Técnica única de calentamiento/reflujo para minimizar la formación de voids generados por la soldadura en pasta bajo LED

Autores: Derrick Herron; John Mathurin y Charlie Wilkinson, Ansen Corporation.

Resumen:

Al soldar un LED a una tarjeta de circuitos, la formación de voids puede ser un problema crítico. Al igual que con otros componentes BTC o QFN, se utiliza el ground pad (pad central) para transferir el calor fuera de la pieza, lo que le permite funcionar a una temperatura menor. La formación de voids en la unión de soldadura interfiere con la transferencia de calor, haciendo que el componente se caliente más y reduciendo la vida útil del LED. Como se sabe en la industria, la formación de voids inducida por la soldadura en pasta es un problema común en estos ground pads.

Se ha desarrollado un proceso novedoso en el que la soldadura en pasta se imprime, a continuación se seca, se imprime pasta nueva sobre los depósitos originales y el ensamble se somete a un proceso de reflujo estándar. Los aspectos del proceso de impresión y reflujo que se abordan en este documento incluyen la temperatura de secado, el espesor del esténcil, el tamaño de la apertura, el pitch, el slump (escurrimiento) de la pasta y la cantidad de reducción de la formación de vacíos.

Palabras claves: LED, soldadura en pasta, diseño del esténcil, reflujo, formación de voids

Introducción

La iluminación eléctrica tradicional ha empleado la bombilla incandescente en la cual la corriente eléctrica se transfiere a través de un filamento metálico que se calienta hasta que brilla para producir luz.  Este tipo de tecnología se usó por primera vez a principios 1800 y continuó hasta el final de ese siglo, cuando Thomas Edison y sus colaboradores lograron obtener una versión comercial exitosa. Aunque se hicieron mejoras a esta tecnología, incluso hoy los porcentajes de eficiencia de los focos son muy reducidos, ya que la mayoría de la fuente de alimentación se convierte en calor en lugar de luz. La vida útil de los focos también es una limitante para esta tecnología, debido a la naturaleza frágil de los filamentos. Por estos motivos, las tendencias y las regulaciones recientes han presionado para que se incorporen tecnologías de iluminación más eficientes.

Una solución popular es el uso de diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) en lugar de focos tradicionales. Los LED son menos frágiles que los focos con filamentos y tienen una mayor vida útil. Los LED también son más eficientes y usan menos energía que se convierte en calor que los focos tradicionales.  Sin embargo, la creación de calor es también una inquietud importante para los fabricantes de LED; el calor producido por el chip debe poder escapar y mantener el chip frío, o, de lo contrario, la vida útil del LED se verá reducida.

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Según the Bergquist Company, actualmente es muy común que la industria de iluminación use LED de tres o cinco watts. La tendencia es avanzar hacia LED de 10 watts para soluciones de iluminación de alta potencia. Con estos componentes de mayor potencia se genera más calor. Es común que cualquier LED de más de un W de potencia se monte en superficie en una PCB para permitir una mejor transferencia de calor que la que se obtendría simplemente a través de los cables de un dispositivo cableado [1].

En el caso de los componentes BTC o QFN, como los LED de alta potencia, el calor se transfiere fuera del componente a través de las almohadillas térmicas en la parte inferior. La unión de soldadura que conecta ground pad con la tarjeta permite la transferencia de calor hacia la tarjeta y lo aleja del componente. Los voids que se encuentran en esta unión de soldadura interfieren con la transferencia de calor en línea recta hacia la tarjeta y lejos del componente, creando puntos calientes. En los LED de alta potencia, esto puede ocasionar un cambio en el color de salida del LED y además, reducir la vida útil del componente.

Se ha desarrollado un método novedoso para limitar la formación de voids en ground pad/termicos. Primero, la pasta se imprime en ground pad de la forma normal. A continuación, la tarjeta se envía a través de un horno de baja temperatura para secar la pasta. La misma tarjeta se imprime en la impresora por segunda vez, aplicando la pasta directamente sobre el primer depósito de impresión.

Una de las principales inquietudes de este experimento es que la soldadura en pasta se imprime y después se seca en la tarjeta, y una segunda impresión se hace posteriormente sobre la impresión original. Si se usa el mismo esténcil para ambas impresiones, la soldadura en pasta no debe presentar ningún escurrimiento (slump) durante el proceso de secado, o el esténcil no formará sello (gasketing).  En términos financieros, sería el mejor caso posible si el mismo esténcil se pudiera emplear para ambas impresiones, sin sufrir ningún defecto en el proceso.

En teoría, podrían ocurrir dos posibilidades:

1. La primera impresión no se escurre (slump) durante el proceso de secado (Figuras 1 y 2). El esténcil forma sello (gasketing) con la tarjeta durante la segunda impresión y esto obliga a que se deposite más pasta (Figura 3), formando un depósito de pasta denso antes del reflujo real. Este depósito tendrá un volumen de metal mayor que la impresión inicial. Debido al secado del depósito de la pasta inicial, el volumen del flux no se verá aumentado de manera significativa. Los componentes volátiles del flux deben, de hecho, reducirse ampliamente ya que aquellos de la primera impresión han sido evaporados durante el secado, y se agregarán menos componentes volátiles durante la segunda impresión.
2. La primera impresión se escurre durante el proceso de secado (Figura 4). Esto provoca que haya partículas de soldadura fuera del área impresa, lo que evita que el esténcil forme un buen sello mecánico (Figura 5). La nueva soldadura en pasta está totalmente impresa sobre el depósito de la primera impresión (Figura 6).

En teoría, cualquiera de estas situaciones podría ser beneficiosa para reducir la formación de voids en la unión de soldadura final. En el primer escenario, se agrega más volumen de metal a la unión antes del reflujo sin agregar más flux de manera significativa. Esto se puede comparar con el uso de una preforma de soldadura recubierta de flux agregada a la unión [2].

El segundo escenario, en el cual no hay buen sello mécanico entre el esténcil y la tarjeta, se ofrece un incremento en el volumen de soldadura en la unión. Esto proporciona una mayor separación del componente y más espacio para la evaporación de solventes de la soldadura en pasta. [3].

Los siguientes experimentos se hicieron para estudiar en mayor profundidad este método de secar la pasta y, posteriormente, imprimir una segunda capa con el fin de reducir la formación de voids.

Parte 1: Análisis del experimento
de escurrimiento (slumping)

Para este experimento, se usaron dos soldaduras en pasta. Una fue una soldaduras sin halógeno de baja formación de voids (A, Figura 7) y la otra, una soldadura con halógeno de baja formación de voids (B, Figura 8).

Antes de la impresión, se notó que la pasta A tenía una mayor viscosidad que la pasta B, y se sentía más firme al mezclarla ligeramente y transferirla manualmente al esténcil.

Se usó una tarjeta de prueba con pads OSP con un tamaño de 0.010″ x 0.050″ y un esténcil con una relación de abertura a pad de 1:1 en esta área. El espesor del esténcil fue de 0.004″. Se imprimió la soldadura y, a continuación, las tarjetas individuales se hornearon en un horno de reflujo de convección a temperaturas de 125 °C, 150 °C y 180 °C con una duración de cuatro minutos cada una. Se teorizaba que una temperatura de horneado mayor permitiría una mayor evaporación del flux, lo cual sería preferible. Sin embargo, también se teorizaba que una temperatura de horneado mayor provocaría un mayor escurrimiento (slumping) de la soldadura en soldadura en pasta durante el horneado.

Resultados

Debido a las limitaciones del horno disponible, la temperatura de horneado menor fue de 125 °C. Se puede ver que incluso en esta condición de horneado, aún hubo cierto grado de esparcimiento de ambas pastas. Se debe notar que ambas pastas aprueban los requerimientos de la prueba de escurrimiento (slumping) J-STD-005 según IPC-TM-650. El escurrimiento (slumping) observado no fue suficiente para que la formación de cortos fuera una preocupación.  Sin embargo, el esparcimiento de la soldadura fue suficiente para que el mismo esténcil no formara una unión adecuada si se usaba para imprimir una segunda vez una de las tarjetas horneadas.

Se tomaron las medidas del ancho de la pasta antes y después del horneado. Debido a la dispersión de datos, no estuvo claro si una condición de horneado funcionó mejor que otra para prevenir el escurrimiento (slumping), ya que todas mostraron resultados muy similares. A primera vista, la condición de horneado a 125 °C en las fotografías parece peor que las demás. Usando el tamaño de los pads como punto de referencia y normalizando los números, el escurrimiento (slumping) no fue peor en esta condición que en las demás.

Parte 2:
Experimento de doble impresión

Las soldaduras en pasta A y B se imprimieron en una tarjeta de prueba QFN usando los recursos de laboratorio disponibles. Debido a las pequeñas aberturas de I/O del fine pitch en el diseño QFN, este sería el peor de los casos con respecto al escurrimiento (slumping) y la formación de cortos.

Cada una de las soldaduras se imprimió en una tarjeta de prueba nueva y se tomó una fotografía de la pasta nueva. A continuación, cada una de estas tarjetas se horneó en la condición de 125 °C y se analizaron las tarjetas. A continuación, se imprimieron nuevamente las tarjetas.

Resultados

Se puede ver en las Figuras 9 y 10 que la soldadura en pasta después del procedimiento de horneado ha perdido su aspecto brillante. Esto probablemente se deba a que los componentes volátiles del flux se han expulsado durante el proceso de horneado. En este paso, la pasta ha perdido su adherencia y, en la mayoría de los casos, no mantendría un componente en su lugar como lo haría una soldadura en pasta estándar en el proceso SMT.

Las fotografías más grandes en las Figuras 9 y 10 muestran la segunda capa de soldadura impresa encima de la primera. Ahora, es claro que hay dos capas de pasta, representando así el escenario 2.

Parte 3: Un examen del experimento de la formación de voids bajo LED

Con la información recopilada en las dos primeras partes del experimento, se sabía que la segunda impresión colocaría una segunda capa de pasta encima de la primera. Se usó una tarjeta diseñada por el cliente que contenía LED para una aplicación de iluminación industrial para evaluar las propiedades de reducción de la formación de voids del método de impresión-horneado-impresión. Basado en los requisitos del cliente de una soldadura en pasta sin haluros, solo la soldadura A se usó en esta parte de la evaluación.

Los componentes LED utilizados fueron LED disponibles comercialmente de 0.120″ x 0.120″. Los LED se colocaron simétricamente alrededor de una tarjeta diseñada para una aplicación de iluminación industrial (Figura 11).

Teniendo en cuenta que todas las temperaturas de horneado de la parte 1 produjeron cierto grado de escurrimiento (slumping) de la soldadura en pasta, esta prueba final se limitó a horneado a 125 °C únicamente.

Después de la impresión inicial usando un esténcil con un espesor de 0.004″, se determinó que la soldadura tenía un espesor promedio de 0.0041″. Los depósitos de soldadura tuvieron una forma de ladrillo típica, algo cónica desde el nivel de la tarjeta hacia arriba hasta la parte superior del depósito de la soldadura. La soldadura tuvo su apariencia húmeda normal. Esto se puede apreciar en la Figura 12.

Después de secar a 125 °C durante diez minutos, la soldadura adquirió una apariencia seca. También se observó que la soldadura se esparció hasta llenar un área mayor que el área impresa, como consta en el recuadro verde de la Figura 13, que tenía el mismo tamaño que el recuadro verde de la Figura 12. La altura promedio se mantuvo en 0.0041″.

Después de secarse, se intentó la segunda impresión a dos presiones de impresión independientes para determinar si más presión obligaría a que más soldadura entrara a la unión y daría resultados diferentes que una segunda impresión a una presión menor. Una segunda impresión con una presión de impresión de 11 PSI produjo el tipo de depósito que se aprecia en la Figura 14 (izquierda), mientras que una presión de impresión de 20 PSI produjo el depósito que se aprecia en la Figura 14 (derecha).

Cabe destacar en la Figura 14 que se extrajo algo de soldadura de la esquina superior derecha de la impresión de 11 PSI durante la impresión. Se pueden ver claramente las dos capas independientes de pasta impresa.

En ambos casos de presión de impresión, el espesor promedio de la unión de soldadura resultante fue de 0.0056″.

Después de la colocación de los componentes LED y el reflujo final usando las condiciones de reflujo típicas de SMT, se tomaron imágenes con rayos X de la uniones de soldadura. La Figura 15 muestra imágenes representativas de la formación de voids después del proceso SMT estándar, mientras que la Figura 16 muestra imágenes representativas de la formación de voids después del proceso de impresión-horneado-impresión.

Análisis

Un examen de las imágenes de la formación de voids producidos por rayos X sí parece mostrar que el método de impresión-horneado-impresión ha reducido la cantidad de voids dentro de la unión de soldadura. La toma de los porcentajes reales de la formación de voids y su graficación nos dan los siguientes números.

En la Figura 17 se ve que los resultados de la soldadura en pasta A usando un proceso de SMT tradicional produjo en promedio menos de un 20 % de formación de voids y no fueron tan inaceptables. Sin embargo, después de implementar el proceso de impresión-horneado-impresión antes del reflujo, la formación de voids se redujo a un promedio menor que el 10 %.

Se teoriza que el motivo para la disminución en la formación de voids deriva del hecho de que en la soldadura impresa en el primer paso se eliminó la mayor parte de sus compuestos volátiles durante el horneado a 125 °C. Durante la segunda impresión, se colocó menos soldadura en la tarjeta que en la primera y, por lo tanto, hubo menos compuestos volátiles presentes que pudieron escapar durante el reflujo final en comparación con el proceso SMT tradicional. La menor cantidad de flux que se agregó durante la segunda impresión, junto con los sólidos del flux que quedaron después del horneado, fueron suficientes para permitir un buen mojado y flujo de la unión de soldadura. Cabe destacar que los depósitos de soldadura en pasta representados en las Figuras 12, 13 y 14 tienen una apariencia cuadrada, mientras que las imágenes de rayos X en las Figuras 15 y 16 representan rectángulos. Esto se debe a que el pad de la tarjeta es más grande que el ground pad del componente, y la soldadura que fluye durante el reflujo se encuentra en su mayoría debajo de del pad del LED.

También se observó que las variaciones en la presión en la segunda impresión del método de impresión-horneado-impresión no tuvieron ningún impacto en la formación de voids resultante. Estos resultados se combinaron para solamente tener resultados con el método de impresión-horneado-impresión, independientemente de la presión de la segunda impresión.

Este método se recomienda para LED, especialmente más que para otros componentes de tipo BTC. Esto se debe a que en muchos casos, los LED tienen aperturas de esténcil mayores y distancias mayores entre las aperturas que los componentes con pitch más fino o con muchos pads de I/O. La teoría es que el esténcil podrá soportar mejor tener una pequeña cantidad de pasta seca atrapada debajo del metal durante la segunda impresión que la que tendría una red más delgada del esténcil en un componente de  pitch más fino. Aunque no se ha probado en este trabajo, se plantea la inquietud de que las esténciles con pitch más finos puedan dañarse con el tiempo al usar este método.

Trabajo futuro

Surgieron algunas preguntas durante la redacción de este documento y apuntan hacia un posible trabajo futuro.  Esto incluye la investigación de lo siguiente:

Ÿ  Probar este método usando otros tamaños diferentes de componentes LED para verificar que los resultados se mantengan.

Ÿ  Probar varias aperturas de esténcil y distancias del metal entre ellas para determinar si una un pitch más fino realmente provocará más daño al esténcil al usar este método.

Ÿ  Usar un esténcil con una apertura más pequeña durante la primera impresión de manera que, incluso con cierto grado de escurrimiento (slumping) durante el horneado, el esténcil de la segunda impresión forme una unión completa con la tarjeta.

Ÿ  Si solo se imprimen pads específicos en la primera impresión, ¿tendrá el paso de horneado algún impacto en los pads expuestas antes de la segunda impresión y el reflujo?

Conclusión

Se ha desarrollado un nuevo método para unir componentes LED usando tecnología común. Al imprimir la pasta en el pad térmico de la tarjeta de LED, después hornear la tarjeta a 125 °C seguido de una segunda impresión y reflujo, se ha reducido la formación de voids de manera significativa.

Este método agrega dos pasos adicionales al proceso de colocación de LED: un paso de horneado y una segunda impresión. Sin embargo, si la formación de voids es una preocupación importante, este método puede ser beneficioso y debe tenerse en consideración.

Referencias

1. The Bergquist Company. “Thermal Management for
   LED Applications – Solutions Guide.”
   http://www.bergquistcompany.com/pdfs/LED_496KB.pdf
2. Homer, Seth y Ron Lasky. “Minimizing Voiding in QFN
   Packages Using Solder Preforms.” SMTAI, octubre de 2011.
3. Herron, Derrick et al. “Voiding Control for QFN Assembly.” SMTA Pan Pacific, 2011.

Presentado por primera vez en SMTAI 2016, el 28 de septiembre de 2016, Rosemont, Illinois, USA.