กระบวนการยึดชิ้นส่วนด้วยการบัดกรีอ่อนสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า

การบัดกรีอ่อนเพื่อยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Soft solder die attach) เป็นกระบวนการเชื่อมต่อที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง ชั้นยึดติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (Die Attach Layer) สร้างทั้งการยึดติดทางกลและเส้นทางความร้อน-ไฟฟ้า ระหว่างชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์กับแผ่นนำไฟฟ้า (Leadframe), แผ่นทองแดง (Copper Substrate), แผ่นเซรามิก (Ceramic Substrate) หรือแผ่นฐานโมดูล (Module Baseplate) เนื่องจากชั้นยึดติดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ส่งผลโดยตรงต่อการระบายความร้อน ความต้านทานไฟฟ้า ความเครียดทางกล และความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ การควบคุมปริมาณตะกั่วบัดกรี การเปียก ความหนาของแนวเชื่อม การเอียงของชิ้นส่วน สภาพแวดล้อม และการระบายความร้อนอย่างเสถียรจึงเป็นสิ่งสำคัญ

คู่มือการใช้งานนี้อธิบายถึงการใช้งานการบัดกรีอ่อนเพื่อยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ วิธีการทำงานของกระบวนการ ข้อบกพร่องใดที่ต้องให้ความสนใจมากที่สุด และควรประเมินความสามารถของอุปกรณ์ใดบ้างก่อนเลือกโซลูชันสำหรับการผลิต

1. การยึดชิ้นส่วนด้วยบัดกรีอ่อนคืออะไร?

การบัดกรีแบบอ่อนใช้โลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะใช้ดีบุกเป็นส่วนประกอบหลัก และผสมกับธาตุอื่นๆ เช่น เงิน ตะกั่ว อินเดียม หรือบิสมัท เพื่อสร้างรอยต่อทางโลหะวิทยาเชื่อมระหว่างด้านหลังของชิปกับตัวบรรจุภัณฑ์ ในศัพท์เฉพาะของการบัดกรี โลหะตัวเติมที่มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำกว่า 450°C โดยทั่วไปจะถูกจัดอยู่ในประเภทของโลหะบัดกรีแบบอ่อน

กระบวนการนี้ดำเนินการภายใต้การควบคุมอุณหภูมิ เวลา แรงกด และบรรยากาศ เมื่อตะกั่วบัดกรีละลายและเคลือบพื้นผิวทั้งสองแล้ว ชิ้นงานจะถูกทำให้เย็นลงเพื่อให้รอยต่อแข็งตัว ชั้นที่เกิดขึ้นจะต้องนำความร้อนและกระแสไฟฟ้าไปพร้อมๆ กับการรองรับความเครียดทางความร้อนและเชิงกลที่เกิดจากความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ตะกั่วบัดกรี และวัสดุรองรับ

เหตุใดกระบวนการนี้จึงยังคงมีความสำคัญ?

• การถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจากชิปไปยังลีดเฟรม ซับสเตรต หรือฐานรอง
• การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่มีความต้านทานต่ำสำหรับแพ็คเกจที่ด้านหลังของชิปเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางกระแสไฟฟ้า
• ความสามารถในการลดแรงกดดันระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
• กระบวนการผลิตที่ครบวงจรและมีประสิทธิภาพ โดยได้รับการสนับสนุนจากวัสดุและอุปกรณ์การผลิตที่ได้มาตรฐาน
• ต้นทุนวัสดุและอุปกรณ์ที่แข่งขันได้สำหรับการบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ไฟฟ้าปริมาณมาก

2. การยึดชิ้นส่วนด้วยตะกั่วอ่อนใช้ในกรณีใดบ้าง?

การยึดชิ้นส่วนด้วยตะกั่วอ่อนเป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับแพ็คเกจพลังงานที่ต้องการเส้นทางการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพและการเชื่อมต่อด้านหลังที่เชื่อถือได้ ตัวอย่างการใช้งานทั่วไป ได้แก่:

• จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์แบบแยกชิ้น รวมถึงแพ็คเกจ TO-220, TO-247, TO-252, DPAK และ PDFN
• ทรานซิสเตอร์ MOSFET กำลังสูงและไดโอดกำลังสูง
• วงจรเรียงกระแสและแพ็คเกจไอซีกำลังไฟฟ้าที่เลือก
• โมดูลพลังงานอัจฉริยะและโครงสร้างโมดูล IGBT ที่เลือกใช้
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้ในระบบยานยนต์ แหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรม อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ อุปกรณ์ชาร์จ และการจัดการพลังงานในศูนย์ข้อมูล

ความเหมาะสมของบัดกรีอ่อนขึ้นอยู่กับโครงสร้างของบรรจุภัณฑ์ อุณหภูมิในการทำงาน ข้อกำหนดด้านรอบการจ่ายไฟ มาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนด การเคลือบโลหะบนพื้นผิว และต้นทุนเป้าหมาย สำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิรอยต่อสูงเป็นพิเศษหรือข้อกำหนดด้านรอบการจ่ายไฟที่เข้มงวด อาจจำเป็นต้องประเมินเทคโนโลยีการยึดชิ้นส่วนแบบอื่นเพิ่มเติมด้วย

3. กระบวนการเชื่อมต่อชิ้นส่วนด้วยการบัดกรีอ่อนทำงานอย่างไร?

ลำดับขั้นตอนที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปตามรูปแบบการบัดกรีและการออกแบบบรรจุภัณฑ์ แต่โดยทั่วไปแล้วกระบวนการอัตโนมัติจะประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 1: การอุ่นลีดเฟรมหรือพื้นผิว

แผ่นนำไฟฟ้าหรือแผ่นรองรับจะเข้าสู่รางความร้อนหรือสถานีเชื่อมต่อ การให้ความร้อนล่วงหน้าช่วยลดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน สนับสนุนการหลอมละลายของตะกั่วบัดกรี และเตรียมพื้นที่เชื่อมต่อเพื่อให้เกิดการเปียกตัวที่เสถียร ในระบบบัดกรีอ่อนแบบต่อเนื่องบางระบบ โซนกระบวนการให้ความร้อนอาจทำงานในช่วงอุณหภูมิ 300-400°C จุดตั้งค่าจริงและอุณหภูมิที่ส่วนต่อประสานต้องตรงกับโลหะผสมบัดกรี มวลของบรรจุภัณฑ์ และโปรไฟล์ความร้อนที่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 2: การป้อนและการขึ้นรูปตะกั่วบัดกรี

อุปกรณ์จะส่งตะกั่วบัดกรีในปริมาณที่ควบคุมได้ไปยังตำแหน่งที่จะเชื่อมต่อ เมื่อใช้ลวดหรือริบบิ้นตะกั่วบัดกรี อุปกรณ์จะตัดหรือป้อนความยาวที่กำหนดไว้ตามขนาดของชิ้นส่วนและปริมาณตะกั่วบัดกรีที่ต้องการ จากนั้นอาจใช้เครื่องมือขึ้นรูปหรือแม่พิมพ์เพื่อกระจายตะกั่วบัดกรีหลอมเหลวให้เป็นรูปทรงที่ทำซ้ำได้ก่อนที่จะวางชิ้นส่วน

ขั้นตอนที่ 3: การหยิบ การจัดแนว และการวางแม่พิมพ์

หัวจับสุญญากาศจะหยิบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่แยกออกจากแผ่นเวเฟอร์หรือตัวรองรับ ระบบวิชั่นจะระบุชิ้นส่วนและตำแหน่งเป้าหมาย ปรับแก้การจัดแนว และวางชิ้นส่วนลงบนชั้นบัดกรีที่หลอมเหลวหรือเตรียมไว้ด้วยแรงที่ควบคุมได้

ขั้นตอนที่ 4: การสร้างพันธะและการทำให้เย็นลง

อุณหภูมิ ระยะเวลาในการคงตัว และแรงกดในการวางชิ้นงานจะถูกควบคุมเพื่อส่งเสริมการเปียกและการเชื่อมติดทางโลหะวิทยา จากนั้นชิ้นส่วนจะเคลื่อนผ่านโซนระบายความร้อนที่ควบคุมได้ เพื่อให้ตะกั่วบัดกรีแข็งตัวโดยไม่มีการเคลื่อนที่ การเอียง หรือความเครียดตกค้างมากเกินไป

ขั้นตอนที่ 5: การตรวจสอบและการยืนยันกระบวนการ

ขึ้นอยู่กับสายการผลิต การตรวจสอบอาจรวมถึงการตรวจสอบตำแหน่งแม่พิมพ์ การวัดการเอียงของแม่พิมพ์ การประเมินแนวเชื่อม การตรวจสอบพื้นผิว และการวิเคราะห์ด้วยรังสีเอ็กซ์เพื่อหาช่องว่าง นอกจากนี้ ข้อมูลกระบวนการยังสามารถเชื่อมโยงกับรหัสผลิตภัณฑ์เพื่อการตรวจสอบย้อนกลับได้อีกด้วย

ตัวเลือกการป้อนตะกั่วบัดกรีทั่วไป

4. การควบคุมกระบวนการที่สำคัญเพื่อให้การยึดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็นไปอย่างน่าเชื่อถือ

4.1 การควบคุมช่องว่าง

ช่องว่างเป็นหนึ่งในปัญหาด้านคุณภาพที่สำคัญที่สุดในชั้นเชื่อมประสานชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากช่องว่างจะขัดขวางการไหลของความร้อนและอาจทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ได้ ช่องว่างเหล่านี้อาจเกิดจากก๊าซที่ติดอยู่ การเปียกที่ไม่สมบูรณ์ การปนเปื้อนของพื้นผิว การกระจายปริมาณตะกั่วที่ไม่ดี หรือสารตกค้างที่ระเหยได้เมื่อใช้ตะกั่วบัดกรีแบบวางหรือแบบมีฟลักซ์

มาตรการลดช่องว่างที่นำไปใช้ได้จริง ได้แก่:

• การพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิที่เสถียรด้วยการควบคุมความร้อน อุณหภูมิสูงสุด ระยะเวลาคงอุณหภูมิ และการระบายความร้อน
• รักษาความสะอาดและความเข้ากันได้ของด้านหลังชิปและโลหะหุ้มตัวนำ
• โดยใช้ปริมาณตะกั่วบัดกรีที่ควบคุมได้และรูปทรงการขึ้นรูปที่ทำซ้ำได้
• ลดการเกิดออกซิเดชันโดยใช้ไนโตรเจนหรือบรรยากาศกระบวนการที่มีออกซิเจนต่ำที่เหมาะสมอื่นๆ
• การใช้กระบวนการรีโฟลว์แบบช่วยด้วยสุญญากาศเมื่อบรรจุภัณฑ์และกระบวนการผลิตต้องการการกำจัดก๊าซเพิ่มเติม
• โดยใช้ การปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมา โดยได้รับการตรวจสอบแล้วว่าช่วยปรับปรุงความสะอาดและการเปียกก่อนการบัดกรี
• การตรวจสอบการกระจายตัวของช่องว่างด้วยการตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์ แทนที่จะพึ่งพาเพียงแค่เปอร์เซ็นต์ช่องว่างรวมเท่านั้น

4.2 การควบคุมการเปียกและการออกซิเดชัน

การเปียกที่ดีเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างรอยต่อทางโลหะวิทยาที่ต่อเนื่อง ตะกั่วบัดกรีที่เกิดออกซิเดชัน โลหะเคลือบชิ้นส่วน หรือพื้นผิวของโครงลวด อาจทำให้เกิดการเปียกที่ไม่ดี การครอบคลุมที่ไม่สมบูรณ์ และความแข็งแรงของพันธะที่ไม่เสถียร การใช้รางความร้อนแบบปิด การควบคุมการไหลของไนโตรเจน การตรวจสอบปริมาณออกซิเจนต่ำ และการเตรียมพื้นผิวที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว จะช่วยลดข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชัน อาจใช้ก๊าซขึ้นรูปในกระบวนการที่ผ่านการรับรอง แต่ส่วนประกอบของก๊าซและการควบคุมความปลอดภัยต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของอุปกรณ์และโรงงาน

4.3 ความหนาของแนวเชื่อมและมุมเอียงของแม่พิมพ์

ความหนาของแนวเชื่อมมีผลต่อความต้านทานความร้อน การกระจายความเค้น และความน่าเชื่อถือทางกล การเปลี่ยนแปลงที่มากเกินไปยังอาจทำให้ชิปเอียง ซึ่งส่งผลต่อการเชื่อมสายไฟและการออกแบบรูปทรงของบรรจุภัณฑ์ ปริมาณตะกั่วบัดกรีที่สม่ำเสมอ การขึ้นรูปที่ควบคุมได้ แรงกดในการวางที่แม่นยำ สภาพของหัวจับ และการระบายความร้อนที่เสถียร ล้วนมีความสำคัญต่อการรักษาความสม่ำเสมอของรอยเชื่อม

4.4 อุณหภูมิ แรง และเวลา

ควรพัฒนากระบวนการทำงานให้เหมาะสมกับโลหะผสม ขนาดแม่พิมพ์ มวลของบรรจุภัณฑ์ และผิวสำเร็จของพื้นผิวโดยเฉพาะ ค่าต่อไปนี้มีประโยชน์ในการใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงเบื้องต้นเกี่ยวกับความสามารถของอุปกรณ์ มากกว่าที่จะใช้เป็นค่ากำหนดสำหรับการผลิตทั่วไป:

5. ข้อบกพร่องทั่วไปและสาเหตุที่เป็นไปได้ของกระบวนการ

6. เครื่องเชื่อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบบัดกรีอ่อนควรมีฟังก์ชันการทำงานอะไรบ้าง?

ระบบการผลิตที่สมบูรณ์ต้องประสานงานการจัดการแม่พิมพ์ การส่งตะกั่วบัดกรี กระบวนการทางความร้อน การควบคุมบรรยากาศ และการตรวจสอบ โดยทั่วไปแล้วระบบย่อยที่สำคัญประกอบด้วย:

• ระบบโหลดเวเฟอร์ ระบบดีดชิ้นส่วน และระบบดูดสุญญากาศ
• การจัดแนวภาพเพื่อการจดจำตำแหน่งแม่พิมพ์และตำแหน่งการยึด
• ระบบป้อนตะกั่วบัดกรีแบบตั้งโปรแกรมได้ สำหรับกระบวนการบัดกรีแบบใช้ลวด ริบบิ้น พรีฟอร์ม หรือเพสต์
• รางทำความร้อนหรือแท่นเชื่อมต่อพร้อมระบบควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ
• การควบคุมแรงในการวางตำแหน่งและตัวเลือกหัวจับหรือหัวเชื่อมที่เหมาะสม
• ห้องกระบวนการแบบปิดที่มีออกซิเจนต่ำ พร้อมระบบตรวจสอบการไหลของก๊าซและออกซิเจน
• การจัดการลีดเฟรมหรือวัสดุรองรับด้วยการจัดตำแหน่งที่เสถียร
• การจัดการสูตรการผลิต การบันทึกสัญญาณเตือน อินเทอร์เฟซการตรวจสอบ และการสนับสนุนการตรวจสอบย้อนกลับ

รายการตรวจสอบการเลือกอุปกรณ์

บทสรุป

การยึดชิ้นส่วนด้วยตะกั่วอ่อนยังคงเป็นกระบวนการสำคัญสำหรับการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง เนื่องจากเป็นการผสมผสานประสิทธิภาพด้านความร้อนและไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพเข้ากับพื้นฐานการผลิตที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดี ผลลัพธ์ที่เชื่อถือได้นั้นขึ้นอยู่กับไม่เพียงแต่โลหะผสมของตะกั่วบัดกรีเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับสภาพพื้นผิว การควบคุมปริมาณตะกั่วบัดกรี บรรยากาศ การควบคุมอุณหภูมิ แรงกดในการวาง การจัดตำแหน่งชิ้นส่วน และการระบายความร้อนที่ควบคุมได้ด้วย

ในการประเมินระบบการผลิต ควรเลือกอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับรูปแบบบรรจุภัณฑ์ ช่วงขนาดของชิปและเวเฟอร์ รูปแบบการบัดกรี เป้าหมายปริมาณงาน แผนการตรวจสอบ และข้อกำหนดในการบูรณาการเข้ากับโรงงาน ควรตรวจสอบความสามารถของกระบวนการด้วยการทดลองใช้งานจริง แทนที่จะเลือกจากข้อมูลจำเพาะหลักเพียงอย่างเดียว

ไฮร์นัส เราให้บริการอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์และการสนับสนุนการกำหนดค่าตามกระบวนการผลิตสำหรับการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า สำรวจเพิ่มเติมได้ที่นี่ อุปกรณ์ยึดชิ้นส่วนโซลูชันสำหรับแพลตฟอร์มการยึดชิ้นส่วนที่เข้ากันได้และโมดูลกระบวนการที่รองรับ

สำหรับการประเมินกระบวนการเฉพาะบรรจุภัณฑ์ การกำหนดค่าอุปกรณ์ หรือข้อกำหนดการบูรณาการสายการผลิต ติดต่อทีมวิศวกรของเรา โดยคำนึงถึงขนาดแม่พิมพ์ รูปแบบเวเฟอร์ ประเภทบรรจุภัณฑ์ วัสดุบัดกรี กำลังการผลิตเป้าหมาย และข้อกำหนดด้านคุณภาพของคุณ

คำถามที่พบบ่อย