Wanneer een engineer in de halfgeleiderverpakkingsindustrie een D50 van 5 micron en een D98 van minder dan 15 micron specificeert voor zijn EMC-silica-filler, is dat geen conservatieve schatting. Die waarden vormen de exacte grens tussen een gietcompound die betrouwbaar in fijnmazige holtes vloeit en een compound die leidt tot onvolledige injectie, draadverplaatsing en storingen in het veld. Hetzelfde geldt voor PCB-laminaten: een enkel te groot silicadeeltje kan een holte creëren op het grensvlak tussen hars en filler, wat de signaalintegriteit verstoort in een 5G-toepassing die op 28 GHz werkt.
Strikte controle van de deeltjesgrootte in gesmolten silicavuller is geen kwaliteitsaspect, maar een functionele vereiste. Dit artikel beschrijft de drie specifieke faalmechanismen die het gevolg zijn van een gebrekkige controle van de deeltjesgrootteverdeling (PSD), hoe een PSD van silicavuller correct te interpreteren en te specificeren, en welke verwerkingsstappen het verschil maken tussen een brede en een nauwe verdeling.
Bij EPIC Powder Machinery leveren we hoogwaardig gesmolten silica- en kwartspoeder voor EMC- en PCB-toepassingen, met realtime laserdiffractiemonitoring tijdens elke productierun en een volledig analysecertificaat bij elke levering.
Wat 'strikte deeltjesgroottecontrole' in de praktijk betekent.
De deeltjesgrootteverdeling (PSD) van een silicavuller wordt gedefinieerd door ten minste drie getallen: D50 (mediaan), D90 of D98 (de grofste korrelgrootte) en soms D10 (de fijnste korrelgrootte). Elk getal bepaalt een ander aspect van het gedrag van uw formulering.
| PSD-parameter | Wat het meet | Wat het regelt in EMC/PCB | Typisch doelbereik |
| D10 | 10% deeltjes zijn fijner dan deze grootte | Minimale vulstofgrootte — overtollige fijne deeltjes vergroten het oppervlak en verhogen de viscositeit. | 0,5 – 2 micron (afhankelijk van de toepassing) |
| D50 | Mediaan deeltjesgrootte | Pakdichtheid en basisviscositeit | 3 – 10 micron voor standaard EMC; 1 – 5 micron voor geavanceerde verpakkingen |
| D90 | 90%-deeltjes zijn fijner dan dit. | Tussenliggende grove fractiecontrole | 15 – 30 micron, afhankelijk van de matrijsgeometrie |
| D98 / D99 | 98-99% deeltjes zijn fijner dan dit. | Bijna maximale deeltjesgrootte — dodelijke deeltjesbeheersing | Standaard onder de 20 micron; onder de 10 micron voor geavanceerde verpakkingen. |
| Dmax / D100 | Absoluut maximale deeltjesgrootte aanwezig | Harde limiet — geen enkel deeltje mag boven deze waarde uitkomen | Onder 45 micron standaard; onder 25 micron fijne spoed; onder 15 micron ultrafijn |
| Span = (D90-D10)/D50 | Breedte van de verdeling | Gelijkmatige verdeling — kleinere spreiding = kleinere verdeling | Lager dan 2,0 voor standaard EMC; lager dan 1,2 voor verpakkingen met hoge dichtheid. |
De meest voorkomende foutieve specificatie van een parameter is Dmax – de absolute maximale deeltjesgrootte. D90 en D98 zijn statistische maten; ze geven informatie over respectievelijk 90% of 98% van de deeltjes, maar zeggen niets over de resterende 2% die groter zijn. Voor EMC- en PCB-toepassingen is het juist die 2% waar storingen ontstaan. Een silica-vulmiddel met D98 = 18 micron kan nog steeds deeltjes van 50-80 micron bevatten als Dmax niet afzonderlijk wordt gespecificeerd en gecontroleerd. Door D98 en Dmax als afzonderlijke waarden te specificeren, wordt deze lacune gedicht.
Drie soorten storingen die het gevolg zijn van slechte PSD-regeling
1. Viscositeitspieken en onvolledige injecties (het probleem van de fijne deeltjes)
Wanneer een silica-vulstof te veel ultrafijne deeltjes bevat — D10 kleiner dan 0,3 micron, of een lange fijne staart in de verdeling — neemt het totale oppervlak van de vulstof sterk toe. Hars bevochtigt de oppervlakken van de vulstof, dus een groter oppervlak betekent dat er meer hars wordt verbruikt om de deeltjes in suspensie te houden en te smeren. Het resultaat is een viscositeitsverhoging die aanzienlijk kan zijn: een verschuiving van een D10 van 1 micron naar een D10 van 0,3 micron bij dezelfde vulstofconcentratie kan de viscositeit van de EMC-compound met 40-60% verhogen.
Bij standaard transfervormtemperaturen betekent deze hogere viscositeit dat de compound de fijnmazige matrijsholtes niet volledig kan binnendringen voordat deze begint te geleren. Het resultaat is een onvolledige vulling – onvolledige injectie – met holtes in de uiteindelijke verpakking. Onvolledige injectiepercentages van 5-15% komen vaak voor in EMC-lijnen die de fijne staart van hun silica-PSD niet onder controle hebben.
De oplossing is het beheersen van D10 en het instellen van een bovengrens voor de fijne fractie (het percentage materiaal kleiner dan 1 micron). Dit vereist ofwel een classificatieproces in meerdere fasen dat ultrafijne deeltjes uit het product verwijdert, ofwel een maalproces dat de vorming ervan in de eerste plaats voorkomt.
2. Draadvegen en delaminatie (het probleem met grove deeltjes)
Aan de grove kant veroorzaken te grote deeltjes twee verschillende soorten storingen. De eerste is draadvervorming: tijdens het transfergieten oefent de vloeibare EMC-compound hydraulische kracht uit op de fijne draadverbindingen die de chip met het substraat van de behuizing verbinden. Een groot, stijf silicadeeltje (bijvoorbeeld 80 micron in een compound met een specificatie van D90 = 30 micron) kan een gouden draadverbinding van 20 micron fysiek vervormen wanneer de compound erlangs stroomt. Draadvervorming bij een draaddiameter groter dan 5-10% is een betrouwbaarheidsfout.
De tweede vorm van falen is delaminatie. Grote deeltjes concentreren spanning in het uitgeharde composietmateriaal. Wanneer de behuizing thermische cycli ondergaat (bijvoorbeeld van -55 tot +125 graden Celsius tijdens automobielkwalificatie), overschrijden de spanningsconcentraties rond de grote deeltjes de hechtsterkte van het hars-vulmiddelgrensvlak. Scheuren ontstaan bij deze deeltjes en verspreiden zich, wat uiteindelijk leidt tot delaminatie tussen het EMC en de chipbevestiging of het substraat.
Beide soorten storingen worden voorkomen door een strikte Dmax-controle – niet alleen D90 of D98. Een trilzeef met de juiste maaswijdte, gecombineerd met een daaropvolgende luchtclassificatiestap die al het materiaal boven de streef-Dmax verwijdert, zorgt voor de noodzakelijke strikte bovengrens.
3. CTE-mismatch en PCB-vervorming (het uniformiteitsprobleem)
Silicium heeft een thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) van ongeveer 3 ppm per graad Celsius. FR-4 glas-epoxy PCB-substraat heeft een CTE van ongeveer 14-17 ppm per graad Celsius. Het doel van de silica-vuller in het PCB-laminaat is om dit verschil te overbruggen: de vuller verlaagt de CTE van het composietmateriaal tot de waarde van silicium, waardoor de spanning op de soldeerverbindingen tijdens thermische cycli afneemt.
Deze CTE-reductie is evenredig met de vulstofbelasting. Hogere belasting = lagere CTE van het composietmateriaal = betere CTE-afstemming met silicium = langere levensduur van de soldeerverbinding. Maar een hoge belasting werkt alleen als de deeltjesgrootteverdeling (PSD) dit toelaat. Een brede, slecht gecontroleerde PSD leidt tot een inefficiënte deeltjespakking — grotere deeltjes creëren holtes die niet kunnen worden opgevuld door kleinere deeltjes omdat de grootteverhouding niet klopt. De maximaal haalbare belasting daalt van 85-90% (strakke bimodale PSD) naar 65-75% (brede, ongecontroleerde PSD), met een overeenkomstige afname van de CTE-reductie.
Het resultaat is een PCB-laminaat met een hogere thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) dan ontworpen, wat zich uit in kromtrekking tijdens het reflow-solderen (het 'popcorneffect' in behuizingen, doorbuiging van de printplaat bij kale PCB's) en voortijdige vermoeidheid van de soldeerverbindingen tijdens gebruik.
| Snel overzicht van specificaties: Silica-vulmiddel PSD per toepassing Standaard EMC (QFP, SOP-verpakkingen): D50: 5-10 micron | D98: <25 micron | Dmax: <45 micron | Belading: 70-80% Fijne EMC (BGA, flip-chip): D50: 3-6 micron | D98: <15 micron | Dmax: <25 micron | Belading: 75-85% Ultrafijne EMC (geavanceerde wafer-level packaging): D50: 1-3 micron | D98: <8 micron | Dmax: <12 micron | Belading: tot 90% PCB-laminaatvuller (standaard FR-4-vervanging): D50: 5-15 micron | D90: <35 micron | Dmax: <50 micron | Belading: 60-75% Bolvormige inkapseling: D50: 3-8 micron | D98: <20 micron | Smalle spanwijdte (<1,5) cruciaal voor viscositeitsstabiliteit Opmerking: De specificaties variëren afhankelijk van het verpakkingsontwerp, de draadverbindingsafstand en het harssysteem. Overleg met uw formuleringsteam. |
Hoe een nauwkeurige deeltjesgrootteverdeling (PSD) wordt bereikt bij de productie van gesmolten silica
Het behalen en handhaven van de bovenstaande PSD-specificaties vereist controle in vier fasen van het productieproces. Elke fase voegt een extra laag van zekerheid toe; geen enkele fase is op zichzelf voldoende.
1. Controle van grondstoffen
De kwaliteit van de gesmolten silicagrondstof bepaalt wat er in de daaropvolgende verwerking mogelijk is. Inconsistente dichtheid, vochtgehalte of onzuiverheidsgraad van de grondstof dwingen de verwerkingsapparatuur om buiten de optimale parameters te werken, wat de deeltjesgrootteverdeling (PSD) van het eindproduct vergroot. Alle binnenkomende gesmolten silicagrondstof moet worden getest op SiO2-zuiverheid (streefwaarde boven 99,71 TP3T voor elektronicakwaliteit), bulkdichtheid en PSD vóór het malen voordat het productieproces begint.
2. Precisiefraaien — Gesloten-circuitslijpen
Voor siliciumdioxide van elektronicakwaliteit is malen in een gesloten circuit de standaard. De maalinstallatie en de classificator werken in een continue lus: de maalinstallatie verkleint de deeltjes, de classificator sorteert de deeltjes direct in fijne (conform specificatie, verlaat het circuit) en grove (afgekeurd, terug naar de maalinstallatie). Dit voorkomt overmatig malen van reeds fijne deeltjes en zorgt ervoor dat alleen materiaal dat aan de specificatie voldoet, in de productstroom terechtkomt.
Straalmolens worden vaak gebruikt voor de fijnste korrelgroottes (D50 kleiner dan 5 micron) omdat ze een hoge energie-input leveren voor het verkleinen van de korrelgrootte zonder metaalverontreiniging. Het principe van persluchtmolens zorgt ervoor dat er geen contact is tussen de maaloppervlakken en het product. Voor grovere korrelgroottes (D50 5-15 micron) is een kogelmolen of ringwalsmolen in een gesloten circuit met een luchtclassificator energiezuiniger.
3. Meertraps luchtclassificatie
Een enkele classificatiestap scheidt fijn van grof, maar produceert een geleidelijke overgangszone in plaats van een scherpe sprongfunctie. Voor siliciumdioxide van elektronische kwaliteit, waar Dmax strikt beperkt moet worden, is classificatie in meerdere stappen nodig: een primaire classificator stelt de D50 in, en een secundaire classificator richt zich specifiek op de grove deeltjes – waardoor materiaal boven de Dmax-drempel zeer efficiënt wordt verwijderd.
Horizontale luchtclassificatoren zorgen voor een scherpere scheiding dan verticale ontwerpen, omdat het deeltjestraject in een horizontaal stromingsveld minder wordt beïnvloed door de zwaartekracht die grotere deeltjes laat bezinken. Voor D98-specificaties onder de 15 micron – het bereik dat vereist is voor geavanceerde EMC – is een horizontale classificator de standaardkeuze.
4. Realtime monitoring van laserdiffractie
De output-PSD moet continu tijdens de productie worden gecontroleerd, niet alleen aan het begin van een batch. Inline laser diffractiesensoren meten de productstroom elke 30-60 seconden. Als D50 meer dan 5% afwijkt van de streefwaarde, of als D98 een stijgende trend vertoont, waarschuwt het systeem de operator voor een onmiddellijke aanpassing van de classificatieparameters.
Deze continue monitoring is de enige manier om te garanderen dat de eerste en de laatste zak van een productierun identieke PSD's hebben. Monstername aan het einde van een batch – het controleren van één monster na 4-8 uur productie – mist variatie binnen een batch, wat aanzienlijk kan zijn bij lange productieruns.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen hoekig en bolvormig siliciumdioxide voor EMC- en PCB-vulstoffen?
Het verschil is fundamenteel voor de manier waarop de vulstof zich gedraagt in het harssysteem. Bolvormige silicadeeltjes gedragen zich als kogellagers in de compound: ze draaien vrij langs elkaar, waardoor een hoge vulstofbelasting mogelijk is (tot 85-90% TP3T in gewicht) zonder dat de viscositeit onhandelbaar wordt. Deze hoge belasting zorgt voor de benodigde verlaging van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) om overeen te komen met die van siliconen.
Bolvormig siliciumdioxide wordt geproduceerd door vlamsferoidisatie of sol-gelsynthese en is duurder dan hoekig siliciumdioxide. Hoekig siliciumdioxide wordt geproduceerd door vermalen en malen, waardoor onregelmatige, grillige vormen ontstaan. De onderlinge verstrengeling van hoekige deeltjes in het uitgeharde composiet verbetert de mechanische hechting tussen vulstof en hars, wat de buigsterkte en scheurweerstand verhoogt. Het nadeel is een aanzienlijk hogere viscositeit bij dezelfde vulstofconcentratie, waardoor de hoeveelheid vulstof die kan worden toegevoegd beperkt is. Voor de meeste moderne EMC-toepassingen waarbij beheersing van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) prioriteit heeft, is bolvormig siliciumdioxide de standaardkeuze. Hoekig siliciumdioxide wordt gebruikt wanneer mechanische sterkte of lagere kosten de belangrijkste drijfveer zijn.
Hoe beïnvloedt de deeltjesgrootteverdeling (PSD) van silicavullers de diëlektrische constante (Dk) in PCB-laminaten?
De diëlektrische constante van een PCB-laminaat is een volumegewogen gemiddelde van de Dk-waarden van de componenten. Deze bestaan uit de epoxyhars (Dk circa 4,0), de silicavuller (Dk circa 3,8 voor gesmolten silica) en eventuele holtes of luchtbellen (Dk = 1,0). Luchtbellen zijn de belangrijkste variabele. Wanneer de deeltjesgrootteverdeling (PSD) van de silicavuller breed is of slecht gecontroleerd wordt, is de deeltjespakking inefficiënt en ontstaan er holtes op het grensvlak tussen de hars en de vuller. Deze holtes verlagen de Dk-waarde van het composiet onder de ontwerpwaarde en, cruciaal, veroorzaken variaties in de Dk-waarde tussen batches. Dit komt doordat het percentage holtes per batch verschilt. Strikte controle van de PSD – met name het controleren van de spreidingswaarde zodat de deeltjespakkingsdichtheid consistent is – minimaliseert de vorming van holtes en stabiliseert de Dk-waarde van batch tot batch. Voor 5G mmWave-toepassingen op 28 GHz en hoger is een Dk-variatie van meer dan +/- 0,05 voldoende om antenne-elementen te ontstemmen en niet aan de elektrische specificaties te voldoen.
Episch poeder
Episch poederMet meer dan 20 jaar ervaring in de ultrafijne poederindustrie. Wij zetten ons actief in voor de toekomstige ontwikkeling van ultrafijn poeder, met een focus op het breken, malen, classificeren en modificeren ervan. Neem contact met ons op voor een gratis adviesgesprek en oplossingen op maat! Ons team van experts streeft ernaar hoogwaardige producten en diensten te leveren om de waarde van uw poederverwerking te maximaliseren. Epic Powder – Uw vertrouwde expert in poederverwerking!
Bedankt voor het lezen. Ik hoop dat mijn artikel je helpt. Laat hieronder een reactie achter. Je kunt ook contact opnemen met de online klantenservice van EPIC Powder. Zelda voor verdere vragen.”
— Jason Wang, Ingenieur
