Không phải là điều bí mật khi khách hàng trong lĩnh vực bán dẫn ô tô ngày càng trở nên khắt khe hơn. Môi trường điện tử “dưới nắp ca-pô” có thể được coi là một trong những môi trường chịu áp lực nhiệt cao nhất trên hành tinh. Các thiết bị điện tử nằm gần khối động cơ có thể phải đối mặt với những điều kiện nhiệt độ cực đoan, từ cái lạnh buốt giá của mùa đông đến cái nóng oi bức của vùng nhiệt đới, cùng với nguồn nhiệt bổ sung từ động cơ đốt trong nằm ngay bên cạnh.
Tiêu chuẩn mức độ nhạy cảm với độ ẩm (MSL) của JEDEC / IPC được xây dựng nhằm đánh giá hiện tượng hấp thụ độ ẩm và hiện tượng “popcorning” của các vật liệu đúc phủ polymer, nhưng phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn này đã được mở rộng để bao quát nhiều tình huống đóng gói và các chế độ hỏng hóc khác nhau. Tiêu chuẩn này cho phép một mức độ bong tróc nhất định, ngay cả trong điều kiện MSL1 thường được yêu cầu bởi các khách hàng trong ngành bán dẫn ô tô. Tuy nhiên, hiện nay “không chấp nhận bong tróc” là yêu cầu phổ biến nhất từ các kỹ sư thiết kế ô tô. Để đáp ứng nhu cầu này, cả các nhà sản xuất vật liệu đúc phủ và nhà cung cấp khung dẫn đều đang nỗ lực tìm cách giảm bong tróc xuống mức 0. Các nhà sản xuất khung dẫn đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau cho sản phẩm của họ nhằm tăng cường độ bám dính giữa kim loại khung dẫn và hợp chất đúc phủ. Thông thường, phương pháp này được thực hiện dưới dạng tạo kết cấu vật lý và hóa học cho đồng, bằng cách sử dụng quy trình như hình thành oxit nâu.
Không có gì ngạc nhiên khi nhu cầu tăng cường độ bám dính (AE) này lại thúc đẩy các phương pháp xử lý khung dẫn điện đi ngược lại với yêu cầu tạo ra các kết nối điện không có lỗ rỗng và có độ dẫn điện cao giữa chip và khung dẫn điện – nói cách khác, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng hàn của phôi hoặc bột hàn. Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất khung dẫn ngày càng chuyển sang sử dụng phương pháp mạ bạc điểm lên đồng, với độ dày dao động từ 2–9 micron. Tại sao lớp bạc lại dày như vậy so với lớp bạc được phún xạ lên bề mặt chip? Đơn giản là vì đồng khuếch tán rất nhanh vào bạc, do đó, lớp bạc dày hơn sẽ giúp khung dẫn có thời hạn sử dụng lâu hơn. Cũng cần lưu ý rằng quá trình mạ không có khả năng kiểm soát quy trình tốt như phún xạ, nhưng lại rẻ hơn và nhanh hơn rất nhiều.
Bạn có thể xem (bên dưới) sơ đồ minh họa về lớp keo hàn được in lên một trong những khung dẫn này.
Một dạng hỏng hóc mới xuất hiện là hiện tượng ướt không hoàn toàn trên khung dẫn, dẫn đến hỏng hóc tại các vị trí mà chất hàn không chảy phủ hoàn toàn lên khu vực mạ bạc – “các vị trí bong tróc” – (xem hình dưới). Lớp hoàn thiện bằng bạc phẳng và bóng không phải là bề mặt thích hợp để các hợp chất đúc phủ bám dính vào.
Vậy tại sao chất hàn lại không bám ướt tốt? Câu trả lời sẽ trở nên rõ ràng khá nhanh khi bạn thực hiện một vài phép tính sơ bộ về hàm lượng bạc dự kiến trong mối hàn hoàn thiện. Giả sử độ dày đường hàn (BLT) là (25,75 micron) đối với chất hàn chứa 2,5% Ag (chẳng hạn như Indalloy 151 hoặc 163) và độ dày lớp mạ là (3-9) micron. Dựa trên một cuộc khảo sát khách hàng gần đây, độ dày mạ điển hình thường nằm trong khoảng 2–9 micron, với giá trị trung bình khoảng 3 micron.
Vậy hàm lượng bạc trong mối hàn thành phẩm là bao nhiêu, giả sử rằng toàn bộ lượng bạc đã được hòa tan?
Do đó, các tính toán cho thấy hàm lượng bạc nằm trong khoảng từ 6 đến 27%. Mức 27% này vượt xa giới hạn độ hòa tan của bạc trong các loại hàn này, và trên thực tế là trong hầu hết các loại hàn, ở nhiệt độ hàn dự kiến. Cơ chế không thấm ướt là rõ ràng: chất hàn không thể thấm ướt lên bề mặt bạc nữa, một khi bề mặt đó đã bị lấp đầy bởi các hạt liên kim loại không hòa tan.
Thông điệp gửi đến các nhà cung cấp linh kiện bán dẫn công suất là:
- Duy trì độ dày lớp mạ bạc ở mức thấp và ổn định: đặt ra các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt hơn đối với quy trình mạ bạc tại điểm từ nhà cung cấp của quý vị.
- Hãy cập nhật quy trình kiểm tra chất lượng hàng nhập để đảm bảo rằng bạn đang nhận được đúng những gì mình đã trả tiền, cả về độ dày của bạc lẫn tính đồng nhất.
- Quản lý tồn kho khung dẫn để hoạt động hiệu quả hơn, từ đó tránh gặp phải các vấn đề liên quan đến tuổi thọ của khung dẫn do đồng khuếch tán qua lớp bạc mỏng và bị oxy hóa (gây ra các vấn đề về khả năng hàn và hình thành lỗ rỗng).
Bạn thực sự có một giải pháp thay thế (chuyển sang loại hàn khác), nhưng khi đó bạn sẽ phải trải qua một quy trình tái chứng nhận kéo dài.
Như mọi khi, nếu cần hỗ trợ, xin vui lòng liên hệ với tôi.
Chúc mừng! Andy
