Llenar el Vacío

Tony Lentz FCT Assembly

Greeley, CO, USA tlentz@fctassembly.com

Greg Smith FCT Assembly

Greeley, CO, USA gsmith@fctassembly.com

RESUMEN Los vacíos en las uniones de soldadura son una preocupación para muchos fabricantes de electrónica. Estos producen debilidad en las uniones de soldadura la cual puede llevar a fallas mecánicas. Los vacíos pueden retrasar o limitar la transferencia de calor del componente lo cual puede llevar a fallas térmicas. Los vacíos también pueden interferer en flujo de señales creando problemas con el funcionamiento del circuito impreso. La reducción de vacíos es benéfica para la vida y funcionamiento del ensamblaje del circuito.

Los vacíos son causados por muchas razones. Los hoyos via en pads pueden provocar que la soldadura en pasta fluya fuera de la unión de soldadura creando vacíos. Los gases de los hoyos via pueden moverse hacia arriba hacia la unión de sildadura creando vacíos. El lubricado incomplete o el flujo de la soldadura en pasta puede crear brechas o vacíos en la unión de soldadura. Los gases de los fluxes de soldadura en pasta pueden quedar atrapados en la unión de soldadura. Independientemente de la causa de los vacíos, existen maneras para minimizarlos.

Varios métodos para minimizar los vacíos se presentan en este documento. El diseño de stencil puede tenener un impacto dramático en el vacio. La pasta de soldadura impresa con vías de escape de gas es una excelente manera de reducir el vacío. Cuando se usan diseños con via en el pad, la creación de vacío se puede minimizar al imprimir la pasta a distancia de los hoyos via. Cambios en el perfil de reflujo pueden ayudar a recudir vacíos, pero los cambios se deben adaptar a la soldadura en pasta. Añadir un remojo al perfil de reflujo puede eliminar materiales volátiles de algunas soldaduras en pasta. Prolongando el tiempo sobre el liquidus ayuda a materiales volátiles a escaper de otras soldaduras en pasta. El flux de soldadura en pasta tiene una gran influencia sobre el vació. Algunas soldaduras en pasta tienen un potencial menor para el vacío que otras. Se diseñó una matriz de pruebas para validar estos métodos de minimizar el vacío. Se tomaron medidas de vacío, se resumió la información y se hizo un conjunto de recomendaciones. Todo esto hecho con un esfuerzo para ayudar al lector a “Llenar el Vacío”.

Palabras calve: vacíos, unions de soldadura, diseño de stencil, perfil de reflujo, Soldadura en pasta

INTRODUCCIÓN

Los vacíos son brechas en una unión de soldadura en la cual la soldadura no llena por complete el espacio entre el componente y el circuito impreso (Figura 1).

Figura 1: Sección transversal de un vacío en una unión de soldadura [1].

Los vación se pueden causar por una variedad de razones. A menudo, los vacíos se crean por la interacción de multiples factores (Figura 2).

Figura 2: Factores que afectan en el vacío [1].

Algunos de estos factores fueron escogidos para ser evaluados en este studio; soldadura en pasta, diseño de stencil y perfil de reflujo. Se escogieron dos soldaduras en pasta lead-free solubles en agua

para esta evaluación. La soldadura en pasta A es una pasta baja en vacío y la soldadura en pasta B es relativamente más propensa al vacío. El diseño de stencil puede tener un impacto dramático en el vacío. En este studio, los componentes quad flat no lead (QFN) fueron escogidos ya que es sabido que la unión de soldadura del pad térmico puede presenter vacío. El diseño de stencil para la pad de tierra QFN fue variado usando 4 diferentes y populares diseños. También es sabido que el perfil de reflujo tiene un efecto dramático en el vacío. Se usaron dos perfiles de reflujo en este studio, el perfil estándar rama-pico (RTS) y un perfil RTS con una temperature de pico mayor y un tiempo mayor sobre el liquidus (RTS-HT). los efectos de todos estos factores sobre el vacío fueron comparados y contrastados.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Este experimento usa un circuito impreso de experimentación llamado F2A (Figura 3). Este circuito impreso esta hecho de FR4 con pads de cobre grabados que teienen un acabado en la superficie de inmersión de oro y niquel químico.

Figura 3: Tablilla de prueba de reflujo 2A

Esta tablilla de prueba F2A tiene 4 QFN colocados por tablilla los cuales fueron usados para medir el vacío. De arriba a abajo estas posiciones son desiganadas como U9, U10, U11, y U12. Los componentes usados fueron 68 lead dummy QFNs con un acabado 100% de estaño. El tamaño del cuerpo es de 10 mm y el paso del plomo es de 0.5 mm.

Las dos soldaduras en pasta que se usaron son productos lead free solubles en agua. Ambas fueron creadas con polvo de soldadura SAC305 IPC Tipo 3 (25 – 45 µm). Las soldaduras en pasta A y B muestran comportamientos de vacío diferentes y son buenas candidatas para los propósitos de este estudio.

El diseño de stencil para cada posición QFN fue variado como se muestra más adelante (Figura 4).

Figura 4: Diseño de stencil de vacío.

El diseño de stencil en la posición U9 es una ventana estándar. El diseño en la posición U10 es una ventana rotada 45 grados. El disño de stencil en la posición U11 es un patrón de 5 puntos. El diseño en la posición U12 es un patrón de lineas de 45 grados en diagonal.

Los detalles del diseño de stencil para cada posición de QFN se muestran en la table 1. La pad térmica QFN en el circuito impreso es un cuadrado de 327 mils (8.30 mm). el stencil fue hecho de un acero inoxidable de grano fino de 5 mil (127 micrones) de grosor. No se usaron nano-recubrimientos.

Tabla 1: Diseño de stencil para Vacío. Posición Forma

de Aperturea

Tamaño de

Apertura en mils (mm)

Separación en mils (mm)

Área de cobertura de la Pasta (%)

U9 Cuadrado 88 (2.24) 20 (0.51) 65.3 U10 Diamante 99 (2.51) 20 (0.51) 65.3 U11 Círculo 132 (3.35) 8 (0.20) 63.9 U12 Raya 40 (1.02) 20 (0.51) 65.0

El área de cubrimiento de la soldaura en pasta es cercana al 65% para cada diseño. Los diseños de stencil fueron optimizados para hacer esto tan uniforme como fuera posible.

Se usaron dos perfiles de reflujo diferentes. Ambos perfiles fueron ajustados en un horno de convención con aire. El primer perfil es un rampa-pico (RTS) linear convencional.

Figura 5: Perfil Rampa-Pico (RTS).

El perfil RTS tiene un tiempo sobre (TAL) de 53 a 59 segundos y una temperature de pico de 245 a 249 °C. El

segundo perfil es un perfil RTS modificado con un tiempo mayor sobre el liquidus y una temperatura de pico mayor (Figura 6).

Figure 6: Perfil RTS con un prolongado TSL y un Perfil de Pico alto (RTS-HT).

Este perfil RTS-HT tiene un TSL de 68 a 75 segundos y una temperature de pico de 255 a 259 °C. Un perfil de estos perfiles de reflujo se muestra a continuación (Tabla 2).

Table 2: Resumen de Perfil de Reflujo.

Configuración

Perfil RTS Perfil RTS-HT

Tasa de rampa 0.98 – 1.02 °C/seg 1.09 – 1.10 °C/seg TSL (>221 °C) 53 – 59 seg 68 – 75 seg Temperatura de pico

245 a 249 °C 255 a 259 °C

Longitud del perfil (25 °C a peak)

4.70 minutos 4.60 minutos

El sistema de rayos X usado para medir el vacío fue un sistema 2D que analiza escala de grises para calcular el área de vacío. La Fuente de rayos X se fijo a un voltaje de 70 kV y una corriente de 400 µA.

RESULTADOS Efectos de la Soldadura en Pasta sobre el Vacío Las dos soldaduras en pasta lead-free, solubles en agua escogidas para este estudio muestran diferencias dramáticas sobre el vacío. El promedio general de los resultados sobre el vacío para estas soldaduras en pasta se muestra a continuación (Figura 7).

Figura 8: Imágenes de rayos X del vacío (Soldadura en Pasta A – a la izquierda. Soldadura en Pasta B – a la derecha).

El resultado es estadisticamente significativo como es motrado por la prueba Tukey- Kramer Diferencia Significativa Honesta (HSD) (Figura 9).

Figura 9: Análisis Tukey-Kramer HSD para vacío por la soldadura en pasta.

Figura 7: Vacío por la soldadura en pasta.

La soldadura en pasta A dio un vacío mucho menor que la soldadura en pasta B Imágenes de rayos X de lo vacíos se muestran a continuacíon (Figura 8).

Efectos del diseño de stencil sobre el vacío Tres de los cuatro diferentes diseños de stencil generaron niveles similares de vacío (Figura 10). Se encontró un vacío ligeramente mayor en la posición U11, que es el diseño de stencil de 5 puntos.

Figura 10: Vacío por el diseño de stencil.

Imágenes representativas de vacío por el diseño de stencil se muestran a continuación (Figura 11).

Figure 11: Imégenes de rayos X del vacío por el diseño de stencil.

Estas imágenes muestran mayor vacío con el patrón de 5 puntos (U11) y el de rayas diagnoales (U12). Las estadísticas muestran que el vacío es mayor con U11 y los otros tres diseños son bastante similares en niveles de vacío. Esto es validado por la prueba Tukey-Kramer HSD (Figura 12).

Figura 13: Vacío por el perfil de reflujo.

Los perfiles de reflujo probados no mostraron una diferencia significativa sobre el vacío a través de todos los estudios realizados. Esto es validado por el análisis Tukey-Kramer HSD (Figura 14).

Figura 14: Análisis Tukey-Kramer HSD para vacío por el perfil de reflujo.

Efectos Multi-Variables Sobre el Vacío Análisis adicionales sobre esta información para multiples variables dieron algunos resultados interesantes. El vacío por el diseño de stencil separado por soldadura en pasta se muestra a continuación (Figura 15).

Figura 12: Análisis Tukey-Kramer HSD para vacío por el diseño de stencil.

Efectos del Perfil de Reflujo Sobre el Vacío Se usaron dos perfiles de reflujo diferentes y los resultados de vacío fueron comparados unos con otros. Los resultados fe vacío para cada uno se muestran a continuación (Figura 13).

Figura 15: Vacío por diseño de stencil separado por soldadura en pasta. (Soldadura en Pasta A – a la izquierda. Soldadura en Pasta B – a la derecha).

El análisis Tukey-Kramer HSD para esta información muestra algunas ligeras diferencias en la actuación del vacío entre estas pastas y los diseños de stencil (Figura 16).

Figura 17: Vacío por el perfil de reflujo separado por soldadura en pasta. (Soldadura en Pasta A – a la izquierda. Soldadura en Pasta B – a la derecha).

El análisis Tukey-Kramer HSD muestra diferencias significativas en estos resultados (Figura 18).

Figura 16: Análisis Tukey-Kramer HSD para vacío por el diseño de stencil separado por soldadura en pasta.

Con la soldadura en pasta A, el diseño de stencil de 5puntos (U11) dio un vacío significativamente mayor que el diseño de raya diagonal (U12). Los otros dos diseños de stencil de raya cruzada (U09 y U10) dieron resultados muy similares.

La soldadura en pasta B dio resultados diferentes. El diseño de stencil de 5 puntos (U11) dio un nivel mucho mayor de vacío que todos los otros diseños de stencil los cuales fueron estadisticamente similares.

Vacío por el perfil de reflujo separados por soldadura en pasta se muestran a continuación (Figura 17).

Figura 18: Análisis Tukey-Kramer HSD para vacío por perfil de reflujo separado por soldadura en pasta.

El perfil de TSL prolongado y de pico alto (RTS-HT) da un vacío menor que el de rampa (RTS) linear convencional, con la soldadura en pasta A. Este resultado es a la inversa para la soldadura en pasta B. La soldadura en pasta B genera un vacío mayor con el perfil de TSL prolongado y pico alto que con el de rampa linear convencional. Este es un ejemplo perfecto de como la soldadura en pasta y el perfil deben emparejarse para minimizar el vacío

Tamaño de vacío más grande Se observó que así como el % de área de vacío aumentó, el tamaño del vacío más grande también lo hizo (Figura 19).

Figura 19: EL % más grande de vacío aumenta con el % creciente de área de vacío.

En general, mientras el % de área de vacío aumenta la distribución en tamaño del vacío más grande también aumenta. En otras palabras, la distribución del tamaño del vacío se vuelve mayor mientras el vacío en general aumenta.

Esta misma tendencia es cierta para las soldaduras en pasta usadas. La soldadura en pasta B generó vacíos en general mayors y también generó vacíos más grandes (Figura 20).

Figura 22: Variación de vacío más alta por el perfil de reflujo.

La preuba Tukey-Kramer HSD no muestra diferencias significativas en los tamaños de vacío más grandes generados por los perfiles de reflujo (Figura 23).

Figura 20: Variación de vacío más alta por la soldadura en pasta.

Esta tendencia también puede ser vista con el diseño de stencil. El diseño de stencil de 5 puntos (U11) generó vacíos mayores (Figura 21).

Figura 21: Variación de vacío más alta generada por el diseño de stencil.

El análisis Tukey-Kramer HSD muestra que los resultados anteriores son estadisticamente significativos.

Un interesante resultado ocurrió con el tamaño de vacío más grande con respect al perfil de reflujo. Los niveles de vacío en general creados por cada perfil de reflujo fueron similares (Figura 13 mostrada antes). El perfil de TSL prolongado – alta temperatura de pico parece haber generado vacíos mayores que el perfil rampa-pico como se muestra a continuación (Figura 22).

Figura 23: Prueba Tukey-Kramer HSD del tamaño más grande de vacío por el perfil de reflujo.

Llenar el Vacío ¿Qúe hemos aprendido sobre el vacío?

• La soldadura en pasta B generó vaciado en general más alto y vacíos mayores que la soldadura en pasta A.

• El diseño de stencil de las pads de tierra QFN tiene algún efecto sobre el vaciado. El patrón de 5 puntos generó un vaciado mayor y vacíos más grandes que los otros patrones.

• Un perfil de reflujo tipo rampa-pico linear convencional genera mayor vaciado que un perfil TSL prolongado – alta temperatura de pico para la soldadura en pasta A. Este resultado de vaciado fue a la inversa para soldadura en pasta B.

Basado en los resultados de este trabajo, aquí hay recomendaciones para ayudar a “Llenar el Vacío.”

1. Utilice una soldadura en pasta que genere un

vaciado mínimo en su proceso. Esto puede tener un efecto drámatico sobre el vaciado.

2. Implemente un diseño de stencil para minimizar el vaciado. Utilice un proveedor de stencil que pueda recomendar diseños de vaciado mínimo basadas en experiencia de campo y laboratorio.

3. Optimice el perfil de reflujo para la soldadura en pasta empleada. La soldadura en pasta y el perfil de reflujo tienen que trabajar juntos para minimizar el vaciado.

CONCLUSIONES El vaciado en las uniones de soldadura es afectado por muchos factores. Como se muestra en este estudio, el vaciado es influenciado por la química del flux de soldadura en pasta, el diseño de stencil y y el perfil de reflujo empleados. En este trabajo, hubo una diferencia clara en el vaciado de una soldadura en pasta a la otra. El disño de stencil tuvo un efecto pequeño sobre el vaciado, aunque el diseño de patrón de 5 puntos mostró un vaciado mayor al de los diseños de ventana o raya diagonal. Los perfiles de reflujo probados tuvieron diferentes efectos en el vaciado para cada una de las soldaduras en pasta. El perfil de rampa-pico dio un vaciado menor con la soldadura en pasta B, mientras que el perfil de tiempo prolongado sobre el liquidus – alta temperatura de pico dio un vaciado menor con la soldadura en pasta A. Esto muestra que el perfil de reflujo debe ser emparejado con la soldadura en pasta y el diseño de stencil para minimizar el vaciado.

Sólo un pequeño número de factores que influencian sobre el vaciado fueron estudiados en este trabajo. Hay muchas más pruebas por hacer. Debido al uso habitual de componentes con terminals en la base, es claro que el vaciado será un problema que muchos deben atender. Los autores continuarán estudiando los factores que incluencian sobre el vaciado con objeto de ayudar al lector a “Llenar el vacío”.

FUTURO TRABAJO El desarrollo de estrategias para la mitigación del vaciado sigue en curso y estas estrategias se presentarán en futuros documentos técnicos. Los efectos de vaciado de varias soldaduras en pasta sin necesidad de limpieza estan siendo estudiados. El tamaño de partícula de soldadura en polvo y los fabricantes de la soldadura en polvo estan siendo examinados por sus efectos en el vaciado. La optimización del diseño de stencil también esta bajo investigación. El reflujo de fase de vapor con aspiradora esta siendo probado y comparado al reflujo de convección. La posibilidad de usar reflujo de fase de vapor con aspiradora para retrabajar uniones de soldadura con vacíos esta bajo investigación. Una combinación de estrategias de mitigación puede tener un efecto drámatico en la aparición de vaciado.

RECONOCIMIENTOS Muchas gracias a McKennah Repasky, un pasante de verano con FCT Assembly, por todo su arduo trabajo llevando a cabo las pruebas para este documento.

REFERENCIAS [1] K. Sweatman, T. Nishimura, K. Sugimoto, A. Kita, “Controlling Voiding Mechanisms in the Reflow Soldering Process”, Proceedings of IPC APEX Expo, 2016.

Traducción de las figuras Inglés Fig 2

• Print/dispense • Temp/humidity • Volume, storage condition • Reflow - peak temp, TAL, BLT, ramp rate, soak

temp, soak time, atmospheric pressure, atmosphere, void

• Substrates components – Storage condition, surface finish, mounting alignment, oxidation level, soldering area, surface roughness

• Solder paste – Surface tension of molten solder, flux activity, powder size/oxidation level, melting temp range, storage condition, flux vaporization behavior

Español fig 2

• Impresión/dispensar • Temp/Humedad • Volúmen, condición de almacenaje • Reflujo – Temperatura de pico, TSL, BLT, tasa de

rampa, temperatura de remojo, tiempo de remojo, presión atmosférica, atmósfera, vacío

• Componentes de substrates – condición de almacenaje, acabado de la superficie, alineación de ensamblaje, nivel de oxidación, área de soldadura, dureza de la superficie

• Soldadura en pasta – tension superficial de la soldadura fundida, actividad del flux, tamaño del polvo/nivel de oxidación, tasa de temperatura de fusión, condición de almacenaje, comportamiento de la vaporización del flux

Inglés fig 3

• QFNs for void measurement Español fig 3

• QFNs para la medición del vacío Inglés Fig 9

• Oneway analysis of void area % by solder paste • Means comparisons, Comparisons for all pairs

Tuckey Kramer • Confidence quantile • LSD threshold matrix • Paste • Level, Mean

Español fig 9

• Análisis unilateral del % de área de vacío por la soldadura en pasta

• Comparaciones de medios, Comparaciones para todos los pares Tuckey Kramer

• Cuantil de confianza • Umbral de matriz LSD • Pasta • Nivel, Medio