Ngành ô tô: Ảnh hưởng của kích thước hạt bột hàn đến hiện tượng rỗng khí trong các linh kiện có chân hàn ở đáy

Tính tự chủ, kết hợp với nhu cầu ngày càng cao của khách hàng về khả năng kết nối và giải trí trên xe, đã khiến số lượng thiết bị điện tử trong ô tô tăng lên đáng kể. Hay, như một số người đã gọi, biến ô tô thành một “chiếc máy tính trên bánh xe”. Liệu có gì đáng ngạc nhiên khi lĩnh vực điện tử, nền tảng phần mềm và thiết kế dành cho ô tô đang thu hút sự quan tâm lớn và chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ? Tất cả những yêu cầu này đòi hỏi tốc độ xử lý nhanh hơn và khả năng hoạt động cao hơn từ các hệ thống điện tử ô tô.

Tốc độ xử lý điện tử cao hơn này dẫn đến nhiệt độ tăng cao hơn trong các linh kiện điện tử. Đối với hệ thống điện tử ô tô, nhiệt độ cao hơn gây lo ngại khi xét đến tải nhiệt lớn và điều kiện khắc nghiệt hiện hữu, đặc biệt là bên trong khoang động cơ. Bên cạnh đó, thời gian hoạt động mà hệ thống điện tử cần duy trì — trên 10 năm — cùng với yêu cầu độ tin cậy cực cao trong bối cảnh mới của xe tự lái cũng là những yếu tố đáng quan tâm.

Như đã đề cập trước đó, tốc độ xung nhịp và sức mạnh tính toán của các mạch tích hợp đang ngày càng tăng, dẫn đến nhiệt độ máy tính cao hơn. Khi mạch tích hợp được lắp vào một linh kiện kết nối đáy (BTC) đã được lắp ráp với khoảng trống đáng kể, nhiệt do mạch tích hợp sinh ra không thể được tản đi một cách hiệu quả. Tình trạng này xảy ra do không khí trong khoảng trống là chất dẫn nhiệt rất kém. Mặc dù tổng diện tích khoảng trống ảnh hưởng đến tổng lượng nhiệt truyền đi, nhưng trong một số trường hợp, việc tập trung toàn bộ diện tích khoảng trống tại một điểm có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn vì tình trạng này có thể tạo ra điểm nóng trong linh kiện.

Hiện chưa có sự thống nhất về mức độ mất tín hiệu nào được coi là chấp nhận được, và cũng không có tiêu chuẩn IPC nào quy định về vấn đề này. Trước đây, một số ý kiến cho rằng mức mất tín hiệu trong khoảng 25% là chấp nhận được. Tuy nhiên, hiện nay mức 10% hoặc thấp hơn thường được coi là mục tiêu do các mạch tích hợp ngày càng có sức mạnh tính toán cao hơn, từ đó làm tăng nhiệt độ hoạt động và gây lo ngại ngày càng lớn về độ tin cậy.

Một yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng rỗng là kích thước hạt. Khi kích thước các linh kiện giảm xuống, lượng hàn cần thiết để gắn chúng cũng giảm theo. Các lỗ khuôn nhỏ hơn, vốn tạo ra các lớp hàn mỏng hơn, gây khó khăn cho quy trình in khuôn. Do đó, cuộc thảo luận bắt đầu nghiêng về việc nghiên cứu việc sử dụng các loại bột hàn có kích thước hạt mịn hơn. Tuy nhiên, điều đáng lo ngại là liệu có sự đánh đổi nào không? Hỗn hợp hàn có bột mịn hơn đồng nghĩa với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn, và diện tích bề mặt lớn hơn dẫn đến lượng oxit bề mặt nhiều hơn, điều này có thể làm tăng lượng lỗ rỗng. Thí nghiệm DOE sau đây đã được thực hiện để kiểm tra ảnh hưởng của kích thước bột đối với hiện tượng tạo lỗ rỗng:

Chất mang chất trợ hàn trong bột hàn (loại không cần làm sạch)

1. Dán 1 ROL0
2. Dán 2 ROL1

Hợp kim

1. SAC305

Kích thước bột

1. Loại 3 (25–45 micron)
2. Loại 4 (20–38 micron)
3. Loại 4,5 (20–32 micron)
4. Loại 5 (15–25 micron)
5. Loại 6 (5–15 micron)

Hình 1

Khuôn mẫu (Hình 1)

1. Cắt bằng laser, độ dày 4 mil
2. Miếng cách nhiệt cho kính cửa sổ (2×2)

Hình 2

Xe thử nghiệm (Hình 2)

1. 9 QFN trên mỗi bảng mạch
2. Các loại bề mặt hoàn thiện:
3. CuOSP
4. ENIG
5. Imm Sn
6. Imm Ag
7. 2 bảng cho mỗi bộ thông số

Hình 3

Hồ sơ quá trình nung lại (hình 3)

1. Đường dốc lên mức đỉnh của khí và_N₂

Hình 4. Kết quả

Kết quả

1. Loại 4 cho kết quả tốt nhất (tương tự như_N2)
2. CuOSP ít bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt
3. ROL0 cho kết quả tốt hơn ROL1