Factores de proceso, diseño y materiales para el control de vacíos para aplicaciones térmicamente exigentes

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La formación de huecos en la soldadura es un fenómeno común en todos los paquetes de semiconductores y ensambles de placas electrónicas. Los vacíos son un defecto problemático en los ensamblajes creados con tecnología de montaje superficial. Los vacíos pueden interferir con las señales eléctricas, pueden ser aislantes cuando se requiere disipación de calor y también pueden ser la fuente de propagación de grietas y fallas prematuras de un ensamblaje cuando ocurren cerca de la superficie de la almohadilla. Los niveles aceptables de formación de vacíos varían según la aplicación final y el entorno en el que se utilice. En el caso de aplicaciones de entornos hostiles térmicamente exigentes, como iluminación LED para automóviles y exteriores, se requiere control de vacíos para optimizar el rendimiento y prolongar la vida útil de estos componentes. Cuanto menor sea el vacío en estas almohadillas térmicas y eléctricas, mejor será la conexión con la placa de circuito impreso y las capas posteriores.

Hay muchos factores que influyen en la frecuencia y el tamaño de los vacíos. Este estudio se enfoca en varias consideraciones de selección de procesos, diseño y materiales que controlan o reducen potencialmente el vacío para cumplir con los criterios de aceptación de la industria y el mercado final. Más específicamente, el diseño del paquete, los perfiles de reflujo y la química de la soldadura en pasta se analizan en forma de estudios de aplicación. Para estos estudios de casos se utilizaron paquetes comerciales de PLCC de potencia media y LED cerámicos de alta potencia en PCB con núcleo metálico de aluminio, además de BGA, D-Pak y MLF en FR4 PBC.

Figura 1:Atrapamiento de vacíos dentro de la capa de soldadura.

La aceptación mundial de las fuentes de luz basadas en LED ha impulsado la tecnología de eficiencia energética para ingresar a numerosos mercados y aplicaciones finales, incluidos los segmentos de iluminación de alta potencia. Los ejemplos incluyen faros exteriores de automóviles, alumbrado público/carretera, luces industriales de gran altura, iluminación arquitectónica y de entretenimiento. Como resultado, las expectativas del cliente de mantener la eficiencia, las regulaciones gubernamentales, la seguridad y reducir los costos generales de reemplazo/sistemas son importantes para satisfacer las tasas de adopción.

Para estos requisitos de alta confiabilidad y vida útil, es fundamental contar con una excelente confiabilidad de interconexión de ensamblaje para abordar las necesidades anteriores.

El papel de las interconexiones en LED Nivel 1 (conexión de chip/troquel) y Nivel 2 (conexión de paquete a bordo) es fundamentalmente para:

Figura 2:Ruta de calor LED de alta potencia.

Los vacíos, que son bolsas de gases atrapados del fundente de soldadura, pueden causar problemas para las señales eléctricas, pueden actuar como resistencias térmicas cuando se requiere disipación de calor y también pueden ser la fuente de propagación de grietas y fallas prematuras de un ensamblaje. La Figura 1 muestra espacios vacíos de gran área en la capa de soldadura a granel. El fenómeno de la ocurrencia del vacío es un sistema complejo; hay muchos factores que impulsan varios niveles de micción. Los ejemplos incluyen: química, perfil de reflujo, volumen de material, acabado de pad soldable y diseño de los pads de componentes (térmicos y eléctricos).

Para los conjuntos de conexión de chips LED de nivel 1, el uso de soldaduras tradicionales puede verse como una ventaja tanto por la facilidad de procesamiento como por el costo. Sin embargo, la importancia de la gestión térmica es fundamental para los LED de alta y ultra alta potencia. La temperatura de unión en el LED aumenta con el aumento de la corriente de excitación. Dado que más del 50 % de la potencia de entrada eléctrica se disipa en forma de calor debido a la caída de la eficiencia con corrientes de excitación altas en los LED, este aumento en la temperatura de la unión reduce la salida de luz al aumentar la probabilidad de recombinación no radiativa que provoca una caída en la eficiencia y la vida útil nominal. . Por lo tanto, el calor disipado debe eliminarse de la unión para mantener la eficiencia de conversión de luz y la salida de luz del paquete LED de alta potencia. Los diversos componentes en la ruta del flujo de calor en un paquete LED de alta potencia se muestran en la Figura 2.

Tabla 1:Detalles del vehículo de prueba.

Además, para el Nivel 1, los requisitos para procesar paquetes de LED con unión de troquel basada en soldadura en placas como un conjunto de Nivel 2 requieren capacidad de reflujo de soldadura múltiple. Con múltiples reflujos de la misma capa de soldadura a granel, esto puede aumentar los niveles de vacíos que afectan la confiabilidad general de la pila en la capa de Nivel 1.

Para los conjuntos integrados de paquetes de nivel 2, los LED se están integrando cada vez más con varios componentes IC tradicionales, como BGA, D-Paks y MLF, que se montan directamente en la misma placa. Esto se debe a la necesidad de que los sistemas de iluminación vayan más allá de la iluminación general y brinden funciones más complejas, como control, detección y modulación. Los vacíos de área grande pueden crear problemas en la señal eléctrica o generar grietas debido a ciclos térmicos/fatiga, por lo que se requieren interconexiones más robustas y de bajo vacío en la capa de Nivel 2.

Tabla 2:Dimensiones de la placa LED (mm).

Procedimiento Experimental – Caso de Diseño

Tabla 3:Condiciones de impresión.

Hay una variedad de diseños de LED utilizados en la industria que van desde el diseño de estructura/tamaño y materiales de empaque, es decir, cerámica y plástico. El objetivo de este experimento es observar el efecto de la formación de vacíos en función de tres estructuras variables, siendo la diferencia clave las geometrías de las almohadillas. Por ejemplo, un diseño de 2 almohadillas donde el ánodo y el cátodo son simétricos, un diseño de alta relación de aspecto de 3 almohadillas donde la almohadilla térmica central es un poco más grande en términos de área total y, por último, un diseño de 3 almohadillas donde la almohadilla térmica central es significativamente mayor en términos de área total en comparación con el ánodo y el cátodo. La Tabla 2 muestra el área total y la construcción de las almohadillas de LED.

MATERIALES Y COMPONENTES DE MONTAJE

Sustrato

El sustrato utilizado en este estudio es una placa de circuito impreso con núcleo de aluminio diseñada a medida. Los detalles particulares de esta placa se muestran en la Tabla 1.

Componentes LED

Para este estudio, se seleccionaron tres LED de alta potencia disponibles comercialmente con diferentes geometrías de almohadilla. Los parámetros para las dimensiones del ánodo, el cátodo y la almohadilla térmica para los LED se enumeran en la Tabla 2. Todas las dimensiones están en milímetros. Los LED se eligieron para emular paquetes comunes seleccionados en ensamblajes de alta y ultra alta potencia.

Pastas de soldadura

Para este estudio se utilizó una soldadura en pasta sin limpieza comercialmente disponible, conocida por usar una aleación basada en SAC de tamaño de partícula tipo 4 (38–20 Tamaño de partícula en µm (80 % mín. entre)).

PROCESO Y MÉTODO DE PRUEBA

Detalles de procesamiento de equipos

La impresión de soldadura en pasta se realizó con una impresora DEK Horizon 03iX con una plantilla de acero inoxidable cortada con láser de 4 mil de grosor con una proporción de 1 a 1 entre el tamaño de la abertura y el tamaño de la almohadilla. Los parámetros de impresión de esténcil utilizados para todas las soldaduras en pasta se muestran en la Tabla 3.

Soldadura por reflujo

En este estudio se utilizó el perfil de reflujo de remojo que se muestra en la Figura 2, las temperaturas se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4:Perfil de reflujo utilizado en el estudio.

Método de prueba

Para medir y cuantificar el rendimiento de vacío de las distintas pastas y diseños de almohadillas LED, las placas ensambladas y refluidas se cargaron en una unidad de análisis de rayos X y se programaron para cuantificar el área de cada vacío como porcentaje del área total de la almohadilla y el número de vacíos debajo del paquete.

Para leer el artículo completo, que apareció en la edición de octubre de 2018 de la revista SMT007, haga clic aquí.

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