Когда инженер по упаковке полупроводников указывает значение D50 в 5 микрон и D98 ниже 15 микрон для своего кремниевого наполнителя EMC, он не проявляет консервативность. Эти цифры представляют собой точный порог между формовочной смесью, которая надежно заполняет полости с малым шагом, и той, которая вызывает короткие заливы, застревание проводников и отказы в полевых условиях. То же самое относится и к ламинатам печатных плат: одна слишком крупная частица кремния может создать пустоту на границе раздела смола-наполнитель, что нарушает целостность сигнала в приложении 5G, работающем на частоте 28 ГГц.
Строгий контроль размера частиц в наполнителе из плавленого кварца — это не просто требование к качеству, а функциональное условие. В этой статье рассматриваются три конкретных вида отказов, вызванных плохим контролем распределения размеров частиц, как правильно читать и определять распределение размеров частиц в наполнителе из кварца, а также как выглядят этапы обработки, которые определяют разницу между широким и узким распределением.
Компания EPIC Powder Machinery поставляет порошок плавленого кварца и кварца электронного класса для применения в электромагнитной совместимости и производстве печатных плат, обеспечивая мониторинг лазерной дифракции в реальном времени на каждом этапе производства и предоставляя полный сертификат анализа каждой отгрузке.
Что на практике означает «строгий контроль размера частиц»?
Распределение размеров частиц кремнеземного наполнителя определяется как минимум тремя числами: D50 (средний размер), D90 или D98 (крупный конец распределения), а иногда и D10 (мелкий конец). Каждое число контролирует различные аспекты поведения вашей рецептуры.
| Параметр PSD | Что именно измеряет | Что контролируется в контексте ЭМС/печатных плат | Типичная дальность стрельбы |
| Д10 | 10% частиц имеют меньший размер, чем этот. | Минимальный размер наполнителя — избыток мелких частиц увеличивает площадь поверхности и повышает вязкость. | 0,5–2 микрона (зависит от области применения) |
| Д50 | Медианный размер частиц | Плотность упаковки и базовая вязкость | 3–10 микрон для стандартных корпусов с электромагнитной совместимостью; 1–5 микрон для корпусов повышенной прочности. |
| Д90 | 90% частиц мельче этого | Контроль промежуточной крупной фракции | 15–30 микрон в зависимости от геометрии пресс-формы |
| Д98 / Д99 | 98-99% частиц мельче этого уровня. | Практически максимальный размер частиц — контроль частиц-убийц. | Стандартная толщина менее 20 микрон; менее 10 микрон для корпусов повышенной прочности. |
| Дмакс / Д100 | Абсолютный максимальный размер частиц | Жесткий предел — ни одна частица не должна превышать это значение. | Стандартный шаг менее 45 микрон; шаг менее 25 микрон; сверхтонкий шаг менее 15 микрон. |
| Размах = (D90-D10)/D50 | Ширина распределения | Равномерность распределения — меньший размах = более плотное распределение | Значение ниже 2,0 для стандартной ЭМС; ниже 1,2 для корпусов высокой плотности. |
Наиболее часто неправильно указываемый параметр — Dmax, абсолютный максимальный размер частиц. D90 и D98 — это статистические показатели; они указывают на 901 или 981 частицу, но ничего не говорят об оставшихся 21 частицах большего размера. В приложениях для ЭМС и печатных плат именно эти 21 частица являются источником сбоев. Кремниевый наполнитель с D98 = 18 микрон может содержать частицы размером 50-80 микрон, если Dmax не указан и не контролируется отдельно. Указание D98 и Dmax как отдельных чисел устраняет этот пробел.
Три типа отказов, вызванных некачественным контролем плотности мощности.
1. Скачки вязкости и неполное заполнение порций (проблема мелких фракций)
Когда в кремнеземном наполнителе слишком много ультрадисперсных частиц — D10 ниже 0,3 микрона или длинный тонкий хвост в распределении — общая площадь поверхности наполнителя резко возрастает. Смола смачивает поверхности наполнителя, поэтому большая площадь поверхности означает, что больше смолы расходуется на поддержание частиц во взвешенном состоянии и смазку. В результате происходит значительное увеличение вязкости: изменение D10 с 1 микрона до D10 0,3 микрона при той же концентрации может увеличить вязкость компаунда EMC на 40-60%.
При стандартных температурах литья под давлением эта более высокая вязкость означает, что компаунд не может полностью проникнуть в полости формы с малым шагом частиц до начала гелеобразования. В результате получается неполное заполнение — неполное заполнение — с пустотами в готовом изделии. Неполное заполнение с коэффициентом 5-15% часто встречается в линиях EMC, где не контролируется тонкий хвост распределения частиц диоксида кремния.
Решение заключается в контроле D10 и установлении верхнего предела для фракции мелких частиц (процент материала размером менее 1 микрона). Для этого требуется либо многоступенчатый процесс классификации, который удаляет ультрамелкие частицы из продукта, либо процесс измельчения, который предотвращает их образование в первую очередь.
2. Проволочная очистка и расслоение (проблема крупных частиц)
В случае крупнозернистых частиц, слишком большие частицы вызывают два различных типа отказов. Первый — это «проволочное смещение»: во время литья под давлением текучий компаунд EMC оказывает гидравлическое воздействие на тонкие проволочные соединения, соединяющие кристалл с подложкой корпуса. Крупная, жесткая частица диоксида кремния (например, 80 микрон в компаунде, рассчитанном на D90 = 30 микрон) может физически деформировать 20-микронное золотое проволочное соединение по мере прохождения компаунда. Проволочное смещение при диаметре проволоки более 5-10% является отказом, влияющим на надежность.
Второй вид разрушения — расслоение. Крупные частицы концентрируют напряжение в отвержденном композите — когда корпус подвергается термическим циклам (например, от -55 до +125 градусов Цельсия в условиях автомобильной промышленности), концентрация напряжений вокруг крупных частиц превышает прочность сцепления между смолой и наполнителем. Трещины возникают в этих частицах и распространяются, в конечном итоге вызывая расслоение между ЭМС и креплением кристалла или подложкой.
Обе эти проблемы предотвращаются за счет жесткого контроля Dmax, а не только D90 или D98. Вибрационное сито с правильным размером ячейки, а также последующий этап классификации воздуха, удаляющий любой материал, превышающий целевой показатель Dmax, обеспечивают необходимый жесткий верхний предел.
3. Несоответствие коэффициентов теплового расширения и деформация печатной платы (проблема однородности)
Коэффициент теплового расширения (КТР) кремния составляет приблизительно 3 ppm на градус Цельсия. Подложка печатной платы из стеклоэпоксидной смолы FR-4 имеет КТР около 14-17 ppm на градус Цельсия. Цель использования кремнеземного наполнителя в ламинате печатной платы состоит в том, чтобы преодолеть этот разрыв — наполнитель снижает КТР композита до значения, характерного для кремния, уменьшая нагрузку на паяные соединения во время термических циклов.
Снижение коэффициента теплового расширения (КТР) пропорционально содержанию припоя. Более высокое содержание = более низкий КТР композита = лучшее соответствие КТР кремния = более длительный срок службы паяного соединения. Но высокое содержание работает только в том случае, если это позволяет распределение частиц по размерам (РЧД). Широкое, плохо контролируемое РЧД приводит к неэффективной упаковке частиц — более крупные частицы создают пустоты, которые не могут быть заполнены более мелкими, потому что соотношение размеров неправильное. Максимально достижимая концентрация снижается с 85-901Т3Т (узкое бимодальное РЧД) до 65-751Т3Т (широкое неконтролируемое РЧД), с соответствующей потерей снижения КТР.
В результате получается ламинат печатной платы с коэффициентом теплового расширения выше расчетного, что проявляется в виде деформации во время пайки оплавлением (эффект «попкорна» в корпусах, прогиб платы без корпуса) и преждевременного износа паяных соединений в процессе эксплуатации.
| Краткий справочник технических характеристик: Спецификация наполнителя из диоксида кремния по областям применения. Стандарт ЭМС (корпуса QFP, SOP): D50: 5-10 микрон | D98: <25 микрон | Dmax: <45 микрон | Нагрузка: 70-80% Электромагнитная совместимость с малым шагом выводов (BGA, флип-чип): D50: 3-6 микрон | D98: <15 микрон | Dmax: <25 микрон | Нагрузка: 75-85% Сверхтонкая ЭМС (усовершенствованная упаковка на уровне пластины): D50: 1-3 микрона | D98: <8 микрон | Dmax: <12 микрон | Нагрузка: до 90% Наполнитель для ламината печатных плат (замена стандартного FR-4): D50: 5-15 микрон | D90: <35 микрон | Dmax: <50 микрон | Нагрузка: 60-75% Защитный слой Glob top: D50: 3-8 микрон | D98: <20 микрон | Узкий диапазон (<1,5) имеет решающее значение для стабильности вязкости. Примечание: Технические характеристики зависят от конструкции корпуса, шага проволочного соединения и системы смол. Для уточнения информации обратитесь к вашей команде разработчиков рецептур. |
Как достигается плотное распределение частиц по размерам при производстве плавленого кварца
Для достижения и поддержания вышеуказанных спецификаций PSD необходим контроль на четырех этапах производственного процесса. Каждый этап добавляет дополнительный уровень гарантии; ни один из них сам по себе не является достаточным.
1. Контроль сырья
Качество исходного плавленого кварца определяет возможности последующей обработки. Нестабильная плотность сырья, содержание влаги или уровень примесей заставляют технологическое оборудование работать вне оптимальных параметров, что приводит к расширению распределения размеров частиц на выходе. Все поступающее сырье из плавленого кварца должно быть проверено на чистоту SiO2 (целевой показатель выше 99,71 TP3T для электронного класса), насыпную плотность и распределение размеров частиц перед измельчением, прежде чем поступать в производственный процесс.
2. Прецизионное фрезерование — шлифование по замкнутому контуру
Для производства кремнезема электронного класса стандартным методом является измельчение в замкнутом цикле. Мельница и классификатор работают в непрерывном цикле: мельница измельчает частицы, классификатор немедленно сортирует их на мелкие (соответствующие спецификации, выходят из цикла) и крупные (отбракованные, возвращаются в мельницу). Это предотвращает чрезмерное измельчение уже мелких частиц и гарантирует, что в потоке продукции будет накапливаться только материал, соответствующий спецификации по размеру.
Струйное измельчение обычно используется для самых тонких фракций (D50 менее 5 микрон), поскольку оно обеспечивает высокую энергоемкость для измельчения без загрязнения металлами — принцип измельчения сжатым воздухом означает, что поверхности мельницы не контактируют с продуктом. Для более крупных фракций (D50 5-15 микрон) более энергоэффективной является шаровая или кольцевая вальцовая мельница замкнутого цикла с воздушным классификатором.
3. Многоступенчатая классификация воздуха
Одностадийная классификация разделяет мелкие и крупные частицы, но создает плавную переходную зону, а не резкую ступенчатую функцию. Для кремнезема электронного класса, где значение Dmax должно быть жестко ограничено, необходима многостадийная классификация: первичный классификатор устанавливает значение D50, а вторичный классификатор целенаправленно обрабатывает крупный хвост, эффективно удаляя материал, превышающий пороговое значение Dmax.
Горизонтальные воздушные классификаторы обеспечивают более четкое разделение, чем вертикальные конструкции, поскольку траектория частиц в горизонтальном потоке в меньшей степени подвержена влиянию гравитационного осаждения более крупных частиц. Для спецификаций D98 с размером частиц менее 15 микрон — диапазоном, необходимым для усовершенствованных электромагнитных классификаторов — стандартным выбором является горизонтальная геометрия классификатора.
4. Мониторинг лазерной дифракции в реальном времени
Выходной спектральный размер частиц (PSD) необходимо проверять непрерывно в процессе производства, а не только в начале партии. Встроенные лазерные дифракционные датчики измеряют поток продукта каждые 30-60 секунд. Если значение D50 отклоняется от целевого более чем на 5% или если значение D98 демонстрирует тенденцию к увеличению, система оповещает оператора о необходимости немедленной корректировки параметров классификатора.
Непрерывный мониторинг — единственный способ гарантировать, что первый и последний пакеты производственной партии будут иметь идентичные показатели распределения размеров частиц. Отбор проб в конце партии — проверка одной пробы через 4-8 часов после начала производства — не позволяет выявить внутрипартийные колебания, которые могут быть значительными при длительных производственных циклах.
Часто задаваемые вопросы
В чём разница между угловатым и сферическим диоксидом кремния, используемым в качестве наполнителя для ЭМС и печатных плат?
Разница заключается в принципиальном ведении наполнителя в системе смолы. Сферические частицы диоксида кремния действуют в компаунде как шарикоподшипники — они свободно вращаются относительно друг друга, что позволяет использовать высокую концентрацию наполнителя (до 85-90% по весу) без снижения вязкости до неприемлемого уровня. Именно эта высокая концентрация обеспечивает снижение коэффициента теплового расширения, необходимое для соответствия кремнию.
Сферический диоксид кремния получают методом сфероидизации пламенем или золь-гель синтеза, и он дороже угловатого диоксида кремния. Угловой диоксид кремния получают путем дробления и измельчения, в результате чего образуются неровные, зазубренные формы. Сцепление угловатых частиц в отвержденном композите улучшает механическую адгезию между наполнителем и смолой, что повышает прочность на изгиб и сопротивление растрескиванию. Компромисс заключается в значительно более высокой вязкости при той же концентрации, что ограничивает количество используемого наполнителя. Для большинства современных применений в области электромагнитной совместимости, где приоритетом является контроль коэффициента теплового расширения, сферический диоксид кремния является выбором по умолчанию. Угловой диоксид кремния используется там, где основным фактором является механическая прочность или более низкая стоимость.
Как распределение размеров частиц кремнеземного наполнителя влияет на диэлектрическую постоянную (Dk) в ламинатах печатных плат?
Диэлектрическая постоянная ламината печатной платы представляет собой средневзвешенное по объему значение диэлектрической проницаемости (Dk) его компонентов. К ним относятся эпоксидная смола (Dk приблизительно 4,0), кремнеземный наполнитель (Dk приблизительно 3,8 для плавленого кварца) и любые пустоты или воздушные полости (Dk = 1,0). Воздушные полости являются ключевым фактором. При широком или плохо контролируемом распределении частиц по размерам (PSD) кремнеземного наполнителя упаковка частиц неэффективна, и на границе раздела смола-наполнитель образуются пустоты. Эти пустоты снижают диэлектрическую проницаемость композита ниже расчетного значения и, что критически важно, вызывают колебания Dk от партии к партии. Это происходит потому, что доля пустот изменяется с каждой партией. Жесткий контроль PSD — в частности, контроль значения диапазона, обеспечивающий постоянную плотность упаковки частиц — минимизирует образование пустот и стабилизирует Dk от партии к партии. Для приложений 5G mmWave на частотах 28 ГГц и выше, колебания Dk более чем на +/- 0,05 достаточны для расстройки антенных элементов и несоответствия электрическим характеристикам.
Эпический порошок
Эпический порошокБолее 20 лет опыта в индустрии ультратонких порошков. Активно содействуем развитию ультратонких порошков, уделяя особое внимание процессам дробления, измельчения, классификации и модификации ультратонких порошков. Свяжитесь с нами для бесплатной консультации и индивидуальных решений! Наша команда экспертов стремится предоставлять высококачественные продукты и услуги для максимальной эффективности обработки ваших порошков. Epic Powder — ваш надежный эксперт по обработке порошков!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Инженер
