熱を要求するアプリケーションのボイド制御のためのプロセス、設計、材料要因

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はんだボイドは、すべての半導体パッケージングおよび電子基板アセンブリに共通の現象です。 ボイドは、表面実装技術を使用して作成されたアセンブリにおける厄介な欠陥です。 空隙は電気信号を妨害する可能性があり、放熱が必要な場合には絶縁体となる可能性があり、パッド表面付近で発生すると亀裂の伝播やアセンブリの早期故障の原因となる可能性もあります。 ボイドの許容レベルは、最終用途や使用される環境によって異なります。自動車や屋外 LED 照明など、熱を要求する過酷な環境用途の場合、性能を最適化し、寿命を延ばすためにボイド制御が必要です。これらのコンポーネント。 これらの熱パッドおよび電気パッド上のボイドが少ないほど、PCB およびその後の層への接続が良好になります。

ボイドの頻度とサイズに影響を与える要因は数多くあります。 この研究は、業界および最終市場の受け入れ基準を満たすためにボイドを制御または潜在的に削減するプロセス、設計、および材料の選択に関するいくつかの考慮事項に焦点を当てています。 より具体的には、パッケージ設計、リフロープロファイル、はんだペーストの化学的性質がアプリケーション研究の形で議論されます。 これらのケーススタディでは、アルミニウム メタル コア PCB 上の市販の中出力 PLCC および高出力セラミック LED パッケージに加え、FR4 PBC 上の BGA、D-Pak、および MLF が使用されました。

図1：はんだ層内にボイドが閉じ込められる。

LED ベースの光源が世界的に受け入れられたことにより、エネルギー効率の高い技術が数多くの市場に参入し、高出力照明セグメントを含む最終アプリケーションに参入するようになりました。 例としては、自動車の外装ヘッドランプ、道路/街路照明、工業用高天井照明、建築照明およびエンターテイメント照明が挙げられます。 その結果、導入率を満たすためには、効率、政府規制、安全性の維持、システム全体/交換コストの削減に対する顧客の期待が重要になります。

これらの高い信頼性と寿命の要件に対しては、上記のニーズに対応するための優れたアセンブリ相互接続信頼性を備えていることが重要です。

LED レベル 1 (チップ/ダイ接続) およびレベル 2 (パッケージオンボード接続) におけるインターコネクトの役割は、基本的に次のとおりです。

図2:ハイパワー LED の熱経路。

はんだフラックスから閉じ込められたガスのポケットであるボイドは、電気信号に問題を引き起こす可能性があり、熱放散が必要な場合に熱抵抗として機能する可能性があり、クラックの伝播やアセンブリの初期故障の原因にもなる可能性があります。 図 1 は、バルクはんだ層内の広い面積のボイドを示しています。 ボイドの発生現象は複雑なシステムです。 さまざまなレベルの排尿を引き起こす多くの要因があります。 例としては、化学的性質、リフロー プロファイル、材料の量、はんだ付け可能なパッドの仕上げ、コンポーネント パッドの設計 (熱的および電気的) が挙げられます。

レベル 1 LED チップ取り付けアセンブリの場合、従来のはんだの使用は、処理の容易さとコストの両方の点で利点と見なされます。 ただし、熱管理の重要性は高出力および超高出力 LED にとって非常に重要です。 LED のジャンクション温度は、駆動電流が増加すると増加します。 LED では高駆動電流時の効率低下により入力電力の 50% 以上が熱として放散されるため、この接合温度の上昇により非発光再結合の可能性が高まり、効率と定格寿命の低下を引き起こす光出力が低下します。 。 したがって、光変換効率と高出力 LED パッケージからの光出力を維持するには、放散された熱を接合部から除去する必要があります。 高出力 LED パッケージの熱流路内のさまざまなコンポーネントを図 2 に示します。

表1：テスト車両の詳細。

さらに、レベル 1 の場合、レベル 2 アセンブリとして基板上にはんだベースのダイアタッチを備えた LED パッケージを処理するための要件には、複数のはんだ付けリフロー機能が必要です。 同じはんだバルク層を複数回リフローすると、ボイドのレベルが増加し、レベル 1 層のスタック全体の信頼性に影響を与える可能性があります。

レベル 2 パッケージのオンボード アセンブリでは、LED が同じボードに直接実装される BGA、D-Pak、MLF などのさまざまな従来の IC コンポーネントとの統合が進んでいます。 これは、照明システムが一般的な照明を超えて、制御、感知、変調などのより複雑な機能を提供する必要性によって推進されています。 広い面積のボイドは電気信号に問題を引き起こしたり、熱サイクル/疲労により亀裂を発生させたりする可能性があるため、レベル 2 層ではより堅牢でボイドの少ない相互接続が必要になります。

表 2:LED パッドの寸法 (mm)。

実験手順 – デザインケース

表 3:印刷条件。

業界では、設計構造/サイズやパッケージ材料 (セラミックやプラスチックなど) に至るまで、さまざまな LED 設計が使用されています。 この実験の目的は、パッドの形状が主な違いである 3 つの異なる構造に基づいてボイドの影響を観察することです。 たとえば、アノードとカソードが対称である 2 パッド設計、中央のサーマル パッドの総面積がわずかに大きい 3 パッド高アスペクト比設計、そして最後に、中央のサーマル パッドが対称である 3 パッド設計です。アノードとカソードと比較すると、総面積の点で大幅に大きくなります。 表 2 に、LED パッドの総面積と構造を示します。

アセンブリの材料とコンポーネント

基板

この研究で使用される基板は、カスタム設計のアルミニウム コア PCB です。 このボードの詳細を表 1 に示します。

LEDコンポーネント

この研究では、さまざまなパッド形状を備えた 3 つの市販の高出力 LED が選択されました。 LED のアノード、カソード、サーマル パッドの寸法パラメータを表 2 に示します。寸法はすべてミリメートル単位です。 LED は、高出力および超高出力アセンブリで選択された一般的なパッケージをエミュレートするために選択されました。

はんだペースト

この研究では、タイプ 4 の粒径 SAC ベースの合金 (粒径 38 ～ 20 μm (最小 80%)) を使用する市販の洗浄不要のはんだペーストを使用しました。

プロセスとテスト方法

設備処理内容

はんだペーストの印刷は、DEK Horizo​​n 03iX プリンタを使用し、開口サイズとパッド サイズの比率が 1 対 1 で、厚さ 4 ミルのレーザーカットされたステンレス鋼ステンシルを使用して実行されました。 すべてのはんだペーストに使用されるステンシル印刷パラメータを表 3 に示します。

リフローはんだ付け

この研究では、図 2 に示すソーク リフロー プロファイルが使用されました。温度は表 4 に示されています。

表 4:研究で使用したリフロープロファイル。

試験方法

さまざまなペーストと LED パッド レイアウトのボイド形成性能を測定および定量化するために、組み立ておよびリフローされた基板を X 線分析ユニットにロードし、各ボイドの面積を総パッド面積のパーセントとして定量化するようにプログラムしました。パッケージの下の空隙。

SMT007 マガジン 2018 年 10 月号に掲載された記事全文を読むには、ここをクリックしてください。

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