Модели пасты для термоупоров QFN, обеспечивающие чистое переоборудование

Переработка неудачного пакета QFN на плотной аналоговой плате не должна грозить разрушением всей сборки. Часто именно так и происходит. Виновником является трафарет тепловой пасты, предназначенный только для начальной сборки, а не для замены компонентов. Сплошное отверстие, наноситщее толстый слой пасты, может создать прочную тепловую связь во время производства, но тот же объем припоя становится упрямым теплоотводом во время переработки. Он распространяет повреждающую тепловую энергию по плотно упакованным компонентам, превращая простую ремонтную работу в цепочку отказов. На высокоценных платах, где компоненты разделены десятыми миллиметра, одна попытка переработки может вызвать микровсплывы, перемычки соединения припоя или тепловой шок у соседних точных устройств, что приводит к списанию всей платы.

Переработка — это не второстепенная задача; это критическая входная информация для проектирования, которая должна формировать геометрию трафарета с самого начала. Ключ к чистой переработке — это шаблон, намеренно уменьшающий объем тепловой пасты на тепловой пластине. Дизайны с оконными апертурами создают предпочтительные тепловые пути, локализуя тепловую энергию на целевом компоненте вместо её рассеивания по окружающей плате. Этот подход подразумевает умеренное сокращение начального объема припоя. Это не компромисс — это оптимизация общего жизненного цикла сборки, где возможность замены одного компонента без побочных повреждений ценнее, чем незначительное улучшение теплопроводности.

Дизайн трафарета, который достигает этого, не сложен, но он преднамерен. Он объединяет шаблоны апертур с оконными стеклами — разделяя тепловую пластину на сетку отдельных островков припоя — с более тонким трафаретом толщиной 4-5 мил. Эти решения смещают уравнение тепловой массы в сторону облегчения переработки, при этом сохраняя более чем достаточное покрытие припоя для тепловых характеристик в большинстве аналоговых применений. Итоговые соединения спроектированы так, чтобы быть обратимыми.

Императив переработки для плотных аналоговых сборок

На современных аналоговых платах переработка — это вопрос физики, а не только мастерства техника. Когда QFN окружен пассивами 0402 с шагом 0,5 мм, тепло, необходимое для перераспайки его соединений, никогда не остается внутри. Тепло проходит через плату, маску и, что важно, через массив припоя на тепловой пластине. Если этот припойный массив большой, он действует как тепловой резервуар, который нужно разогреть до температуры перераспайки, прежде чем можно будет снять чип. Энергия, необходимая для нагрева этого резервуара, — это та же энергия, которая повреждает окружающие компоненты.

Экономическая составляющая ясна: попытка переработки, вызывающая перемычки припоя к соседнему компоненту с тонким шагом или термический шок у точечного эталона напряжения, превращает единичную отказ в списание всей платы. В прототипировании или мелкосерийном производстве, где стоимость плат высока, а сроки долгие, это недопустимо. Стоимость разработки трафарета для предотвращения этого — ничтожна по сравнению с совокупной стоимостью всех плат, уничтоженных во время переработки.

Плотные аналоговые схемы усиливают эту проблему, не оставляя теплового запаса. Раздельный силовой QFN на изолированном участке платы может терпеть неточные нагревы, потому что рядом ничего критического нет. Встроенный QFN в плотно упакованной цепи сигналов, окруженный взаимосогласованными резисторными сетями и операционными усилителями с низким смещением, — уже нет. Разница не в инструменте переработки или операторе; она в тепловой массе, которую дизайн трафарета накладывает на плату. Тепловая пластина обычно является крупнейшим соединением припоя, зачастую содержащим 40-60% общего припоя компонента. Сплошное отверстие заставляет станцию переработки расплавлять весь этот массив одновременно, создавая тепловой спрос, который стандартные инструменты не могут обеспечить локально. Операторы вынуждены повышать температуру воздуха или время выдержки, что увеличивает тепловой след и гарантирует побочные повреждения. Решение — не лучший инструмент, а уменьшение тепловой массы, с которой сталкивается инструмент.

Как чрезмерный объем пасты влияет на необходимость повторной обработки

Избыточное количество пасты на тепловой пластине вызывает предсказуемые отказы. Это не абстрактные риски, а прямой результат взаимодействия геометрии паяных соединений с теплом инструмента переработки. Сплошная апертура трафарета создает соединение с высоким тепловым запасом. Хотя это кажется идеальным при первоначальной производстве — обеспечивая полную влажность и прочную фиксацию — это становится источником нескольких механизмов отказа в процессе переработки.

Первая проблема — сохранение тепла. Припой — плохой теплопроводник по сравнению с медью, но он значительно лучше воздуха. Когда инструмент переработки нагревает, большое сплошное соединение припоя поглощает и равномерно распределяет энергию, пока не достигнет своей температуры плавления. Это противоположно тому, что требуется для переработки. Эффективная переработка зависит от острого локализованного теплового градиента, который расплавляет припой у интерфейса компонента, не перегревая окружающую плату. Массовое соединение припоя мешает этому, действуя как тепловой буфер, заставляя процесс нагревать большую площадь, чтобы выполнить задачу. Это приводит к двум конкретным повреждениям: появлению пустот и смещению припоя.

Пустоты, вызванные застрявшими летучими веществами флюса

Образование пустот происходит, когда газ, главным образом из испарившегося флюса, задерживается при затвердевании припоя. В хорошо спроектированном соединении эти летучие вещества выходят до замерзания припоя. Но в большом твердом тепловом подложке геометрия работает против этого. Когда паста растекается, испарившийся флюс создаёт давление. Если соединение — это сетка из меньших «островов» (узор оконного стекла), газ легко мигрирует к краям и выходит. В большом непрерывном массе путь к краю слишком длинный. Поверхностное натяжение расплавленного припоя задерживает газ, который образует пустоты по мере охлаждения соединения.

Повторная обработка ухудшает эту проблему. Соединение, которое повторно обрабатывается, уже прошедшее один цикл повторного прогрева, расходует большую часть своего флюса. При повторном нагреве активируется оставшийся флюс, но его осталось меньше, чтобы помочь припою слипаться и освобождать захваченный газ. Нагрев для повторной обработки также быстрее и менее равномерный, чем при производственном повторном прогреве, создавая температурные градиенты, усугубляющие задержку газа. В результате возникает еще больше пустот.

Это не просто косметический дефект. В тепловом подложке пустоты ухудшают теплопроводность, увеличивая тепловое сопротивление между компонентом и платой. Для компонентов, таких как МОП-транзисторы с высоким током или прецизионные аналоговые ИС, которые полагаются на тепловую подложку для охлаждения, это может вывести температуру перехода за пределы безопасной рабочей нагрузки. Ирония в том, что твердая апертура, выбранная для максимизации тепловых характеристик, в конечном итоге может снизить их, способствуя образованию пустот.

Микро-Боллы и смещение пасты

Основным последствием чрезмерного объема пасты является латеральное смещение расплавленного припоя. Это проявляется в виде микроболлов или бобов припоя в области вокруг компонента. Когда большая масса расплавленного припоя взволнована — например, давлением из форсунки для повторной обработки или сильным выбросом захваченных газов флюса — его частицы могут быть выталены из соединения. В плотной сборке этот вытолкнутый припой попадает на маску припоя или между площадками компонентов, затвердевает и превращается в мелкие проводящие сферы.

Толстая трафаретная рамка, такая как 6 мил, в сочетании с твердой апертурой делает это неизбежным. Объем нанесенного припоя может превышать влажную область площадки, особенно если площадка определена маской с неправильной регистрацией. Во время повторного прогрева этот избыток припоя собирается по кромкам соединения. Во время повторной обработки это первый материал, который расплавляется, и наиболее склонен к смещению. Для аналоговой платы с прецизионными резисторами или низкопотечными узлами рядом с QFN, одна капля припоя может создать короткое замыкание или утечку, которые нарушат работу.

Сам флюс может выступать как транспортное средство. При температуре повторного прогрева флюс становится низкоскользящим жидким веществом, которое может переносить частицы расплавленного припоя по мере его распространения. Он просачивается в узкие зазоры между площадками, перенося микроприпой и оставляя проводящие загрязнения после охлаждения.

Шаблоны апертур оконных стекол: стратегическое решение

Апертура в виде окна — это не компромисс, а стратегическая переработка соединения припоя. Вместо одного большого отверстия, апертура трафарета делится на сетку меньших отверстий, создавая отдельные островки припоя, разделённые зазорами без припоя. В результате получается серия изолированных соединений, а не один монолитный блок.

Эта геометрия напрямую борется с режимами отказа из-за избыточной пасты. Зазоры между островками припоя выполняют две функции: они обеспечивают легкий выход пар из флюса, значительно уменьшая пустоты, и сокращают общую тепловую массу соединения. Это уменьшение тепловой массы позволяет проводить чистую повторную обработку. Соединение с покрытием припоя в 50 процентов требует примерно вдвое меньше тепловой энергии для повторного прогрева. Это прямо приводит к более точному тепловому профилю во время повторной обработки, сосредотачивая тепло на целевом компоненте и защищая соседние.

Разница очевидна во время процесса повторной обработки. Островки припоя в узоре окна достигают температуры повторного прогрева быстрее и более равномерно. Зазоры позволяют горячему воздуху от инструмента для повторной обработки проникать ближе к плате, улучшая теплопередачу. При меньшем объеме припоя для нагрева время обработки короче, что означает меньше теплового воздействия и меньший риск повреждений всей сборки.

Геометрия апертуры и распределение тепла

Зазоры в узоре оконного стекла спроектированы как каналы для тепла и газа. Во время повторной обработки эти воздушные зазоры позволяют нагретому воздуху проникать глубже в интерфейс компонент- плата, повышая эффективность процесса.

Ширина зазора должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить воздушный поток, но достаточно узкой, чтобы предотвратить слияние островков припоя во время повторного прогрева. Типичный зазор составляет 0,5 мм до 1,0 мм для QFN размером 5 мм до 7 мм. Отдельные островки припоя обычно представляют собой равномерные квадраты или прямоугольники, что упрощает дизайн трафарета и обеспечивает равномерный выпуск пасты. Основной переменной в дизайне является процент общего покрытия — отношение площади припоя к общей площади площадки. Покрытие в диапазоне 50–70 процентов является обычным для оптимизированных повторной обработки дизайнов. Узор в 50 процентов вдвое уменьшает тепловую нагрузку, обеспечивая максимальную повторную обработку. Узор в 70 процентов дает более умеренную пользу для повторной обработки, сохраняя большую часть теплопроводности. Выбор зависит от тепловых требований компонента и плотности окружающего макета.

Однако плохая реализация узора окна может привести к отказу. Самая распространенная ошибка — слишком узкие зазоры, что позволяет припою моститься между островками и воссоздавать сплошное соединение. Другие ошибки включают неправильный размер островков, вызывающий неравномерное нагревание, или непредусмотренный спад пасты при использовании тонких трафаретов. Этот узор должен реализовываться с точностью для эффективности.

Выбор толщины трафарета для совместимости с переработкой

Паттерн апертуры определяет, куда попадает паста; толщина шаблона определяет, сколько. Эти две переменные должны подбираться вместе. Для оптимизированных для повторной сборки дизайнов более тонкий шаблон толщиной 4-5 мил дает значительное снижение объема пасты без ущерба надежности соединения для большинства применений.

Стандартные производственные шаблоны часто имеют толщину 5-6 мил. Переход с шаблона толщиной 6 мил на 5 мил снижает объем пасты почти на 20 процентов. Эта потеря объема напрямую сказывается на меньшей тепловой массе, сокращая время переработки и уменьшая тепловое воздействие на рядом расположенные компоненты.

Компромисс заключается в возможной недостаточной пасте на тонких периметральных выводах с мелким шагом. Коэффициент соотношения сторон апертуры (ширина к толщине) должен быть достаточно высоким для надежного высвобождения пасты. Для вывода с шагом 0,5 мм и шириной апертуры 0,25 мм, шаблон толщиной 5 мил дает соотношение 2:1, что является предельным. Шаблон толщиной 4 мил улучшает соотношение до 2,5:1, повышая высвобождение пасты. Более тонкие шаблоны могут улучшить качество печати на выводах с мелким шагом и одновременно снизить объем пасты на тепловой подушке — комбинацию, идеально подходящую для плотных аналоговых сборок.

Рекомендуемые диапазоны толщины:

• Для дизайнерских решений, ориентированных на переработку (окно 50-70%): Толщина 4-5 мил.
• Для высокой тепловой производительности с возможностью переработки (плотная подушка): Толщина 3-4 мил, требующая более точного контроля процесса.
• Для стандартного производства (переработка не приоритет): Толщина 5-6 мил.

Эта стратегия особенно важна при использовании бессвинцовых сплавов, таких как SAC305. Их более высокая температура пайки (240-250°C) увеличивает тепловую энергию, необходимую для переработки, что усугубляет проблему тепловой массы. Для бессвинцовых плат преимущества снижения объема пасты за счет шаблонов-окон и более тонких шаблонов становятся еще более очевидными.

Балансировка тепловых характеристик и реальности переработки

Проектирование шаблона тепловой подушки — это баланс между максимизацией припоя для теплопроводности и минимизацией его для доступа к переработке. В некоторых высокомощных приложениях тепловые требования абсолютны, и любое снижение проводимости неприемлемо. В таких случаях дизайн должен приоритезировать тепловую производительность и либо принимать сложную переработку, либо внедрять другие стратегии теплового управления, такие как тепловыеvias или внешние радиаторы.

Для большинства аналоговых QFN, однако, тепловые требования не являются абсолютными. Пайка — лишь одна из нескольких тепловых сопротивлений на пути от кремниевого соединения до окружающего воздуха, и часто не является доминирующей. Сопротивление от соединения до корпуса компонента и от платы до воздуха зачастую больше. В этих системах снижение покрытия припоя с 100% до 60% может увеличить тепловое сопротивление соединения, но влияние на общее тепловое сопротивление системы может составлять всего 10-20%. Это часто является вполне приемлемым компромиссом для обеспечения переработки.

Процент покрытия припоя — это параметр, контролирующий этот компромисс. План с покрытием 50% обеспечивает максимальную пользу для переработки за счет снижения тепловой массы вдвое. План с покрытием 70% предлагает более консервативный баланс, сохраняя большую часть тепловых характеристик и создавая пути выхода газов и прерывания в массе припоя. Правильный выбор должен основываться на тепловом анализе.

Тепловая проверка без ущерба для переработки

Тепловая проверка может быть выполнена через моделирование или эмпирические испытания. Инструменты моделирования могут моделировать тепловой поток и предсказывать температуру соединения при различных процентах покрытия паяльной пастой, оценивая влияние узора оконного стекла.

Для команд без инструментов моделирования, эмпирические тесты являются надежной альтернативой. Соберите прототипы с предложенным узором оконного стекла, подайте питание на компонент и измерьте его температуру с помощью термоконтактных или инфракрасных камер. Если измеренные температуры безопасно укладываются в указанные пределы компонента при работе в худших условиях (максимальная мощность, максимальная температура окружающей среды), конструкция считается подтвержденной. Если нет, покрытие паяльной пастой можно увеличить или изучить другие тепловые стратегии.

Цель — подтвердить, что сокращенный узор пасты обеспечивает достаточную тепловую эффективность во всем диапазоне условий производства и эксплуатации. Игнорировать конфликт между тепловыми потребностями и возможностью повторной доработки нельзя. Обнаружение того, что ваши платы уничтожаются в процессе повторной доработки, — это дорогостоящая и полностью избегаемая ошибка.