Lotmassenschicht kann dies die Anzahl der Hohlräume erhöhen, was sich auf die Gesamtzuverlässigkeit des Stapels auf der Schicht der Ebene 1 auswirkt.

Bei On-Board-Baugruppen mit Level-2-Gehäusen werden LEDs zunehmend integriert, wobei verschiedene herkömmliche IC-Komponenten wie BGAs, D-Paks und MLFs direkt auf derselben Platine montiert werden. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, dass Beleuchtungssysteme über die allgemeine Beleuchtung hinausgehen und komplexere Funktionen wie Steuerung, Erfassung und Modulation bieten müssen. Großflächige Hohlräume können zu Problemen im elektrischen Signal führen oder aufgrund von Temperaturwechsel/Ermüdung Risse erzeugen. Daher sind robustere Verbindungen mit geringer Hohlraumbildung auf der Ebene 2 erforderlich.

Tabelle 2:Abmessungen des LED-Pads (mm).

Experimentelle Vorgehensweise – Designfall

Tisch 3:Druckbedingungen.

In der Industrie werden unterschiedliche LED-Designs verwendet, die von Designstruktur/-größe bis hin zu Gehäusematerialien wie Keramik und Kunststoff reichen. Das Ziel dieses Experiments besteht darin, den Effekt der Hohlraumbildung anhand von drei unterschiedlichen Strukturen zu beobachten, wobei der Hauptunterschied in den Pad-Geometrien liegt. Zum Beispiel ein 2-Pad-Design, bei dem Anode und Kathode symmetrisch sind, ein 3-Pad-Design mit hohem Seitenverhältnis, bei dem das zentrale Wärmeleitpad im Hinblick auf die Gesamtfläche etwas größer ist, und schließlich ein 3-Pad-Design, bei dem das zentrale Wärmeleitpad vorhanden ist ist im Vergleich zur Anode und Kathode flächenmäßig deutlich größer. Tabelle 2 zeigt die Gesamtfläche und den Aufbau der LED-Pads.

MONTAGEMATERIALIEN UND KOMPONENTEN

Substrat

Das in dieser Studie verwendete Substrat ist eine speziell entwickelte Leiterplatte mit Aluminiumkern. Die besonderen Details für diese Platine sind in Tabelle 1 aufgeführt.

LED-Komponenten

Für diese Studie wurden drei kommerziell erhältliche Hochleistungs-LEDs mit unterschiedlichen Pad-Geometrien ausgewählt. Die Parameter für Anoden-, Kathoden- und Wärmeleitpadabmessungen für die LEDs sind in Tabelle 2 aufgeführt. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben. Die LEDs wurden ausgewählt, um gängige Gehäuse zu emulieren, die in Baugruppen mit hoher und ultrahoher Leistung ausgewählt werden.

Lotpasten

Für diese Studie wurde eine kommerziell erhältliche No-Clean-Lötpaste verwendet, bei der eine Legierung auf SAC-Basis mit Partikelgröße Typ 4 verwendet wurde (38–20 Partikelgröße in µm (mindestens 80 % dazwischen)).

VERFAHREN UND TESTVERFAHREN

Details zur Geräteverarbeitung

Der Lötpastendruck erfolgte mit dem DEK Horizon 03iX-Drucker mit einer 4 mil dicken, lasergeschnittenen Edelstahlschablone mit einem Verhältnis von Öffnungsgröße zu Padgröße von 1:1. Die für alle Lotpasten verwendeten Schablonendruckparameter sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Reflow-Löten

In dieser Studie wurde das Soak-Reflow-Profil verwendet (siehe Abbildung 2). Die Temperaturen sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4:In der Studie verwendetes Reflow-Profil.

Testmethode

Um die Hohlraumbildungsleistung der unterschiedlichen Pasten und LED-Pad-Layouts zu messen und zu quantifizieren, wurden die bestückten und aufgeschmolzenen Platinen in eine Röntgenanalyseeinheit geladen und so programmiert, dass sie die Fläche jedes Hohlraums als Prozentsatz der gesamten Pad-Fläche und die Anzahl quantifiziert von Hohlräumen unter der Verpackung.

Um den vollständigen Artikel zu lesen, der in der Oktoberausgabe 2018 des SMT007 Magazine erschien, klicken Sie hier.

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