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微電子封裝切割熔錫失效分析及對(duì)策

半導(dǎo)體封裝工程師之家 ? 2024-11-01 11:08 ? 次閱讀

共讀好書



方欣

華潤(rùn)安盛科技有限公司

摘要:

熔錫是微電子封裝QFNQuadFlat No-leads Package,方形扁平無(wú)引腳封裝)產(chǎn)品在切割生產(chǎn)過(guò)程中的核心質(zhì)量不良,是導(dǎo)致產(chǎn)品可焊性失效的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。本文針對(duì)QFN 封裝產(chǎn)品的切割生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行熔錫失效的原因分析和對(duì)策探討。

0 引言

QFN 封裝切割的工藝特點(diǎn)是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的切割刀片將整條料片切割分離成單顆的產(chǎn)品。在切割生產(chǎn)過(guò)程中,刀片和產(chǎn)品本身容易受到切削高溫的影響,使產(chǎn)品引腳表面的錫層發(fā)生異常熔化,這一現(xiàn)象通常稱為切割熔錫。由于熔錫不良會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品可焊性失效,這在微電子封裝生產(chǎn)過(guò)程中屬于嚴(yán)重的質(zhì)量不良。因此,解決QFN 產(chǎn)品的切割熔錫問(wèn)題顯得非常重要,本文著重分析微電子QFN 封裝產(chǎn)品在切割過(guò)程中的熔錫成因和探討其控制方法。

1 切割熔錫的成因

1.1 QFN 切割工藝簡(jiǎn)述

通常,QFN 產(chǎn)品在封裝后道的工藝流程如下:

塑封→電鍍→后烘→打印→切割

其中,QFN 封裝產(chǎn)品切割工藝如圖1 所示,整條料片通過(guò)刀片旋轉(zhuǎn)切割分離成單顆的產(chǎn)品。切割移動(dòng)過(guò)程中,刀片表面和產(chǎn)品表面錫層同時(shí)采用冷卻水進(jìn)行噴射降溫處理,以降低刀片和產(chǎn)品所產(chǎn)生的切削高溫,避免產(chǎn)品造成切割熔錫等質(zhì)量不良。

1.2 切割熔錫失效的成因及特征

1)當(dāng)傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度高于純錫的熔點(diǎn)溫度232℃時(shí),QFN 封裝產(chǎn)品切割面的引腳則有熔錫的風(fēng)險(xiǎn);

2)當(dāng)傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度低于純錫的熔點(diǎn)溫度232℃時(shí),QFN 封裝產(chǎn)品切割面的引腳則沒有熔錫的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)成因分析可知,切割熔錫失效主要是由于切割刀片傳遞到產(chǎn)品引腳表面錫層的溫度超過(guò)了純錫的熔點(diǎn)。根據(jù)熔錫位置不同,QFN 封裝產(chǎn)品切割熔錫失效有兩種特征:

如圖2,產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生局部的熔錫失效:

如圖3,產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生整體的熔錫失效:

1.3 熔錫失效的不良后果

QFN 封裝產(chǎn)品從整條料片切割成單顆產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中,當(dāng)切削所釋放出來(lái)的溫度高于產(chǎn)品錫層熔點(diǎn)時(shí),產(chǎn)品引腳表面的錫層會(huì)產(chǎn)生熔化。這樣會(huì)造成引腳錫層脫落、銅層裸露氧化的現(xiàn)象,使產(chǎn)品在PCB 板、電路板等焊接應(yīng)用的過(guò)程中,產(chǎn)生引腳虛焊、脫焊、短路等可焊性失效的質(zhì)量異常。

綜上所述,切割熔錫失效將直接造成產(chǎn)品可焊性失效的問(wèn)題,這在電子元器件生產(chǎn)應(yīng)用中是重要的質(zhì)量隱患。因此,控制切割熔錫是微電子QFN 封裝生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),我們從切割工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備應(yīng)用的角度來(lái)實(shí)驗(yàn)分析,針對(duì)影響切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)策探討。

2 切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

如表1 所示,通過(guò)人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)維度來(lái)分析整體料片切割成單顆產(chǎn)品的過(guò)程,識(shí)別出QFN封裝切割過(guò)程中的熔錫風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

從分析可知,切割熔錫的過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)因素中,人員方面、設(shè)備本身、生產(chǎn)工藝方法、生產(chǎn)環(huán)境所造成產(chǎn)品切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)低,基本不會(huì)產(chǎn)生切割熔錫的問(wèn)題。料片、切割刀片產(chǎn)生切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)中等,在其選型方面,應(yīng)遵循料片和刀片材料在常規(guī)的切割工藝條件下,本身不會(huì)造成切割熔錫這一原則。而設(shè)備噴嘴、供給冷卻水直接作用于料片和刀片的表面,是切割熔錫的高風(fēng)險(xiǎn)因素,也是解決和控制切削高溫造成切割熔錫的關(guān)鍵點(diǎn)。我們著重對(duì)噴嘴和冷卻水這兩個(gè)因素進(jìn)行分析和探討。

3 冷卻水的影響

3.1 冷卻水的溫度過(guò)高

冷卻水溫度是影響切割熔錫失效的關(guān)鍵因素,在產(chǎn)品切割過(guò)程中,控制切割冷卻水的溫度至關(guān)重要。如圖4 所示,為冷卻水溫度對(duì)產(chǎn)品熔錫的影響趨勢(shì)分析。由批量生產(chǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)得知,隨著冷卻水溫度的升高,產(chǎn)品熔錫的風(fēng)險(xiǎn)比例越高,熔錫數(shù)量也逐步增加;而水溫越低,產(chǎn)品熔錫的風(fēng)險(xiǎn)越小,熔錫的比例越少。結(jié)合廠務(wù)動(dòng)力成本和產(chǎn)品品質(zhì)來(lái)綜合考慮,切割冷卻水的輸出溫度控制在10±2℃,能夠有效降低切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn),且較為經(jīng)濟(jì)合理。

3.2 冷卻水的流量過(guò)小

3.2.1 冷卻水流量的區(qū)間控制

如表2 所示,在水溫條件穩(wěn)定的情況下,采用大小不同的水流量進(jìn)行產(chǎn)品切割實(shí)驗(yàn)分析。從數(shù)據(jù)分析可以看出,異常的水流量大小,會(huì)產(chǎn)生刀片崩刀、切割偏移、切割熔錫等質(zhì)量不良。當(dāng)切割冷卻水流量過(guò)小時(shí),切割刀片所產(chǎn)生的高溫不能及時(shí)降低而傳遞到產(chǎn)品引腳的錫層面,導(dǎo)致切割熔錫的問(wèn)題。理論上,切割冷卻水流量越大其冷卻效果越好,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,應(yīng)綜合考慮如水流量過(guò)大容易造成刀片崩刀、產(chǎn)品位移切偏等不良因素。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,切割冷卻水流量控制在1.0-2.0L/Min 這一區(qū)間相對(duì)穩(wěn)定可靠。

3.2.2 冷卻水流量的穩(wěn)定性控制

如上述分析可知,噴嘴出水流量的大小會(huì)影響到切割熔錫失效的比例,因此冷卻水流量輸出的穩(wěn)定性也是非常關(guān)鍵的一個(gè)控制點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,水流量穩(wěn)定性控制可從動(dòng)力供給和設(shè)備裝置兩方面來(lái)考慮。動(dòng)力供給方面,可優(yōu)先選用潔凈度等級(jí)高于普通自來(lái)水的純水,并在設(shè)備冷卻水的進(jìn)水口安裝過(guò)濾器裝置來(lái)提高冷卻水水質(zhì)的穩(wěn)定性。而設(shè)備裝置方面,可采用電子流量計(jì)控制的設(shè)計(jì)方式來(lái)輸出冷卻噴射水的水流量,通過(guò)設(shè)定輸出目標(biāo)值,自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)識(shí)別補(bǔ)償實(shí)際出水供給的水流量大小。相比較傳統(tǒng)的機(jī)械流量計(jì)而言,電子流量計(jì)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)控制,自動(dòng)修復(fù)水流波動(dòng)、管路堵塞等供給不穩(wěn)定的因素,可提前預(yù)防水流量異常的問(wèn)題,提升冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 噴嘴的影響

噴嘴是切割冷卻水的傳輸裝置,它將切割冷卻水均勻地噴射到刀片和產(chǎn)品的表面,使刀片和產(chǎn)品在切割過(guò)程中的有限空間實(shí)現(xiàn)快速降溫。針對(duì)噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)用,應(yīng)從噴嘴冷卻的均勻性、噴射的覆蓋面積、排屑的有效性這三個(gè)方面來(lái)考慮,以避免產(chǎn)品切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 噴嘴的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中,刀片兩側(cè)的刃口通常需要實(shí)現(xiàn)瞬間降溫,以滿足各種QFN 產(chǎn)品尺寸、材料類別的加工需求。特別是在切割有特殊工藝要求、熔錫敏感的產(chǎn)品時(shí),提升刀片和產(chǎn)品的冷卻效果尤為重要。

如圖5 所示,在A 點(diǎn)部位設(shè)計(jì)90°垂直于刀片表面的噴嘴裝置,可提升噴嘴傳輸冷卻水的有效性,使冷卻水有效地作用于刀片,起到良好的刀片冷卻效果。同時(shí),還可在B 點(diǎn)部位設(shè)計(jì)帶有60°扇形角度的產(chǎn)品噴嘴裝置,這樣能夠?qū)Ξa(chǎn)品的引腳表面及切割槽深度同步進(jìn)行噴射冷卻。這樣的設(shè)計(jì)方式提高了產(chǎn)品切割的排屑能力,且大幅度提升了設(shè)備冷卻系統(tǒng)的兼容能力,降低了切割熔錫的風(fēng)險(xiǎn)。

如表3 所示,從噴嘴功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果可以看出:實(shí)驗(yàn)4,在A 部位的刀片區(qū)域、B 部位的產(chǎn)品切割區(qū)域采用雙路冷卻水噴嘴裝置的設(shè)計(jì),其降溫冷卻效果明顯,質(zhì)量控制最為穩(wěn)定,產(chǎn)品沒有切割熔錫不良的問(wèn)題。而實(shí)驗(yàn)12、3,不采用冷卻噴嘴裝置或采用單一的噴嘴功能設(shè)計(jì),產(chǎn)品的冷卻效果均存在一定的局限性,在切割特定產(chǎn)品或特殊工藝條件下,均有切割熔錫的質(zhì)量不良。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,設(shè)備噴嘴采用雙路冷卻的功能設(shè)計(jì),能夠提升切割不同產(chǎn)品的兼容能力,提升切割效率,減少切割熔錫失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 噴嘴口的形狀設(shè)計(jì)

噴嘴的噴射口采用不同的形狀設(shè)計(jì),其作用效果有很大差別。如表4 所示,切割冷卻噴嘴的噴射口采用3 種不同的形狀設(shè)計(jì),其冷卻效果和熔錫風(fēng)險(xiǎn)明顯不同。具體如下:

1、采用聯(lián)排孔形狀的設(shè)計(jì)方式,噴射出水為圓柱形狀。該形狀設(shè)計(jì)的噴水集中作用于刀片局部的固定區(qū)域,刀片局部面積受到水壓的沖擊力較大。在實(shí)際應(yīng)用中,其崩刀風(fēng)險(xiǎn)高,且噴射覆蓋的面積小,整體的冷卻效果差,熔錫的風(fēng)險(xiǎn)高。

2、采用“一”字形狀的設(shè)計(jì),噴射出水為直線形狀。整體的冷卻效果比聯(lián)排孔設(shè)計(jì)好,噴射覆蓋面積、崩刀和熔錫風(fēng)險(xiǎn)有明顯的改善。

3、采用“I”字形狀的設(shè)計(jì),噴射出水為扇面形狀。該結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)的噴嘴呈扇形霧狀的形態(tài)噴射,因此降低了水壓對(duì)于產(chǎn)品和刀片的沖擊力,減少了切偏和崩刀的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),出水呈扇面形狀噴射,其噴射覆蓋面積廣,能夠?qū)⒗鋮s水有效地噴射到刀片和產(chǎn)品所需降溫的全部區(qū)域,這樣就大幅度地提升了冷卻效果,產(chǎn)品熔錫風(fēng)險(xiǎn)則明顯降低。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,刀片冷卻噴嘴采用“I”字形狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其實(shí)用性最好。應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中,能夠有效降低切割熔錫等質(zhì)量隱患,從而提升QFN 封裝切割的穩(wěn)定性。

5 切割熔錫失效的管控

針對(duì)切割熔錫的控制,可以從廠務(wù)動(dòng)力供給布局、產(chǎn)品工藝流程管控、設(shè)備功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面來(lái)考慮。

1、建立廠務(wù)動(dòng)力車間,采用冷水機(jī)等制冷設(shè)備將常溫的切割水降低到切割工藝所需的水溫。盡可能縮短冷卻水輸入和輸出管道的距離,并采用隔熱保溫棉包裹,減少水溫在傳輸過(guò)程中的熱量消耗,確保冷卻水的供給溫度穩(wěn)定且可控制。

2、建立新產(chǎn)品、新材料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)評(píng)估結(jié)果,將切割參數(shù)、工藝條件、生產(chǎn)要求等制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。針對(duì)核心風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)授權(quán)管控,避免量產(chǎn)時(shí)造成切割熔錫失效。

3、在設(shè)備設(shè)計(jì)層面,將應(yīng)用穩(wěn)定的噴嘴機(jī)構(gòu)等備件圖紙進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。同步上傳系統(tǒng)存檔并更新到設(shè)備技術(shù)協(xié)議,為后續(xù)新購(gòu)設(shè)備提供技術(shù)參考。

4、影響切割熔錫的核心備件,如刀架噴嘴、刀片等,建立安裝調(diào)試和維護(hù)技能培訓(xùn)指導(dǎo)書,培訓(xùn)工程技術(shù)人員,提高設(shè)備切割熔錫的管控能力。

5、冷卻水輸出設(shè)備、傳輸管路、過(guò)濾裝置、噴嘴裝置等硬件設(shè)施,制定預(yù)防性維護(hù)要求和管理周期。定期對(duì)影響切割熔錫的部件進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤、功能檢查,定期維護(hù)保養(yǎng)及更換。

6 結(jié)束語(yǔ)

微電子封裝QFN 產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)緊湊,體積小、重量輕、電性能和散熱性好,因此多應(yīng)用于集成度相對(duì)較高的高端電子產(chǎn)品中。根據(jù)其方形扁平的形狀特點(diǎn),整條料片分離成單顆的電路產(chǎn)品,通常采用效率高、成本低的切割工藝。本文是基于切割工藝生產(chǎn)中的切割熔錫失效現(xiàn)狀,從實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)的角度給予分析和對(duì)策探討,以供參考。

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原文標(biāo)題:微電子封裝切割熔錫失效分析及對(duì)策

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