Derzeit ist die Verwendung von 01005-Passiven bei diversen SiP-Applikationen in der Industrie als „Standard“ weit verbreitete, doch die Bauteil- und Packagingindustrie schaut bereits auf den baldigen Einsatz von 008004-Passiven (die nur etwa halb so groß sind wie 01005-Bauteile).
Zusätzlich zur Anwendung der kleineren passiven Bauteile schrumpft auch der Abstand zwischen benachbarten Pads, um mehr Komponenten in einem SiP-Baustein zu realisieren. Dieser Abstand kann sich bis auf nur noch 50 μm reduzieren. Daher ist es sehr wichtig, in einem gut kontrollierten und konsistenten Druckprozess die Lotpaste bestmöglich aufzubringen, um gute Fertigungsausbeuten zu erzielen. Zur Bewältigung dieser anspruchsvollen Anforderung wird die Auswahl der richtigen Lotpaste, Lotpartikelrgröße, Schablonendesign/Öffnungsgröße, Schablonendicke und Druckparameter äußerst wichtig. All diese Einflussgrößen werden in diesem Bericht eingehend erörtert.
Partikelgröße des Lotpulvers
Für die meisten aktuellen Anwendungen in der Baugruppenfertigung werden Lotpasten mit den Pulverfraktionen Typ 3 und Typ 4 eingesetzt. Da die Miniaturisierung zu immer geringeren Schablonenöffnungen führt, werden immer häufiger feinere Pulvervarieanten vom Typ 5 und 6 verwendet. Gegenwärtig benutzen einige Firmen bereits Pulverfraktionen vom Typ 6 für SiP mit 01005-Komponenten, und für Bausteine der nächsten Generation mit 008004 werden sowohl Pulvergrößen vom Typ 6 als auch Typ 7 in Betracht gezogen.
Eine allgemein gültige Industrierichtlinie besagt, dass es zur Erzielung einer konstanten Druckleistung mit der passenden Lotpaste wichtig ist, die Pulvergröße so zu wählen, dass für die Bildung des Depots mindestens 5 bis 6 Lotpartikel (man nimmt das größte Partikelsphere aus diesem Bereich) quer über die Schablonenöffnung (Aperture) realisierbar sein müssen.
Area-Ratio der Schablone
Neben der Bestimmung des richtigen Partikeltypes für jede Anwendung ist eine weitere wesentliche Voraussetzung das korrekte Area-Ratio der Schablonenöffnung. Die Berechnung des Area-Ratio und die Festlegung der richtigen Pulvertypes unterstützt ein gutes Auslösen der Lotpaste aus der Schablone. Beim Area-Ratio handelt es sich um das Verhältnis von der Fläche der Schablonenöffnung zur Fläche der Schablonenwände. Generell ist ein Flächenverhältnis von ≥0,66 für alle Schablonenöffnungen empfohlen.
Rheologie der Lotpaste
Die im Schablonendruck eingesetzten Lotpasten sind thixotrope Materialien , mit niedriger Fließspannung, welche durch Scherbeanspruchung ihre Viskosität verreingern. Die Rheologie wird sowohl durch das Flussmittel als auch durch das Lotpulver bestimmt wird.
Der Metallgehalt der Paste liegt typischerweise bei etwa 50 Volumenprozent – ist der Wert, bei dem die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen beginnen die Rheologie der Lotpaste erheblich beeinflussen. Dies ist insofern nützlich, als ein höherer Metallanteil ein Auslaufen (Spread) des Lotmaterials verhindert, (manchmal verursacht durch das Absacken/Slumping) der Lotpaste, und dies kann somit die Void-Bildung im Reflowprozess reduzieren. Allerdings wird dadurch die Paste auch sehr anfällig für den Verlust von Lösungsmitteln durch Verdampfen, was zu Schwankungen beim Drucken führt. Beachten Sie, dass der Begriff „Slump“ eine durch die Schwerkraft verursachte Ausdehnung des Lotpastendeposits in X- und Y-Richtung ist. Die Fließspannung in der Paste kann das Absacken verhindern. Eine zu hohe Metallbelastung kann der Paste jedoch eine sehr hohe Fließspannung verleihen und verhindern, dass die Paste die Öffnungen gut füllt und und nicht einfach aus den Schablonenöffnungen auslöst. Daher ist die Optimierung des Metallanteils für den Druckprozess wichtig; sie wird von mehreren Faktoren bestimmt.
Die Pastenrheologie beeinflusst drei grundlegende Faktoren im Druckprozess:
- Füllung der Öffnungen
- Schablonenablösung
- Spread (Auslaufen)
Einschlägige Arbeiten über den Druck von Lotpaste bei ultrafeinem Abstand haben gezeigt, dass eine der primären Fehlerarten für das Auslaufen der Paste das Flussmittelaustritt unter der Schablone während des Druckvorgangs ist. Die Schablone kann keine absolut perfekte Dichtung mit dem darunter liegenden Substrat herstellen und somit fließt ein Anteil des Flussmittels aus der Paste unter die Schablone. Löst sich die Paste aus der Schablone, kann das Flux auch Lotpartikel mit sich führen, was ebenfalls zum Spreading der Paste beiträgt.
Die Auslösung der Lotpaste aus einer Schablone findet innerhalb der Pastengrenzschicht nahe der Wand der Öffnung statt. Die Situation in Beispiel B ist am häufigsten zu sehen, aber für Öffnungen mit feineren Abständen wird A notwendiger, was normalerweise durch eine Paste mit hohem Metallanteil erreicht wird. In A weist die Paste eine ausreichende „Klebrigkeit“ (normale Haftung zum Substrat) auf, so dass die Paste beim Auslösen aus der Schablone auf einem Flussmittelfilm herausgleiten kann (wobei der hohe Metallanteil die Partikel zusammenhält), anstatt sich in der Pastenmasse zu entmischen (wie in B). Die höhere Metallbeladung begrenzt auch den Flussmittelverlust, so dass nicht nur ein vollständiges Pastendepot gebildet wird, sondern auch kein Auslaufen stattfindet.
Beachten Sie, dass im Laufe der Zeit etwas Lösungsmittel aus dem Flussmittel verdampft, so dass eine Erhöhung des Metallanteils auch die Geschwindigkeit beschleunigen kann, mit der die nachlassende Druckqualität von A nach C fortschreitet (geringe oder keine Auslösung). Dies bedeutet, dass auch die Flussmittelformulierung eine wichtige Rolle für die Lebensdauer der Paste auf der Schablone spielt.
Lotpastendruck-Experiment – Versuche mit unterschiedlichen Pastenformulierungen
er Drucktest erfolgte mit vier verschiedenen Lotpasten vom Type T6SG-L. Zwei der Pasten wurden mit No-Clean-Flussmittel hergestellt, einschließlich einer Formulierung mit extrem niedrigen Rückständen, die für SiP-Anwendungen ausgelegt ist, während die beiden anderen eine wasserlösliche Flussmittelchemi enthielten. Die Lotpastenproben weisen unterschiedliche Metallgehalte auf, weil die Flussmittel durch unterschiedliche rheologische Eigenschaften charakterisiert sind.
Test-Versuchsträger
Ein Versuchsträger wurde speziell konzipiert zur Nachbildung einer typischen Substratgröße: 237 mm Länge, 62 mm Breite und 0,5 mm dick. Er besteht aus zwei Reihen von Druckmustern. Jedes Array weist fünf Spalten von Druckmustern mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Komponenten auf sowie drei Reihen mit unterschiedlichen Öffnungsgrößen. Die Pads sind in horizontaler und vertikaler Position so angeordnet, dass verschiedene Druckrichtungen des Rakels simuliert werden können. Die Oberflächen der Pads waren in NiAu (ENIG) ausgeführt und sind nicht per Lötmaske definiert (NSMD). Der Versuchsträger enthält auch noch 01005-Pads, diese stehen hier aber nicht im Mittelpunkt dieser Studie.
Für diesen Test wurden mehrere unterschiedliche Aperturgrößen ausgewählt, um das Druckvolumen im Vergleich zu verschiedenen Flächenverhältnissen zu untersuchen: 125 μm x 150 μm, 112,5 μm x 150 μm und 100 μm x 150 μm. In diesem Test wurde eine lasergeschnittene Schablone mit einer Dicke von 50 μm verwendet, wodurch sich Area-Ratios von 0,68, 0,64 und 0,60 für verschiedene Öffnungsgrößen ergaben. Es wird erwartet, dass das Pad mit einem Area-Ratio von 0,68 besser drucken kann als andere kleinere Pads mit einem Verhältnis von 0,64 und 0,60.
Die Testmethodik
Die lasergeschnittene Schablone weist im Vergleich zu elektrogeformten (galvanisch bearbeiteten) Ausführungen eine relativ rauere Wandstruktur der Öffnungen auf. In diesem Test wurde ein 60°/12-Zoll-Rakel eingesetzt. Die Versuchsträger wurden auf einen Rahmen geladen, um die nötige Stabilität während des Drucks zu gewährleisten. Bei dieser Drucksimulation wurden für jede Lotpaste insgesamt 10 Teststreifen unter Berücksichtigung der jeweils optimierten Druckerparameter verwendet. Jede Lotpaste erforderte unterschiedliche Einstellungen von Druckgeschwindigkeit und Anpressdruck, um einen sauberen Druckvorgang auf der Schablonenoberfläche zu erreichen. Das Lotpastenvolumen der 10 bedruckten Teststreifen wurde dann mit Hilfe eines SPI-Systems inspiziert und ausgewertet.
Ergebnisse der Drucktests und Diskussion
Die Paste D innerhalb der vier Lotpastenkandidaten hebt sich deutlich ab. Der Druck mit einem Area-Ratio bis hinunter zu 0,60 ist bei Beachtung der passenden Rheologie auch mit einer lasergeschnittenen Schablone möglich. Paste D zeigt eine enge Streuung bis herab zur Aperturgröße 100 μm x 150 μm (0,60AR). Paste A weist eine wasserlösliche Formulierung auf und schneidet in dieser Studie ebenfalls relativ gut ab.
Alle Lotpasten zeigten bei einem Pad-Abstand von 50 μm Brückenbildung. Jedoch erreichten wir bei einem Abstand von 80 μm sehr ermutigende Ergebnisse ohne Lotbrücken, obwohl das Tooling für den Druckprozess nicht perfekt war. Eine elektrogeformte Schablone könnte möglicherweise den Druck bei Abständen von 50 μm verbessern; dies würde allerdings erst in einer künftigen Studien untersucht werden.
Am Beispiel von Paste D wurde auch beobachtet, dass mit zunehmendem Abstand zwischen den Pads auch das Pastenvolumen zunahm. Alle Lotpasten zeigten ein ähnliches Verhalten. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass das Lotvolumen quasi „verhungert“, wenn die Lotpaste über den Bereich mit engen Pad-Lücken abrollt. Diese dichteren Pad-Bereiche beanspruchen mehr Materialvolumen, doch die Paste kann an diesen Stellen das Volumen nicht mehr rechtzeitig ergänzen, wenn sie über die Schablone rollt. Zu beachten ist auch, dass bei einem größeren Abstand der Pads die Schablonenfolie zwischen den Öffnungen dicker und steifer ist. Dies könnte auch den Mechanismus der Pastenauslösung beeinflussen.
Um weiter zu untersuchen, wie sich Viskosität und Rheologie auf die Druckleistung auswirken, wurde ein Lotpasten-Muster mit dem Flussmittel D mit 0,5 % geringerem Metallanteil (ML) verwendet. Eine geringere Metallbeladung hat eine niedrigere Viskosität zur Folge.
Es wurde ein T-Test mit zwei Mustern durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass diese geringfügige Änderung der Metallbeladung zu statistisch signifikanten Unterschieden in der Druckleistung führt. Der Druck des Musters mit 90,5 % Anteil (ML) zeigt ein höheres mittleres Volumen und eine engere Verteilung im Vergleich zur Probe mit 91 %.
Schlussfolgerung
Um für SiP-Applikationen mit feinen Strukturen eine gleichbleibend gute Druckleistung zu erzielen, sind viele Parameter von großer Bedeutung und müssen entsprechend angepasst werden. Lotpaste mit geeigneter Rheologie, gemischt mit der richtigen Paktikelgröße und dem passenden Flussmittel sind zu bewerten und entsprechend auszuwählen. Schablonenöffnungen mit dem optimalen Area-Ratio, die die Effizienz der Lotpastenauslösung von der Schablone auf das Substrat maximieren, müssen ebenfalls berücksichtigt werden. In naher Zukunft werden wir weitere Drucktests durchführen, um lasergeschnittene Schablonen mit galvanisch geformten Schablonen, unterschiedlichen Schablonendicken sowie Aperturdesigns zu vergleichen. Für mehr Information kontaktieren Sie
Andreas Karch, akarch@indium.com.
Danksagung
Besonderer Dank geht an das Team des Suzhou Simulation Lab der Indium Corporation – Ms. Wisdom Qu, Dr. Fiona Chen und Leon Rao – für ihre Hilfe und Unterstützung bei der Durchführung der Lotpastendrucktests in ihrem Labor.
kurz & bündig
Der Artikel geht auf die Herausforderungen beim Erreichen einer konstant hohen Druckleistung bei Applikationen mit feinen Strukturen unter Verwendung von Lotpaste der Partikelgruppe Typ 6 (5–15 μm) ein. Ergebnisse aus Testreihen mit verschiedenen Schablonendesigns, Druckparametern und unterschiedlichen Lotpasten werden im Detail besprochen.
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