原创 第五章 电子封装与组装的软钎焊技术

第五章 电子封装与组装的软钎焊技术

1、简介：
a.钎料已成为所有三级连接（芯片、封装和板级组装）的互连材料，此外锡/铅钎料作为表面涂层还广泛应用于元器件引线和PCB的表面镀涂层；
b.表面安装技术：它主要是应用科学与工程原理将元件和器件放置到印制电路板表面上进行板级组装，而不是将它们插入电路板。与通孔插装技术相比，表面组装技术有如下优点：
■提高了电路密度；
■缩小了元器件尺寸；
■缩小了电路板尺寸；
■减轻了质量；
■缩短了引线；
■缩短了互连；
■改善了电性能；
■更适应自动化；
■降低了大规模生产地成本；
c.工业趋势：
■半导体元件：半导体器件一直向着提高可靠性、缩小特征尺寸、增大的晶圆片尺寸发展，今后电子技术的发展可能不只是受到传统的电路材料理论推动，它还可能基于电子和声子，可能还包括光子的迁移率及传导率；
■IC的封装和无源元件：又有已知合格芯片（KGD）在板级组装中一直存在问题，使用封装好的表面安装器件将继续占主流地位（ DIP、PGA、LCCC、PLCC、SOIC、CSP、FQFP、TQFP、BGA）；
■板级组装：配备了能提供多种工艺能力硬件的柔性工艺，便捷生产和基础设备对于将来SMT生产地成功来说都是至关重要的；
d.交叉学科和系统方法：
■最好的科学与技术史结合了四种要素产生的：科学家的责任感、想象力、直觉和创造力；
■浆料技术源于几个学科的交叉：配方技术、流变学、化学与物理、冶金和粉末技术；

2、软钎焊材料：
a.软钎料合金：一般定义为液相线温度低于400℃（750℉）的可熔融合金，常用的元素有锡Sn、铅Pb、银Ag、铋Bi、铟In、锑Sb、镉Cd。软钎料合金的选择是基于以下原则：
■合金熔化范围，这与使用温度有关；
■合金的力学性能，这与使用条件有关；
■冶金相容性，这要考虑浸出现象和可能生成金属间化合物；
■使用环境相容性，这主要是考虑银的迁移；
■在特定基板上的润湿能力；
■成分是共晶还是非共晶；
b.冶金学：对于锡铅二元合金，锡元素和铅元素在液态时可以完全互溶，在固态时可以部分互溶，由于锡铅钎料合金含有一个固相线和多个固相，因此它们也很容易受到热处理的影响；
c.软钎料粉：合金粉末常用以下几种技术制造出来，如化学还原法（多孔并呈海绵状）、电解沉积法（树枝状晶粒）、固体颗粒的机械加工法、液相合金雾化法（生产软钎料粉）；
d.力学性能：三个主要的力学性能包括应力-应变行为、抗蠕变性、抗疲劳性：
■大多数合金的剪切强度都弱于抗拉强度和抗压强度，由于大多数焊点在使用时都是受剪切应力，所以剪切强度对于软钎焊材料来说十分重要；
■蠕变是在温度和应力（载荷）都恒定时发生地整体塑性变形行为；各种软钎料合金的抗蠕变性能可分为五类：低、中低、中等、中高、高；
■疲劳是合金在交变应力作用下的失效行为（低周疲劳。热机械疲劳）；

3、焊膏：
a.定义：是一种钎料合金粉末、钎剂、和载体的均匀的、动态稳定的混合物；
b.特性：焊膏的物理和化学特性可以用以下参数来表述：
物理形貌、稳定性和储存期、黏度、冷塌落、通过细针头的可滴涂性、丝网印刷性、模板印刷性、粘附时间、黏性、暴露寿命、质量和一致性、与待焊表面的相容性、熔融前的流动性、润湿性、反润湿现象、焊珠现象、桥接现象、毛细现象、浸出现象、残留物的数量和性质、残留物的腐蚀性、残留物的可清洗性、焊点的外观、焊点的孔洞；
c.钎剂和助焊：根据钎剂的活性和化学性质，可将他们分为松香基钎剂、水溶性钎剂和免清洗钎剂，钎剂通过配入到焊膏或焊丝中、或作为独立化学物质直接施加在元件和焊膏上来实现助焊功能；
e.钎剂活性：
■钎剂的官能团和分子结构；
■钎剂化学物质的熔点和沸点；
■在钎焊条件下的热稳定性；
■在钎焊条件下的化学活性；
■钎剂周围的介质；
■待助焊的基板；
■环境稳定性（温度、湿度）；
■钎焊条件（温度随时间变化率、气氛）
f.水溶性钎剂：仅用水就可以去除残留物的钎剂，一般用超声清洗并配合适当温度曲线；
g.气相钎剂：一般分为反应性和保护性两种，前者能够帮助钎剂清洗元器件的引线和焊盘，后者的主要功能就是在软钎焊过程中防止氧气和水汽；
h.免清洗钎剂：
■最小的残留物含量，最好无残留物；
■残留物为半透明、并且不影响外观；
■残留物不影响针床测试；
■残留物与保形涂层（如使用的话）不互相干扰；
■残留物无黏性；
■残留物在高温、潮湿和电压偏压的条件下保持惰性；
■能有效地助焊，而无焊珠形成；
i.水溶性钎剂和免清洗钎剂之间的比较：两者都是可实际应用的体系，后者减少了一个工艺步骤，是一个明显的经济上的优势，但保护气氛的消耗同时会增加清洗的成本；
j.流变学：焊膏的流变学受到以下因素的影响：
■悬浮颗粒的成分、外观好尺寸；
■悬浮基体的化学成分；
■基体中有效组分的相对浓度；
■基体中组分的结构；
■基体和悬浮颗粒之间的物理或化学相互作用，包括润湿和融合；
■悬浮颗粒所占体积分数，通常比例越高越容易偏离黏性流动；
■内部结构和它对外力的响应；
■颗粒和生成的团聚物以及凝絮物之间的交互作用；
■温度；
k.配方：以下思考步骤是开发产品时的一种路线：
■定义性能指标；
■利用基础技术；
■选择原材料；
■了解和预测出各组分之间有可能会出现的相互协同或交互作用；
■平衡性能参数；
■微调配方以满足设计规范；
■开发生产工艺；
■生产一致性产品；
l.设计和使用焊膏以增加系统可靠性：焊膏的设计和使用原则—软性的钎剂、粗颗粒的粉末和低温的再流曲线—应该协调一致以获得最高的系统可靠性；
m.质保检测：膏体、载体、粉末、再流和再流后处理；

4、软钎焊方法：
a.分类：热传导、红外。汽相凝结、热气体、对流、感应、激光、聚焦红外、白光束、垂直再流；
b.反应与相互作用：再流动力学的流程图：
■预热基板和焊膏；
■挥发性物质蒸发；
■挥发性物质蒸发/钎剂渗透/ 钎剂激活；
■化学热解/洁净基底/洁净焊粉；
■钎料熔化/钎料浸润基底/钎剂载体保护基底/钎剂载体从熔融钎料逸出/化学热解；
■钎剂载体从熔融钎料逸出/化学热解；
■钎料固化；
c.工艺参数：用红外法和对流法进行再流占据主要位置，影响产品成品率和焊点完整性的关键工艺参数如下：预热温度、预热时间、峰值温度、在峰值温度停留的时间、冷却速率；
d.再流温度曲线：一个工件所经历的瞬时温度条件取决于一下因素：
■所有温区控制器的设定温度；
■环境温度；
■每块板的质量；
■加热室中的总质量（装载量）；
■供热和热传输的效率
e.再流曲线的影响：
■温度分布的均匀性；
■塑料IC封装开裂；
■钎料成珠；
■钎料成球；
■润湿性；
■可残留物清洁性；
■残留物外观和性质；
■焊点的气孔；
■钎料和基板表面的冶金反应；
■焊点的微观组织；
■母板翘曲；
■组件的残余应力水平；
f.优化曲线：基于较慢的加热速率和较低温度的再流曲线将更加适合如今的复杂组装、减少峰值温度区的暴露时间以及减小残余应力的要求；
g激光软钎焊：二氧化碳(CO2)和掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)，主要特点如下：
■可实现高度的局部加热，避免热敏元器件的损坏和防止塑料IC封装的开裂；
■可提供较高的局部加热，为需要多次再流的组装提供了第二次或第三次再流的工具；
■需要的再流时间较短；
■减少金属间化合物的形成；
■减少溶蚀问题；
■生成细晶粒的焊点组织；
■减少焊点中的应力集中；
■减少焊点中的有害气孔；
h. 可控气氛钎焊，产用气氛如下：干燥空气、氮气、氢气、不同比率的氮氢混合气、裂解的氨气、放热气体、含不同浓度氮气的混合气体；
i.可控气氛钎焊的工艺参数：气体流动速率、湿度和水蒸气压、带速、温度、氧气含量、优化氧气含量；
j.温度分布曲线的测量：使用像高温钎料和高温粘结剂（Kapton）之类的粘结材料，或者采用Saunders技术系统不使用外部材料就可以形成接触；

5、可钎焊性：
a.定义：可钎焊性是指动态加热过程中，在待连接的基体表面得到一个洁净金属表面，从而使熔融钎料在基体表面形成良好润湿的能力；
b.基板：可润湿性排序：Sn，Sn/Pb＞Cu＞Ag/Pd,Ag/Pt＞Ni；
c.润湿现象：良好的润湿可通过目检看到在焊盘的表面上形成一个平坦、均匀和连续的钎料涂覆层，而不存在反润湿、不润湿或针孔现象；
d.元器件的可钎焊性：元器件的引线通常是用铜、铜合金、42合金（41~42.5%镍，余铁），以及可伐合金（29%镍、17%钴、53%铁、1%其他元素）制成的。镀锡引线的可钎焊性取决于以下因素：
■引线基底材料的成分；
■涂覆层的成分；
■表面光洁度和涂覆层状态；
■涂覆层使用期限；
■涂覆层的储存；
■涂覆层的厚度；
e.印制电路板的表面镀涂层；

6、清洗：
a.典型的清洗工艺的关键步骤为：预漂洗—冲洗—漂洗—最终漂洗—干燥；
b.影响清洗效果的参数包括：水温、喷射压力、喷射角、冲洗时间、流速、辅助搅拌；

7、窄节距器件的应用：
a.开口设计与模版厚度的关系；
b.焊盘图形与模版开口设计的关系：台阶式模版、在开口四边均匀减小、交错印刷、减小长度或宽度、其他形状、折中模版厚度；
c.模版选择：常用模版材料有黄铜、不锈钢、钼、42合金和电铸镍，常用模版的制造工艺有化学蚀刻、激光切割、电解抛光、电镀和电铸；

8、有关钎焊的问题：
a.金属间化合物与焊点形成：简单来说金属间化合物生成的程度，化合物的成分以及它们的形貌都取决于内在因素，这些因素包括：
■钎料与基体的冶金反应活性；
■钎焊（再流）的峰值温度；
■在峰值温度的停留时间；
■基体的表面状态-干净的与氧化的；
■焊后的存储与使用条件；
b.镀金基板与焊点的形成：用金作为半导体封装和电子组装中基底金属的抗氧化涂镀层是常用的方法，金在以下几个方面对焊点有明显影响：流动性、润湿性和铺展性、力学性能、相转变温度、微观组织、形貌。但当金的浓度过大时或造成由于脆化而造成早期的焊点开裂、生成孔洞、微观组织粗化；
c.焊点气孔：气孔是一种不利于其完整性和可靠性的有害现象，尤其是大量喝大尺寸的气孔；
d.焊球/焊珠：钎焊成球指在再流时离开主焊区所生成各种直径的小球状颗粒，且在固化后这些颗粒并不凝聚在钎料熔池周围；人们一直在通过钎焊工艺控制、元器件和母板质量保证及焊膏设计来减少焊球现象的发生；
e.印制电路板PCB的表面镀涂层：
■基本工艺：电镀、化学镀和浸镀；
■金属体系：铜印制线上的可用金属表面涂（镀）层包括：Sn、SnPb合金、SnNi合金、Au/Ni、Au/Pd、Pd/Ni和Pd等；
■有机涂层：苯并三唑广泛用于Cu的抗锈剂和防氧化剂，靠生成苯并三唑络合物进行保护；
■PCB表面涂层体系的比较：HASL（钎料热风整平）不适用于引线键合、有机涂层；

9、焊点的外观形貌及显微结构：
a.外观形貌：影响焊点外观形貌的因素包括光泽、组织和完整性，如下所示：
■固有的合金光泽；
■固有的合金组织；
■焊膏再流后的残留物的特点；
■表面氧化的程度；
■钎料粉末聚合的完整性；
■微观结构；
■凝固时的机械扰动；
■钎料中的外来物质；
■相偏析；
■凝固时的冷却速率；
■后续的受热过程，包括老炼、温度循环、功率循环和高温储存；
b.显微结构：对于一个给定的钎料成分来说，显微结构以质量微克的形式提供对焊点完整性的“观察”和深入的“了解”；

10、焊点的完整性：
a.为确保一个焊点的完整性，需要逐一进行以下评估：
■钎料合金是否符合力学性能的需求；
■钎料合金是否符合基板兼容性的需要；
■钎料在基板上能否充分的润湿；
■焊点构形的设计，包括外形、厚度和接缝区域；
■优化再流方法和再流工艺，包括温度、加热时间和冷却速率；
■和老炼相关的存储条件对焊点的影响；
■实际使用条件，包括上限温度、下限温度、温度循环、振动和其他的机械应力；
■在实际使用条件下的性能需求；
■与实际使用条件相对应的可行的加速试验条件的设计；
b.基本失效过程：在使用时，照成钎焊失效的基本过程和影响因素列举如下：
机械强度较差或不够、蠕变、机械疲劳、热疲劳、本征的各向异性特膨胀、腐蚀加速疲劳、金属间化合物的形成、有害微观结构的发展、气孔、电迁移、溶蚀；
c.球栅阵列封装钎焊互连的可靠性：影响阵列焊点长期可靠性的各种因素列举如下：元器件封装、母板材料、钎料成分、焊点的结构和体积、其他材料（下填料）、制造工艺等；
d.周边焊点的可靠性—元器件引线的影响：引线材料、引线长度、引线宽度、引线厚度、引线高度、引线的共面性；
e.焊点寿命预测模型的挑战：现有一些模型方案中大都忽略了一些重要的部分和条件，下面列举了其中一部分，这些就是现有的模型在实际应用中存在局限性的原因：
■初始微观组织的影响；晶粒尺寸的影响；非均匀微观组织的影响；多轴蠕变疲劳；
■微观组织随外部条件的变化；确定材料初始有无裂纹；如果裂纹存在它的尺寸有多大；
■界面冶金反应的影响；焊层厚度与界面影响的关系；损伤机理—穿晶或沿晶；
■潜在的损伤机理的转变（由穿晶或沿晶）；是否存在晶界孔隙；焊脚几何形状的影响；
■自由表面状态的影响；加速试验条件与实际使用条件的相关性；
■实验条件和损伤机理的关系；使用条件包括芯片功率耗散随时间的可能变化；
■环境温度的影响；电源开关循环次数；焊点共面性的变化造成的影响
f.蠕变和疲劳相互作用：在电子互连的钎焊材料可能要经受包括蠕变和疲劳在内的这两个交互行为之一引起改变。具有最大抗蠕变性的材料常常不同于那些具有最大抗疲劳性的材料，改进材料应着眼于同时提高抗蠕变性和抗疲劳性；

11、无铅钎料：
a.世界立法的现状：
■美国：减少铅危害法案（S.391&S.729）、铅税法案（HR2479&S.1357）、资源保护回收法RCRA；
■日本：家用电子产品回收法，2002年将铅用量减半，2003年完全停止使用含铅钎料；
■欧洲：WEEE废弃电子电气设备指令、ROHS关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令（铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯、多溴联苯醚）
b.技术和方法：
■在设计无铅钎料时，选择组成元素和它们的具体用量都要考虑两个关键的因素：这种元素与锡形成合金的能力、当与锡合金化时，它们降低熔点的能力；
■合金强化原则：滑移、位错攀移、晶界剪切、晶粒内的空位或原子扩散；
■强化方法：非合金化掺杂物的微观结合、微观组织强化、合金强化、选择性填料的宏观混合；
■合金设计：对于锡基钎料来说，可用的候选合金元素数量很少，仅限于Ag、Bi、Cu、In和Sb。然而掺杂元素却可以扩展到很多的元素和化合物，冶金相互作用以及与温度升高有关的显微结构的改变，为开发新型无铅钎料提供了严格的科学依据；
c.钎料合金的选择—一般准则：参看“2、软钎焊材料”；
d.无铅钎料的选择：常见的六种体系：Sn/Ag/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Cu/Bi、 Sn/Ag/ Bi/In、 Sn/Ag/ Cu/In、 Sn/Cu/ In/Ga；