Khi một kỹ sư đóng gói bán dẫn chỉ định giá trị D50 là 5 micron và D98 dưới 15 micron cho chất độn silica EMC của họ, họ không hề thận trọng. Những con số đó chính xác là ngưỡng phân biệt giữa một hợp chất đúc có thể chảy ổn định vào các khoang có bước pitch nhỏ và một hợp chất gây ra hiện tượng thiếu hụt, quét dây và lỗi trong thực tế. Điều tương tự cũng áp dụng cho các tấm PCB: một hạt silica quá khổ duy nhất có thể tạo ra một khoảng trống tại giao diện giữa nhựa và chất độn, làm gián đoạn tính toàn vẹn tín hiệu trong ứng dụng 5G hoạt động ở tần số 28 GHz.
Kiểm soát chặt chẽ kích thước hạt trong chất độn silica nung chảy không chỉ là chi tiết đảm bảo chất lượng mà còn là yêu cầu chức năng. Bài viết này giải thích ba chế độ lỗi cụ thể do kiểm soát phân bố kích thước hạt (PSD) kém gây ra, cách đọc và xác định PSD chất độn silica một cách chính xác, và các bước xử lý tạo nên sự khác biệt giữa phân bố rộng và phân bố chặt.
Tại EPIC Powder Machinery, chúng tôi cung cấp bột silica nung chảy và bột thạch anh cấp điện tử cho các ứng dụng EMC và PCB, với hệ thống giám sát nhiễu xạ laser thời gian thực trong mỗi lần sản xuất và Giấy chứng nhận phân tích đầy đủ kèm theo mỗi lô hàng.
Ý nghĩa thực sự của "Kiểm soát kích thước hạt chặt chẽ" trong thực tế là gì?
Phân bố kích thước hạt (PSD) của chất độn silica được xác định bởi ít nhất ba con số: D50 (kích thước trung bình), D90 hoặc D98 (phần thô của phân bố) và đôi khi là D10 (phần mịn). Mỗi con số kiểm soát một khía cạnh khác nhau trong hành vi của công thức.
| Thông số PSD | Nó đo lường điều gì? | Chức năng kiểm soát của nó trong EMC/PCB | Phạm vi mục tiêu điển hình |
| D10 | 10% hạt có kích thước nhỏ hơn kích thước này. | Kích thước hạt độn tối thiểu — lượng hạt mịn dư thừa làm tăng diện tích bề mặt và tăng độ nhớt. | 0,5 – 2 micromet (tùy thuộc vào ứng dụng) |
| D50 | Kích thước hạt trung bình | Mật độ đóng gói và độ nhớt cơ bản | 3 – 10 micron cho EMC tiêu chuẩn; 1 – 5 micron cho các loại bao bì tiên tiến |
| D90 | 90% hạt có kích thước nhỏ hơn thế này. | Kiểm soát phân đoạn thô trung gian | 15 – 30 micron tùy thuộc vào hình dạng khuôn. |
| D98 / D99 | 98-99% hạt nhỏ hơn thế này | Kích thước hạt gần tối đa — kiểm soát hạt gây chết người | Kích thước tiêu chuẩn dưới 20 micron; dưới 10 micron đối với các loại bao bì cao cấp. |
| Dmax / D100 | Kích thước hạt tối đa tuyệt đối hiện có | Giới hạn cứng — không có hạt nào vượt quá giá trị này. | Dưới 45 micron tiêu chuẩn; dưới 25 micron bước sóng nhỏ; dưới 15 micron siêu nhỏ |
| Khoảng cách = (D90-D10)/D50 | Độ rộng của phân bố | Tính đồng nhất của phân bố — phạm vi nhỏ hơn = phân bố chặt chẽ hơn | Dưới 2.0 đối với EMC tiêu chuẩn; dưới 1.2 đối với bao bì mật độ cao |
Thông số thường bị xác định sai nhất là Dmax — kích thước hạt tối đa tuyệt đối. D90 và D98 là các số đo thống kê; chúng cho biết về 90% hoặc 98% hạt, nhưng không nói lên điều gì về 2% hạt còn lại có kích thước lớn hơn. Đối với các ứng dụng EMC và PCB, 2% hạt này chính là nơi phát sinh lỗi. Chất độn silica với D98 = 18 micron vẫn có thể chứa các hạt có kích thước từ 50-80 micron nếu Dmax không được xác định và kiểm soát riêng biệt. Việc xác định D98 và Dmax là các con số riêng biệt sẽ khắc phục được vấn đề này.
Ba kiểu lỗi do kiểm soát PSD kém gây ra
1. Hiện tượng tăng đột biến độ nhớt và thiếu hụt nguyên liệu (vấn đề về cặn mịn)
Khi chất độn silica có quá nhiều hạt siêu mịn — D10 dưới 0,3 micron, hoặc có phần đuôi mịn dài trong phân bố — tổng diện tích bề mặt của chất độn tăng lên đáng kể. Nhựa làm ướt bề mặt chất độn, vì vậy diện tích bề mặt lớn hơn có nghĩa là nhiều nhựa hơn bị tiêu thụ để giữ cho các hạt lơ lửng và được bôi trơn. Kết quả là độ nhớt tăng lên, có thể rất nghiêm trọng: sự thay đổi từ D10 là 1 micron sang D10 là 0,3 micron ở cùng một hàm lượng có thể làm tăng độ nhớt của hợp chất EMC lên 40-60%.
Ở nhiệt độ ép chuyển tiêu chuẩn, độ nhớt cao hơn này có nghĩa là hợp chất không thể thấm hoàn toàn vào các khoang khuôn có bước răng nhỏ trước khi bắt đầu đông đặc. Kết quả là sản phẩm không được điền đầy đủ — thiếu hụt — với các lỗ rỗng trong bao bì thành phẩm. Tỷ lệ thiếu hụt của 5-15% thường gặp trong các dây chuyền EMC chưa kiểm soát được phần đuôi nhỏ của phân bố kích thước hạt silica (PSD).
Giải pháp là kiểm soát D10 và đặt giới hạn trên cho phần hạt mịn (tỷ lệ phần trăm vật liệu dưới 1 micron). Điều này đòi hỏi hoặc một quy trình phân loại nhiều giai đoạn để loại bỏ các hạt siêu mịn khỏi sản phẩm, hoặc một quy trình nghiền để tránh tạo ra chúng ngay từ đầu.
2. Hiện tượng quét dây và tách lớp (Vấn đề hạt thô)
Ở mức độ thô, các hạt quá khổ gây ra hai chế độ hỏng hóc khác nhau. Đầu tiên là hiện tượng cuốn dây: trong quá trình ép chuyển, hợp chất EMC đang chảy tạo ra lực thủy lực lên các mối nối dây mảnh nối chip với chất nền của bao bì. Một hạt silica lớn, cứng (ví dụ, 80 micron trong hợp chất được quy định cho D90 = 30 micron) có thể làm lệch hướng vật lý một mối nối dây vàng 20 micron khi hợp chất chảy qua. Hiện tượng cuốn dây vượt quá 5-10% đường kính dây là một lỗi ảnh hưởng đến độ tin cậy.
Lỗi thứ hai là hiện tượng tách lớp. Các hạt lớn tập trung ứng suất trong vật liệu composite đã được xử lý – khi bao bì trải qua chu kỳ nhiệt (từ -55 đến +125 độ C trong quá trình kiểm định chất lượng ô tô, chẳng hạn), sự tập trung ứng suất xung quanh các hạt lớn vượt quá độ bền bám dính của giao diện nhựa-chất độn. Các vết nứt bắt đầu từ những hạt này và lan rộng, cuối cùng gây ra hiện tượng tách lớp giữa EMC và lớp gắn chip hoặc chất nền.
Cả hai lỗi đều được ngăn ngừa bằng cách kiểm soát Dmax chặt chẽ — chứ không chỉ D90 hoặc D98. Một sàng rung với kích thước lỗ phù hợp cộng với bước phân loại bằng khí ở phía sau giúp loại bỏ bất kỳ vật liệu nào vượt quá Dmax mục tiêu sẽ cung cấp giới hạn trên cứng cần thiết.
3. Sự không phù hợp hệ số giãn nở nhiệt (CTE) và sự cong vênh của mạch in (Vấn đề về tính đồng nhất)
Silicon có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) xấp xỉ 3 ppm/độ C. Vật liệu nền PCB epoxy thủy tinh FR-4 có CTE khoảng 14-17 ppm/độ C. Mục đích của chất độn silica trong lớp màng PCB là để thu hẹp khoảng cách này — chất độn làm giảm CTE của vật liệu composite về phía giá trị của silicon, giảm ứng suất lên các mối hàn trong quá trình chu kỳ nhiệt.
Sự giảm hệ số giãn nở nhiệt (CTE) này tỷ lệ thuận với lượng chất độn. Lượng chất độn càng cao = CTE của vật liệu composite càng thấp = CTE phù hợp hơn với silicon = tuổi thọ mối hàn càng dài. Nhưng lượng chất độn cao chỉ hiệu quả nếu phân bố kích thước hạt (PSD) cho phép. Một PSD rộng và không được kiểm soát tốt sẽ tạo ra sự sắp xếp hạt không hiệu quả — các hạt lớn hơn tạo ra các khoảng trống mà các hạt nhỏ hơn không thể lấp đầy vì tỷ lệ kích thước không phù hợp. Lượng chất độn tối đa có thể đạt được giảm từ 85-90% (PSD lưỡng cực chặt chẽ) xuống 65-75% (PSD rộng và không được kiểm soát), với sự suy giảm tương ứng về khả năng giảm CTE.
Kết quả là lớp màng PCB có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cao hơn so với thiết kế, biểu hiện là hiện tượng cong vênh trong quá trình hàn chảy lại (hiệu ứng "bỏng ngô" trong các gói linh kiện, cong vênh bo mạch ở các PCB trần) và hiện tượng mỏi mối hàn sớm trong quá trình sử dụng thực tế.
| Bảng tham khảo thông số kỹ thuật nhanh: Phân bố kích thước hạt silica theo ứng dụng - Tiêu chuẩn EMC (bao bì QFP, SOP): D50: 5-10 micron | D98: <25 micron | Dmax: <45 micron | Tải trọng: 70-80% EMC bước pitch nhỏ (BGA, chip lật): D50: 3-6 micron | D98: <15 micron | Dmax: <25 micron | Tải trọng: 75-85% EMC siêu mịn (bao bì cấp độ wafer tiên tiến): D50: 1-3 micron | D98: <8 micron | Dmax: <12 micron | Tải trọng: lên đến 90% Vật liệu trám khe PCB (thay thế tiêu chuẩn FR-4): D50: 5-15 micron | D90: <35 micron | Dmax: <50 micron | Tải trọng: 60-75% Chất đóng gói Glob top: D50: 3-8 micron | D98: <20 micron | Khoảng chênh lệch hẹp (<1,5) rất quan trọng đối với độ ổn định độ nhớt Ghi chú: Thông số kỹ thuật có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế bao bì, khoảng cách giữa các dây dẫn và hệ thống nhựa. Vui lòng xác nhận với nhóm chuyên gia pha chế của bạn. |
Làm thế nào để đạt được độ phân bố kích thước hạt (PSD) chặt chẽ trong sản xuất silica nung chảy
Việc đạt được và duy trì các tiêu chuẩn PSD nêu trên đòi hỏi sự kiểm soát ở bốn giai đoạn của quy trình sản xuất. Mỗi giai đoạn bổ sung thêm một lớp đảm bảo; không một giai đoạn nào là đủ riêng lẻ.
1. Kiểm soát nguyên liệu thô
Chất lượng nguyên liệu silica nung chảy quyết định những gì có thể đạt được trong quá trình xử lý tiếp theo. Mật độ nguyên liệu thô không nhất quán, hàm lượng ẩm hoặc mức độ tạp chất buộc thiết bị xử lý phải hoạt động ngoài các thông số tối ưu, làm mở rộng phạm vi phân bố kích thước hạt (PSD) của sản phẩm đầu ra. Tất cả nguyên liệu silica nung chảy đầu vào cần được kiểm tra độ tinh khiết của SiO2 (mục tiêu trên 99,7% đối với loại dùng trong ngành điện tử), mật độ khối lượng và PSD trước khi nghiền trước khi đưa vào quy trình sản xuất.
2. Gia công phay chính xác — Mài tuần hoàn kín
Đối với silica dùng trong ngành điện tử, quy trình nghiền khép kín là tiêu chuẩn. Máy nghiền và máy phân loại hoạt động trong một vòng lặp liên tục: máy nghiền làm giảm kích thước hạt, máy phân loại ngay lập tức phân loại các hạt thành hạt mịn (đạt tiêu chuẩn, ra khỏi vòng tuần hoàn) và hạt thô (bị loại bỏ, trả lại máy nghiền). Điều này ngăn ngừa việc nghiền quá mức các hạt đã mịn và đảm bảo rằng chỉ có vật liệu đáp ứng tiêu chuẩn kích thước mới được tích lũy trong dòng sản phẩm.
Phương pháp nghiền bằng tia khí thường được sử dụng cho các loại đá mịn nhất (D50 dưới 5 micron) vì nó cung cấp năng lượng đầu vào cao để giảm kích thước mà không gây ô nhiễm kim loại — nguyên lý nghiền bằng khí nén có nghĩa là không có bề mặt nghiền nào tiếp xúc với sản phẩm. Đối với các loại đá thô hơn (D50 5-15 micron), máy nghiền bi hoặc máy nghiền trục lăn trong mạch kín với bộ phân loại khí sẽ tiết kiệm năng lượng hơn.
3. Phân loại không khí nhiều giai đoạn
Một giai đoạn phân loại duy nhất tách các hạt mịn và thô nhưng tạo ra vùng chuyển tiếp dần dần thay vì một hàm bậc thang sắc nét. Đối với silica cấp điện tử, nơi Dmax phải được giới hạn nghiêm ngặt, cần có phân loại nhiều giai đoạn: bộ phân loại sơ cấp thiết lập D50, và bộ phân loại thứ cấp nhắm mục tiêu cụ thể vào phần thô ở đuôi — loại bỏ vật liệu vượt quá ngưỡng Dmax với hiệu quả cao.
Máy phân loại khí nằm ngang cho khả năng phân tách tốt hơn so với thiết kế thẳng đứng vì quỹ đạo chuyển động của hạt trong trường dòng chảy nằm ngang ít bị ảnh hưởng bởi sự lắng đọng do trọng lực của các hạt lớn hơn. Đối với tiêu chuẩn D98 dưới 15 micron — phạm vi cần thiết cho EMC tiên tiến — hình dạng máy phân loại nằm ngang là lựa chọn tiêu chuẩn.
4. Giám sát nhiễu xạ laser theo thời gian thực
Thông số PSD đầu ra phải được kiểm tra liên tục trong suốt quá trình sản xuất, không chỉ khi bắt đầu một mẻ sản xuất. Các cảm biến nhiễu xạ laser tích hợp sẽ đo dòng sản phẩm mỗi 30-60 giây. Nếu D50 lệch quá 5% so với mục tiêu, hoặc nếu D98 cho thấy xu hướng tăng lên, hệ thống sẽ cảnh báo người vận hành để điều chỉnh ngay lập tức các thông số của bộ phân loại.
Việc giám sát liên tục này là cách duy nhất để đảm bảo rằng túi đầu tiên và túi cuối cùng của một lô sản xuất có phân bố kích thước hạt (PSD) giống hệt nhau. Việc lấy mẫu cuối lô — kiểm tra một mẫu sau 4-8 giờ sản xuất — bỏ sót sự biến động trong cùng một lô, điều này có thể rất đáng kể trong các lô sản xuất dài.
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa silica dạng góc cạnh và dạng hình cầu dùng làm chất độn cho mạch in và tương thích điện từ (EMC) là gì?
Sự khác biệt này nằm ở cơ sở cách thức hoạt động của chất độn trong hệ nhựa. Các hạt silica hình cầu hoạt động như các viên bi trong hỗn hợp – chúng quay tự do qua lại với nhau, cho phép hàm lượng chất độn cao (lên đến 85-90% theo trọng lượng) mà không làm cho độ nhớt trở nên khó thao tác. Hàm lượng cao này là điều giúp đạt được sự giảm hệ số giãn nở nhiệt (CTE) cần thiết để phù hợp với silicon.
Silica hình cầu được sản xuất bằng phương pháp cầu hóa bằng ngọn lửa hoặc tổng hợp sol-gel và đắt hơn silica hình góc cạnh. Silica hình góc cạnh được sản xuất bằng cách nghiền và mài, tạo ra các hình dạng không đều, lởm chởm. Sự liên kết của các hạt hình góc cạnh trong vật liệu composite đã đóng rắn giúp cải thiện độ bám dính cơ học giữa chất độn và nhựa, làm tăng độ bền uốn và khả năng chống nứt. Nhược điểm là độ nhớt cao hơn đáng kể ở cùng một tỷ lệ chất độn, điều này hạn chế lượng chất độn có thể kết hợp. Đối với hầu hết các ứng dụng EMC hiện đại, nơi kiểm soát hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là ưu tiên hàng đầu, silica hình cầu là lựa chọn mặc định. Silica hình góc cạnh được sử dụng khi độ bền cơ học hoặc chi phí thấp hơn là yếu tố chính.
Phân bố kích thước hạt (PSD) của chất độn silica ảnh hưởng như thế nào đến hằng số điện môi (Δk) trong các tấm PCB?
Hằng số điện môi của tấm nền PCB là giá trị trung bình có trọng số theo thể tích của các giá trị Dk của các thành phần cấu tạo nên nó. Đó là nhựa epoxy (Dk xấp xỉ 4.0), chất độn silica (Dk xấp xỉ 3.8 đối với silica nung chảy), và bất kỳ khoảng trống hoặc túi khí nào (Dk = 1.0). Túi khí là biến số quan trọng. Khi phân bố kích thước hạt (PSD) của chất độn silica rộng hoặc được kiểm soát kém, việc đóng gói hạt không hiệu quả và các khoảng trống hình thành tại giao diện giữa nhựa và chất độn. Những khoảng trống này làm giảm Dk của vật liệu composite xuống dưới giá trị thiết kế và, nghiêm trọng hơn, gây ra sự biến đổi Dk giữa các lô sản phẩm. Điều này là do tỷ lệ khoảng trống thay đổi theo từng lô. Kiểm soát PSD chặt chẽ — cụ thể là kiểm soát giá trị span sao cho mật độ đóng gói hạt nhất quán. Điều này giúp giảm thiểu sự hình thành khoảng trống và ổn định Dk giữa các lô sản phẩm. Đối với các ứng dụng sóng mm 5G ở tần số 28 GHz trở lên, sự biến đổi Dk lớn hơn +/- 0.05 là đủ để làm lệch tần số các phần tử anten và không đáp ứng được thông số kỹ thuật điện.
Bột Epic
Bột EpicVới hơn 20 năm kinh nghiệm trong ngành công nghiệp bột siêu mịn, chúng tôi tích cực thúc đẩy sự phát triển tương lai của bột siêu mịn, tập trung vào các quy trình nghiền, xay, phân loại và cải tiến bột siêu mịn. Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn miễn phí và các giải pháp tùy chỉnh! Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi cam kết cung cấp các sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao để tối đa hóa giá trị quá trình gia công bột của bạn. Epic Powder – Chuyên gia gia công bột đáng tin cậy của bạn!
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi có ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với đại diện khách hàng trực tuyến của EPIC Powder Zelda để biết thêm bất kỳ thông tin nào khác.”
— Jason Wang, Kỹ sư
