Lotpastendruck von feinen Strukturen in SiP-Applikationen

Die heterogene Integration mit der SiP-Technologie ermöglicht in einem Baustein-Package eine höhere Funktionalität. Dieser populäre Schaltungsaufbau wird vor allem durch kürzere Markteinführungszeiten und niedrigeren Kosten bei steigender Nachfrage nach IoT-Lösungen wie etwa für Wearables getragen. Geringere Bauteilabmessungen und -dicken, mit eingebetteten passiven Komponenten sowie kleineren Boards sorgen für eine weitere Miniaturisierung. Derzeit ist der Einsatz von 01005-Passiven in diversen SiP-Applikationen die Regel. Die Industrie untersucht nun die Verwendung von 008004-Passiven (etwa die Hälfte der Größe von 01005). Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Größe der passiven Komponenten.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Größe der passiven Komponenten. Indium

1a) SEM-Aufnahmen der Lotpasten-Pulvertypen 5, 6 und 7. Indium

1b) SEM-Aufnahmen der Lotpasten-Pulvertypen 5, 6 und 7. Indium

1c) SEM-Aufnahmen der Lotpasten-Pulvertypen 5, 6 und 7. Indium

Zusätzlich zu den kleineren passiven Komponenten verringert sich auch der Abstand zwischen benachbarten Pads, sodass mehr Bauelemente in einem einzigen SiP untergebracht werden können. Dieser Abstand kann bis herunter zu 50 µm betragen. Daher ist es sehr wichtig, mit einem gut kontrollierten und konsistenten Pastendruckprozess zu arbeiten, um eine hohe Ausbeute (Yield) zu erzielen. Damit diese anspruchsvollen Anforderungen erfüllt werden können, ist die Auswahl der passenden Kriterien von Lotpaste, Lotpulvergröße, Schablonendesigns und Öffnungen, Schablonendicke und Druckparameter sehr wichtig.

Partikelgröße des Lotpulvers

Tabelle 2 zeigt die verschiedenen in der Industrie verfügbaren Lotpulvergrößen Indium

Tabelle 2 zeigt die verschiedenen in der Industrie verfügbaren Lotpulvergrößen. Für die meisten Lötprozesse in heutigen Baugruppen werden Lotpasten mit den Pulvergrößen Typ 3 und Typ 4 verwendet. Da die Miniaturisierung zu immer kleineren Schablonenöffnungen führt, werden auch zunehmend die immer feineren Pulverfraktionen Typ 5 und Typ 6 eingesetzt. Derzeit verwenden einige Hersteller bereits die Pulvergröße Typ 6 für SiP mit 01005-Passiven, und für die nächste Generation der Bausteine mit 008004-Passiven werden sowohl die Pulvergrößen Typ 6 als auch Typ 7 untersucht. Bild 1 zeigt die REM-Aufnahmen der unterschiedlichen Pulvergrößen Typ 5, 6 und 7.

Die Auswahl der am besten passenden Pulvergröße ist ein allgemein wichtiges Vorgehen in der Industrie, um eine konsistente Druckleistung der Lotpaste zu erreichen. Dabei müssen mindestens 5 bis 6 Lotpartikel (die größten Partikel des Pulver-Typs) über der Schablonenöffnung liegen. Gemäß dieser Regel ist die empfohlene minimale Schablonenöffnung, die nicht unterschritten werden darf, für jeden Pulvertyp in Tabelle 2 aufgeführt.

Area-Ratio der Schablone

Neben der Wahl der richtigen Pulvergröße für jede Anwendung ist eine weitere kritische Kenngröße das Öffnungsverhältnis der Schablone, auch Area-Ratio genannt [1]. Dieses berechnete und optimierte Flächenverhältnis sowie die Wahl der richtigen Pulvergröße kann das optimale Auslösen der Lotpaste aus der Schablone unterstützen. Area-Ratio ist das Verhältnis zwischen Fläche der Aperturöffnung und Fläche der Aperturwände.

Bild 2: Berechnung von Area-Ratio (Flächenverhältnis): In der oberen Skizze ist die Berechnung für rechteckige Aperturen zu sehen und die untere Skizze zeigt die Berechnung für runde Öffnungen. Indium

In Bild 2 sind die Details zur Berechnung der Flächenverhältnisse zu sehen. Die Praxis zeigt, dass ein Flächenverhältnis von ≥0,66 wird für alle Schablonenöffnungen empfohlen wird. In Tabelle 3 sind einige Flächenverhältnisse für typische Schablonenöffnungen zusammengefasst, die für 01005- und 008004-Passive verwendet werden. Wie dargestellt, ist die Wahl der richtigen Schablonendicke und Öffnungsgröße wichtig, um vernünftige Flächenverhältnisse für gute Druckergebnisse zu erzielen.

Rheology der Lotpaste

So wie die Partikel-Durchmesser des Metallpulvers reduziert werden, um Schwankungen im aufgebrachten Lotvolumen zu verringern, kann man die erforderliche Korngröße aus der gewünschten Variabilität des Lotvolumens [2] abschätzen. Die Reduzierung der Partikelgröße in der Paste erhöht nämlich die Viskosität, da das Flussmittel thixotrop ist. Die im Schablonendruck verwendete Lotpaste ist ein unter Einwirkung von Scherkraft fließendes thixotropes Material [3], das eine geringe Fließgrenze aufweist, wobei die rheologischen Eigenschaften sowohl vom Flussmittel als auch dem Lotpulver bestimmt sind.

Bild 3: Die Pastenrheologie bestimmt drei Schlüsselfaktoren des Druckprozesses. Die Graphik stellt die Grundschritte im Lotpastendruck vor und zeigt im unteren Abschnitt wie ein Ideal-Depot (kein Auslaufen) aussehen sollte und wie nicht. Indium

Der Metallgehalt der Paste beträgt typischerweise etwa 50 Prozent des Volumens, das ist der Wert, ab dem die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln die Rheologie der Lotpaste deutlich beeinflussen. Dies ist insofern nützlich, als ein höherer Metallanteil das Ausfließen des Lotes (manchmal verursacht durch Slumping) verhindert und auch Voiding nach dem Reflow reduzieren kann. Dies macht die Paste jedoch auch sehr anfällig gegenüber dem Verlust von Lösungsmittel durch Verdampfung, was dann zu Schwankungen im Druck führt. Zu beachten ist, dass der Begriff „Slump“ eine X-Y-Ausdehnung des Pasten-Depots durch die Schwerkraft bezeichnet. Die Fließspannung in der Paste kann Slump verhindern. Eine zu hohe Metallbeladung führt in der Paste jedoch zu einer sehr hohen Fließspannung und kann verhindern, dass die Paste die Aperturen gut füllt und sich aus den Schablonenöffnungen leicht löst. Daher ist die Optimierung des Metallanteils für den Druckprozess wichtig und wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Pastenrheologie bestimmt drei Schlüsselfaktoren des Druckprozesses (siehe Bild 3).

Bild 4 zeigt den Einfluss der Rheologie auf Form und Größe des Pastendepots. Das Auslöseverhalten „B“ ist dabei am häufigsten zu beobachten. Indium

Die Auslösung der Lotpaste aus einer Schablone findet innerhalb einer Grenzschicht der Lotpaste statt, die an die Seitenwand der Öffnung angrenzt (Bild 4). Die Situation in Beispiel B ist am häufigsten zu sehen, aber für Fine-Pitch-Aperturen wird Lösung A favorisiert, was in der Regel durch einen höheren Metallanteil erreicht wird. Im Fall A hat die Paste eine ausreichende „Klebrigkeit“ (normale Haftung am Substrat), sodass die Paste beim Lösen der Schablone auf einem Flussmittel-Film herausgleitet (wobei der hohe Metallanteil die Partikel miteinander verbindet), anstatt sich innerhalb der Paste zu trennen (wie in B). Der hohe Metallanteil begrenzt auch die Flussmittelausbreitung, sodass nicht nur vollständige Lotdepots entstehen, sondern diese auch nicht verlaufen und gute Kantenqualität erreicht wird.

Zu beachten ist hierbei, dass mit der Zeit das Lösungsmittel aus dem Flussmittel verdampft, sodass ein höherer Metallanteil auch die Rate beschleunigen kann, mit der sich die Druckqualität von A nach C bewegt (geringe oder keine Auslösung aus der Schablone). Das bedeutet, dass die Flussmittelrezeptur auch für die Standzeit der Paste auf der Schablone relevant ist.

Druckexperimente mit Lotpasten

Tabelle 4: Der Drucktest wurde mit vier verschiedenen Typen von T6SG-Lotpasten von Indium Corporation durchgeführt. Indium

Der Drucktest wurde mit vier verschiedenen Typen von T6SG-Lotpasten von Indium Corporation durchgeführt, wie in Tabelle 4 dargestellt. Zwei der Pasten wurden mit No-Clean-Flussmitteln kombiniert, darunter eine für SiP-Anwendungen besonders entwickelte Rezeptur mit extrem geringem Rückständen, während die beiden anderen Pasten auf wasserlöslichen Flussmitteln basieren. Die Lotpasten enthalten Metallanteile in unterschiedlichen Werten, denn die Flussmittelchemikalien weisen verschiedenartige rheologische Eigenschaften auf.

Bild 5: Das 237 mm lange, 62 mm breite und 0,5 mm dicke SiP-Test-Board weist zwei Reihen von diversen Druckmustern mit horizontalen und vertikalen Padöffnungen auf. Indium

Für den Test wurde ein spezieller Träger eingesetzt, der einer typischen Substratgröße entspricht: 237 mm lang, 62 mm breit und 0,5 mm dick (Bild 5). Er weist zwei Reihen von diversen Druckmustern auf. Jedes Array besteht aus fünf Kolonnen von Druckpattern mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Komponenten sowie drei Reihen mit unterschiedlichen Öffnungsgrößen. Die Pads sind in horizontaler und vertikaler Position angeordnet, sodass sich verschiedene Rakel-Druckrichtungen simulieren lassen. Das Finish der Pad-Oberflächen ist NiAu (ENIG) und die Pads sind nicht per Lötmaske hergestellt (non-solder mask defined NSMD). Der Testträger enthält auch 01005-Pads, das ist jedoch nicht Gegenstand dieser Studie.

Tabelle 3: Verwendet wurde eine lasergeschnittene Druckschablone mit einer Dicke von 50 µm, womit sich Flächenverhältnisse von 0,68, 0,64 und 0,60 für verschiedene Aperturöffnungen ergeben. Indium

Für diesen Test wurden mehrere unterschiedliche Schablonenöffnungen ausgewählt, um das Druckvolumen mit verschiedenen Area-Ratios zu vergleichen: 125 µm x 150 µm, 112,5 µm x 150 µm sowie 100 µm x 150 µm (Bild 6). Verwendet wurde eine lasergeschnittene Druckschablone mit einer Dicke von 50 µm, womit sich Flächenverhältnisse von 0,68, 0,64 und 0,60 für verschiedene Aperturöffnungen ergeben (Tabelle 3). Es wurde angenommen, dass sich das Pad mit Area-Ratio 0,68 besser bedrucken lässt als die anderen kleineren Pads mit Flächenverhältnissen von 0,64 und 0,60. Die unterschiedlichen Abstände der Komponenten zueinander sind in Bild 7 dargestellt. Die getesteten Abstände betrugen 50 µm, 80 µm, 100 µm, 130 µm und 150 µm.

Bild 7: "D" steht für den Abstand zwischen den Komponenten. Die getesteten Abstände betrugen 50 µm, 80 µm, 100 µm, 130 µm und 150 µm. Indium

Die verwendete lasergeschnittene Schablone weist im Vergleich zu galvanisch hergestellten Ausführungen eine relativ raue Wandoberfläche der Öffnungen auf. Bei diesem Test wurde ein 12-Zoll-Rakel im Winkel von 60 Grad eingesetzt. Die Testträger wurden auf einen Carrier gesetzt, um hohe Stabilität beim Drucken sicherzustellen. In dieser Anwendungssimulation wurden insgesamt 10 Boardmuster mit jeder Lotpaste unter Verwendung der jeweils optimierten Druckparameter hergestellt. Jede Lotpaste erforderte unterschiedliche Einstellungen von Druckgeschwindigkeit und Andruck, um einen sauberen Rakelvorgang auf der Schablonenoberfläche zu erreichen. Das Lotpastenvolumen von 10 bedruckten Mustern wurde dann über einer SPI-Maschine ermittelt und ausgewertet.

Ergebnisse und Bewertungen der Druckversuche

In Tabelle 5 sind Cpk und Ppk von Paste D mit einer kalkulatorischen Spezifikation von 40 Prozent Minimum und 150 Prozent Maximum dargestellt. Indium

Bild 8: Boxplot von Volumen in Relation zu Aspekt-Ratios sowie den verwendeten Lotpasten. Der Druck mit einer Area-Ratio bis hinunter zu 0,60 ist mit der richtigen Pastenrheologie möglich. Indium

Wie in Bild 8 deutlich wird, hebt sich die Paste D unter den vier Pastenkandidaten deutlich ab. Der Druck mit einer Area-Ratio bis hinunter zu 0,60 ist mit der richtigen Pastenrheologie möglich, auch mit einer lasergeschnittenen Schablone. Paste D zeigt eine schmale Verteilungskurve bis hinunter zu der Aperturgröße von 100 µm x 150 µm (0,60 Area-Ratio). Paste A ist eine wasserlösliche Mixtur und ergibt in dieser Studie auch relativ gute Ergebnisse. In Tabelle 5 sind Cpk und Ppk von Paste D mit einer kalkulatorischen Spezifikation von 40 Prozent Minimum und 150 Prozent Maximum dargestellt. Alle Lotpasten zeigten Brückenbildung bei Abständen von 50 µm. Dagegen waren bei Abständen von 80 µm sehr erfreuliche Ergebnisse ohne Lotbrücken festzustellen, obwohl die Tooling-Kombination nicht perfekt war. Eine galvanisch geformte Schablone könnte den Druck bei einem Abstand von 50 µm verbessern; diese Überlegung wird in künftigen Studien berücksichtigt.

Bild 9: Boxplot von Volumen (%) der Paste D in Relation zu Abstand. Am Beispiel der Paste D wurde auch beobachtet, dass mit zunehmendem Abstand zwischen den Pads auch das Pastenvolumen zunahm. Indium

Am Beispiel der Paste D wurde auch beobachtet, dass mit zunehmendem Abstand zwischen den Pads auch das Pastenvolumen zunahm, wie in Bild 9 ersichtlich. Bei allen Lotpasten konnte hier ein ähnliches Verhalten beobachtet werden. Dies kann daran liegen, dass das Lot sozusagen verhungert, wenn die Lotpaste über den Bereich mit engen Abständen verteilt wird. Diese dichteren Abschnitte brauchen mehr Lotvolumen und die Paste kann diese Positionen beim Verstreichen über die Schablone nicht rechtzeitig wieder auffüllen. Zudem hat man bei einem größeren Abstand zwischen den Pads auch eine dickere und steifere Schablonenfolie zwischen den Öffnungen. Dies kann auch den Mechanismus der Pastenauslösung beeinflussen.

Bild 10: Der Vergleich von Metallanteil von 91 Prozent zu 90,5 Prozent im Flussmittel D hat im Test gezeigt, dass sich signifikante Unterschiede in der Druckleistung ergeben. Der Anteil von 90,5 Prozent weist ein besseres Druckergebnis auf. Indium

Um weiter zu untersuchen, wie sich Viskosität und Rheologie auf das Druckergebnis auswirken, wurde ein Lotpastenmuster hergestellt, das auf der Flussmittelformulierung D mit 0,5 Prozent geringerem Metallanteil basierte. Ein reduzierter Metallanteil führt zu einer niedrigeren Viskosität. Das Ergebnis ist in Bild 10 dargestellt, hier anhand eines Vergleichs zwischen einem Metallanteil von 91 Prozent und 90,5 Prozent im Flussmittel D. Dazu wurde ein Test mit zwei Stichproben durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass diese geringfügige Änderung des Metallanteils statistisch signifikante Unterschiede in der Druckleistung ergibt. Das Muster mit einem Anteil von 90,5 Prozent weist im Vergleich zur 91-Prozent-Probe ein höheres Durchschnittsvolumen sowie eine engere Verteilung der Druckergebnisse auf.

Schlussfolgerung

Um konstant gute Druckergebnisse bei SiP-Anwendungen zu erreichen, spielen viele Parameter eine wichtige Rolle und müssen entsprechend dazu ausgewählt werden. Lotpasten mit passender Rheologie, gemischt mit der richtigen Pulvergröße und dem nötigen Flussmittel sind zu bewerten und adäquat auszuwählen. Schablonenöffnungen mit angemessenem Area-Ratio, die die Transfer-Effizienz von der Schablone auf das Substrat maximieren, sind ebenfalls zu berücksichtigen. Bereits in absehbarer Zeit werden weitere Bedruckungsversuche durchgeführt, um lasergeschnittene mit galvanisch geformten Schablonen sowie unterschiedlichen Schablonendicken und Aperturdesigns zu vergleichen.

Productronica 2019: Halle A4, Stand 214

_{Danksagung: Besonderer Dank gilt dem Team des Suzhou Simulation Lab der Indium Corporation und Ms. Wisdom Qu, Dr. Fiona Chen sowie Leon Rao für ihre Hilfe und Unterstützung bei der Durchführung der Lotpastendrucktests in ihrem Labor.}

_Referenzen

• _{1.    Indium Corporation Application Note: Powder Choice Stencil Design Guidelines.}
• _{2.    Lim, Thum und Mackie: Meeting Solder Paste Printing Challenges for SiP in ‘Smart’ IoT Devices; Chip Scale Review magazine, Jul–Aug 2016.}
• _{3.    Kravcik and Vehec: Study of the Rheological Behavior of Solder Pastes; Proc. Scientific Conference of Young Researchers 2010, FEI TU of Kovice.}
• _{4.    Durairaj, Mallik, Seman, Marks and Ekere: Effect of Wall Slip Effect on Paste Release Characteristic in Flip-Chip Stencil Printing Process; 10th Electronics Packaging Technology Conference, 2008 G. O. Young, “Synthetic structure of industrial plastics,” in Plastics, 2nd ed. vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 15–64. (Erstmals vorgestellt auf der IMAPS 2016, Oktober 12, 2016, Pasadena, Kalifornien, USA).}

(mrc)