اتصال یک تراشه ریزپردازنده به بسته بندی آن شامل ذوب آرایه ای از توپ های لحیم میکروسکوپی در زیر خلاء برای جلوگیری از حباب های گاز به دام افتاده است. صفحه گرمایی که این جریان مجدد را انجام می دهد باید یک شاهکار حرارتی باشد که هر یک از آن صدها یا هزاران اتصال لحیم کاری را در دمای ذوب یکسان در یک محیط بکر و بدون ذرات- نگه می دارد.
در تولید لوازم الکترونیکی مدرن،نیمه هادی لحیم کاری خلاء وکیوم صفحه گرمایشفرآیند یک مرحله حیاتی است که مستقیماً قابلیت اطمینان الکتریکی، استحکام مکانیکی و پایداری بلند مدت دستگاه را تعیین میکند.
لحیم کاری خلاء در بسته بندی نیمه هادی
لحیم کاری جریان مجدد خلاء برای اتصال قالب های نیمه هادی به بسترها از طریق ذوب و انجماد کنترل شده گلوله های لحیم کاری یا برجستگی ها استفاده می شود.
این فرآیند معمولاً شامل موارد زیر است:
تراشه دقیق-برای-تراز کردن بستر
روی یک صفحه مسطح گرم شده قرار دهید
رمپ حرارتی کنترل شده-تا دمای جریان مجدد لحیم کاری
کاربرد خلاء برای حذف گازهای به دام افتاده
فاز را برای تشکیل مفصل نگه دارید
چرخه خنک کننده کنترل شده
محیط خلاء، معمولاً در حدود:
10-3 mbar یا کمتر10^{-3}\\ \\mathrm{mbar} \\ \\text{یا کمتر}10-3 mbar یا کمتر
از اکسیداسیون جلوگیری می کند و ایجاد فضای خالی ناشی از هوای به دام افتاده یا گازهای فرار را از بین می برد.
الزامات حرارتی صفحه گرمایش
صفحه گرمایش عنصر حرارتی هسته درون محفظه جریان مجدد خلاء است. باید گرمای بسیار یکنواخت را در سراسر سطح خود ارائه دهد.
لحیمهای بدون سرب-مانند ذوب SAC305 در محدودهای باریک:
Tmelt≈217–220∘CT_{melt} \\approx 217\\text{–}220^\\circ\\mathrm{C}Tmelt≈217–220∘C
به دلیل این پنجره ذوب باریک، تغییرات دما در سراسر صفحه باید بسیار کم باشد.
تقاضاهای یکنواخت دما
الزامات معمولی عبارتند از:
یکنواختی سطح در 1± درجه
حداقل گرادیان های حرارتی در سراسر آرایه های قالب
پروفیل های رمپ حرارتی پایدار
سیکل های گرمایشی تکرار شونده
حتی انحرافات کوچک می تواند منجر به موارد زیر شود:
جریان مجدد لحیم کاری جزئی
خیس شدن ناقص
تشکیل فضای خالی
خرابی در قابلیت اطمینان مشترک
در بسته بندی نیمه هادی، دقت حرارتی به طور مستقیم به عملکرد عملکرد تبدیل می شود.
طراحی و ساخت صفحات گرمایشی
صفحه گرمایش مورد استفاده در سیستمهای جریان مجدد خلاء هم برای پایداری حرارتی و هم برای آلودگی فوقالعاده{0}کم طراحی شده است.
انتخاب مواد
صفحات معمولاً از موارد زیر ساخته می شوند:
آلیاژهای آلومینیوم سازگار با خلاء{0}}
سطوح نیکل-روکش شده
پوشش های آلومینیوم آنودایز سخت
این مواد فراهم می کنند:
هدایت حرارتی بالا
ویژگی های خروج گاز کم
رفتار ابعادی پایدار تحت سیکل حرارتی
مقاومت در برابر آلودگی سطحی
سیستم گرمایش تعبیه شده
بخاری های کارتریج داخلی در بدنه صفحه تعبیه شده است. طرح آنها با استفاده از تجزیه و تحلیل المان محدود حرارتی (FEA) تعیین می شود تا اطمینان حاصل شود:
توزیع یکنواخت حرارت
جبران خسارت لبه
انبساط حرارتی متعادل
نقاط داغ را به حداقل رساند
آرایش بخاری قبل از ماشین کاری بهینه شده است تا اطمینان حاصل شود که گرادیان های حرارتی در محدوده های فرآیند سخت باقی می مانند.
نقش خلاء در عملکرد جریان مجدد
شرایط خلاء نقش دوگانه ای در لحیم کاری نیمه هادی دارد.
پیشگیری از اکسیداسیون
حذف اکسیژن از اکسید شدن سطوح لحیم کاری در حین ذوب جلوگیری می کند و بهبود می یابد:
رفتار خیس کردن
قدرت مفصل
هدایت الکتریکی
از بین بردن فضای خالی
گاز محبوس شده در لحیم مذاب تحت خلاء حذف می شود و تشکیل فضای خالی را کاهش می دهد و بهبود می یابد:
هدایت حرارتی مفاصل
قابلیت اطمینان مکانیکی
مقاومت درازمدت در برابر خستگی-
با این حال، عملیات خلاء یک نیاز ثانویه را نیز ایجاد می کند: صفحه گرمایش نباید گاز خارج شود.
پایین-نیازهای خروج گاز
در داخل یک محفظه خلاء، هر ماده فراری که از صفحه گرمایش آزاد می شود می تواند اتصالات لحیم کاری را آلوده کند.
آلاینده های بالقوه عبارتند از:
باقی مانده های آلی
دفع رطوبت
محصولات تجزیه پوشش
بخارات روان کننده از سطوحی که آماده نشده اند
به همین دلیل، صفحه گرمایش باید با استانداردهای تمیزی دقیق ساخته و نگهداری شود.
نکته پاکیزگی
تعمیر و نگهداری منظم برای اطمینان از عملکرد جریان مجدد خلاء پایدار مورد نیاز است.
اقدامات توصیه شده عبارتند از:
بهصورت دورهای با حلال{0}}سطح صفحه را پاک کنید
بازرسی ذرات در شرایط روشنایی تمیز
نظارت بر تخریب یا تغییر رنگ پوشش
بررسی صافی و تمیزی سطح
حذف هر گونه شار یا بقایای فرآیند باقیمانده
حتی آلودگی میکروسکوپی می تواند با رفتار خیس شدن لحیم کاری در کاربردهای نیمه هادی تداخل ایجاد کند.
کنترل حرارتی و پایداری فرآیند
سیستمهای جریان مجدد خلاء مدرن بر کنترل دمای حلقه بسته دقیق-تکیه دارند.
صفحه گرمایش باید پشتیبانی کند:
سنجش دقیق دما در چندین منطقه
پاسخ حرارتی سریع بدون افزایش بیش از حد
دمای نگهداری پایدار در طول جریان مجدد باقی می ماند
پروفیل های چرخشی حرارتی قابل تکرار
در یک کارخانه بسته بندی تراشه، صفحه به طور موثر سندان میلیون ها اتصال الکتریکی میکروسکوپی است که همه به طور همزمان تحت شرایط حرارتی کنترل شده تشکیل شده اند.
اهمیت یکنواختی سطح
گرمایش غیریکنواخت میتواند منجر به موارد زیر شود:
فروپاشی ناهموار توپ لحیم کاری
پیوست قالب کج شده
ضخامت درز متغیر
تنش حرارتی موضعی
کاهش قابلیت اطمینان دستگاه
به همین دلیل، صافی صفحه و یکنواختی حرارتی به عنوان پارامترهای به همان اندازه مهم در طراحی سیستم در نظر گرفته می شوند.
کاربردهای صنعتی
صفحات گرمایش جریان مجدد خلاء به طور گسترده در موارد زیر استفاده می شود:
بستهبندی نیمهرسانای تراشهای{0}}را برگردانید
مونتاژ BGA (Ball Grid Array).
ساخت دستگاه MEMS
سیستمهای اتصال{0}}تراکم بالا
بسته بندی پردازنده پیشرفته
مونتاژ ماژول الکترونیک قدرت
هر کاربرد به کنترل حرارتی دقیق برای اطمینان از تشکیل اتصالات لحیم کاری در مقیاس میکرو{0}}مستقیم بستگی دارد.
نتیجه گیری
صفحه گرمایش در یک سیستم لحیم کاری جریان خلاء یک ابزار حرارتی بسیار تخصصی است که مهندسی دقیق، خلوص مواد و یکنواختی حرارتی در آن همگرا هستند. در فرآیندهای بسته بندی نیمه هادی،نیمه هادی لحیم کاری خلاء وکیوم صفحه گرمایشسیستم کیفیت هر اتصال الکتریکی میکروسکوپی ایجاد شده بین تراشه و بستر را مشخص می کند.
با آلیاژهای لحیم کاری مانند SAC305 که نیاز به شرایط ذوب کاملاً کنترل شده در حدود 217-220 درجه و سطوح خلاء نزدیک به 10-3 میلی بار دارند، حتی انحرافات جزئی در عملکرد صفحه می تواند بر قابلیت اطمینان دستگاه نهایی تأثیر بگذارد.
در نهایت، پیوندهای الکتریکی نامرئی در داخل دستگاههای نیمهرسانای مدرن بر پایهای از گرمای کاملاً کنترلشده و توزیع شده یکنواخت ایجاد میشوند-که از طریق یک صفحه گرمایش دقیق مهندسی شده که در یک محیط خلاء تمیز کار میکند، ایجاد میشود.
