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超小元器件助焊劑工藝SMT組裝探索
上傳更新:2018-08-30

原創:計景春 唐 偉 

 

摘 要:傳統SMT是應用印刷機與鋼網將錫膏分配到每一個元件的焊點。本文通過闡述幾種助焊劑貼裝的可靠焊接方法,來倡導的元器件與PCB預鍍焊錫或使用錫片,只印刷助焊劑到每一個元件的焊點,貼裝元器件過回流焊,這種流程的工藝簡單,可靠性會更高!

 

關鍵詞:SMT、助焊劑、超小型元器件、預置錫片、可靠性

 

1 SMT組裝危機
      SMT是PCB表面貼裝元器件的組裝技術。元器件是電子組裝發展的基礎,元器件的變化推動組裝設備與組裝工藝的革新。隨著半導體和微電子元器件尺寸小到毫微級,傳統的SMT組裝技術已經遇到嚴重的危機。美國學者D.O Popa在2004年就指出:若按摩爾定律繼續進行的話,會在2010年以后的十年中發生“電子組裝危機”。他還指出:組裝和封裝復雜電子系統的成本將占到整個系統制造成本的60%-90%。SMT微電子組裝技術的變革已經迫在眉睫,將會在2022年前出現蛻變,我們回顧一下SMT組裝技術幾十年的歷史。
      第一代SMT起始于 60年代美國軍方,發展于 70年代后半期日本,從片狀元器件、組裝工藝和支撐材料的成熟,以及自動化設備大量研發出來,為SMT的發展奠定基礎,80年代SMT逐步代替通孔插件技術(THT)。
      第二代SMT實現細間距元器件的高速組裝。90年代,隨著I/O端子數的增多,器件的封裝形式也將由QFP快速地向球柵陣列式封裝形式過渡,BGA、CSP成為封裝技術的主流,片式元器件0402大量應用,SMT實現了高速組裝。
     第三代SMT小型元器件超高速組裝,21世紀隨著手機由功能機向智能機發展,SMT實現了小型片式元件0201、01005與 CSP、QFN、POP、3D超細間距封裝等器件的超高速組裝。2015年超小型元器件03015(0.3 * 0.15 mm)已經量產如圖1所示,其貼片工藝倍受關注,錫膏印刷工藝將是最大的挑戰。日本JEITA電子組裝技術委員會預測,到2020年貼裝片式元件將實用0201尺寸(0.2 mm *0.1 mm)量產。芯片按摩爾定律發展如圖2所示,芯片不斷縮小,引發PWB、SMT與芯片封裝三大行業不斷滲透,系統級芯片封裝SOC(system on chip)與系統級封裝SIP(system in package)已經應用到iphone7與iwatch上面。
      超小型元器件的組裝對焊錫膏、鋼網與印刷機的要求已經臨近極限,3D打印錫膏應用成本又非常高。錫膏、鋼網與印刷機已經很難全面滿足各種焊點對焊錫分配的要求,SMT面臨組裝工藝的危機,變革的技術方向在哪里?

圖1一根頭發與03015元件比較

 

圖2芯片封裝發展

2 錫膏印刷工藝瓶頸
      2.1合金焊料粉大小
      錫膏中合金粉末形狀大部分為球形顆粒,球直徑大小一般在30-200 um之間。大顆粒錫粉影響漏印,而顆粒太細表面積又增大,被氧化的程度會增高。合金粉末的形狀、粒度和表面氧化程度對焊膏性能的影響很大,見圖3。

圖 3合金粉末顆粒形狀分布

隨著元器件的不斷的變小,對合金粉顆粒會要求越來越小,4號、5號合金粉已經大量應用,然而粒度減小帶來的是合金粉末氧化的幾率增大和焊料球的增多,焊膏抗冷、熱坍塌的能力變差,橋連現象將更嚴重。
      5號粉再小的合金粉不宜采用,大批量制造球直徑<15 μm顆粒焊粉會非常困難,這樣對焊膏中的助焊劑的保護性、活性、印刷時的工藝性也會要求更苛刻。
      2.2 鋼網厚度
       隨著元器件焊點不斷小型化,要求鋼網越來越薄,已使用鋼網最薄的是0.08mm,當鋼網的厚度過薄(如<70 μm)將導致梆網時張力不夠,穩定性變差,使用壽命變短,焊膏印刷定位質量更差。采用nm級微晶的FG鋼網材料,也是一種有限的改善辦法,不能從根本上解決問題。技術上依據IPC—7525鋼網開口尺寸的指南的要求。
1)三球定律:至少有三個最大直徑的錫球能垂直排在模板的厚度方向上,至少有三個最大直徑的錫球能水平排在模板的寬度方向上。
2)寬厚比:開口寬度與模板厚度的比率大于1.5(W/T﹥1.5)。
3) 面積比:開口面積與孔壁橫截面積的比率大于0.66【W·T/2T(W+T) ﹥0.66】。
4) 若L<5W,則考慮寬厚比,否則考慮面積比。
減小焊料粉的粒度或減薄鋼網的厚度,對錫膏的印刷釋放是有限的改善,這樣3D打印錫膏成為解決焊膏印刷工藝的理想思路,也同樣面臨材料與技術的瓶頸。

2.3 印刷機精度
      印刷機的刮刀速度、壓力與脫模速度等是保證焊錫膏印刷的參數,印刷機的印刷精度和重復精度是衡量可靠性的重要參數。除了進口MPM與DEK等設備外,國產印刷機有GKG等應用到iphone7的生產流程中,其他的還難以滿足超小型焊點對印刷機的各項要求。
      焊膏印刷時,焊膏在金屬表面上的鋪展所受的力是其面積的函數。顯然,焊膏在微細的金屬表面上潤濕將明顯受到影響,當焊盤尺寸W≤150μm時(相當于03015元件),若焊膏印刷時偏位量δ≥20%XW時,如圖4所示。回流時焊膏就很難全部縮回到焊盤區,從而造成橋連和焊料珠。針對該例,印膏印刷機的精度ε和重復性均應<20%×W,即ε<30μm。顯然印刷機必須達到重復精度(6σ@±15μm)和印刷精度6σ@±25 μm,才能滿足需要。
 

圖4印刷機的精度和重復性要求

2.4 錫膏釋放
      對于超細鋼網的開孔,錫膏印刷后鋼網與PCB脫離,毛細作用成了阻礙錫膏從鋼網開孔內漏印的主要阻力,而對大開孔的錫膏,毛細現象可以忽略不計。針對不同鋼網開孔對焊膏釋放的統計表明,毛細現象是造成超小焊點少焊料,致使焊點可靠性下降的主要原因。超細鋼網的錫膏釋放毛細現象,又成為錫膏印刷工藝的瓶頸。

3 預置焊錫工藝的發展
      3.1 BGA、CSP與Flip-Chip預置錫球錫膏工藝
      BGA、CSP與Flip-Chip預置錫球能夠形成良好可靠的焊點,已經廣泛應用20年了,如圖5所示是2000年生產的Flip-Chip與CSP器件。隨著電子產品微型化,BGA、CSP與Flip-Chip預置錫球的球引腳間距的越來越減小,當間距小于一定值時,印刷錫膏技術己很難適應了。試驗表明在采用焊膏貼裝回流焊接時,回流焊接的最小引腳間距為300μm,而采用助焊劑貼裝回流焊接時,可達100μm。故當引腳間距小于300μm時,錫膏回流焊接工藝已經超過極限了,而BGA、CSP與Flip-Chip預置錫球如果采用印刷助焊劑貼裝回流焊接,最小球引腳間距的工藝限度可以達到50μm。故采用助焊劑貼裝回流焊接是應對超細腳間距芯片的工藝方法。

圖5  采用預置錫球的芯片

3.2 POP助焊劑貼裝工藝
      PoP (Package on Package)是利用SMT技術將一個零件貼裝在另一個零件的上表面;Bottom 零件的上表面有類似于PCB上的焊盤用來貼裝焊接Top零件,屬于3D組裝,主要是粘助焊劑、貼裝再過回流焊接。2000年前3D堆疊技術大部分還只是應用在閃存及一些移動記憶卡中,如2000年Nokia 8210手機已結使用POP技術,在邏輯控制器上放置一枚內存(DRAM),如圖6所示。
     PoP技術廣泛應用,模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線,大大提高邏輯運算功能和存儲空間,為終端用戶提供了自由選擇器件組合。如圖7所示,手機邏輯電路上下層芯片3D 裝配,粘助焊劑貼裝,無錫膏貼裝過回流焊。對于超細間距芯片與Flip-Chip,采用助焊劑貼裝回流焊接已經廣泛應用,是SMT比較成熟的工藝流程。

 

圖6 邏輯控制器上貼裝內存(DRAM)

圖7  PoP技術在手機上的應用

4預置成型錫片的工藝
      4.1 預成型錫片概念 預置錫球在BGA上應用較早,在一些有特殊的焊接要求地方,需要加大焊錫量,需使用預制成型錫片(solder perform),如圖8是預制標準片式錫片,與片式元件一樣的包裝、貼裝、過回流焊。由于錫片工藝的簡單、可靠性高,使用量逐年增加,已經引起了國產焊錫廠家的注意。

圖8  標準錫片

 

圖9不同形狀的錫片

錫片有與錫膏相同的屬性,相同合金的固態焊料SnPb或SAC305等,圖9是根據不同的需要制作的不同形狀錫片,按照形狀有可分方形、圓形與不規則形狀,根據焊點要求體積可精確計算,一般而言,錫片的尺寸占焊盤的尺寸比為80%-90% ,可選擇盒裝、料盤裝或散裝,也可手工貼片。錫片可分含1%~3%的助焊劑或無助焊劑兩種。錫片也需要助焊劑,錫片表面鍍助焊劑可助焊盤與元件去除氧化,有助于焊接。

4.2 預成型錫片在QFN應用
     應用成型錫片工藝,先印刷錫膏,對錫膏量的要求是越少越好,僅作固定焊盤的作用,錫片尺寸一般為接地焊盤點的80%,錫片的厚度一般為鋼網錫膏印刷厚度的50%~70%,免洗助焊劑重量比一般為1.5%,需要考慮免洗助焊劑兼容性。如圖10預制錫片放置工藝,從下到上分別是PCB、錫膏、成型錫片與QFN元件,錫片貼放在印刷了錫膏的焊點上,再貼裝QFN元件,貼裝完成過回流焊不需另外調整爐溫曲線。試驗統計表明使用預制錫片,QFN器件解決了大面積焊接空洞問題。

 

 

圖10 預制錫片貼在錫膏上面,而后再貼QFN

如圖11是使用預制錫片QFN回流后氣泡比例對比圖,其中第一個圖是沒有使用錫片的QFN,

圖11使用預制錫片QFN回流后氣泡對比(使用錫片前氣泡比例46%,使用后氣泡比例5.2%)

5 元器件與PCB預置焊錫工藝

 

圖12  電阻器的外型結構

由于錫膏工藝的制約,面對超小型元器件,傳統的錫膏技術己很難適應了,而采用助焊劑貼裝回流焊接時可達100μm,甚至50μm至更小,適應超小型元器件組裝。PCBA全部采用助焊劑貼裝回流焊接是發展趨勢,這樣就要求元器件或PCB采用焊錫預置方法,將焊錫電鍍到元器件焊點或用預置成型錫片放置到焊點,印刷只用采用助焊劑,再貼裝元器件過回流焊,形成良好可靠的焊點。

5.1 元器件預置錫球、錫片或鍍錫(R、C、L、SOT、QFP、BGA、CSP)
      5.1.1 元器件電鍍預置焊錫
      BGA預制錫球的技術已經非常成熟,超小型元器件也可以采用焊點預置錫球或錫片的工藝。這里僅以電阻器為例,分析電鍍焊錫工藝。電阻的外型結構如圖12,其中(1)是高鋁陶瓷,它是片式電阻的基體;(2)是金屬膜或碳膜電阻;(7)、(8)、(9)分別是包封玻璃,起到防潮的保護作用;(4)、(5)、(6)三層端焊頭,最內層(4)為銀鈀(Ag-Pd)合金,厚度為0.5 mil,它與陶瓷基板有良好的結合力;中間層(5)為鎳層,厚度為0.5~1 mil,它是防止在焊接期間銀層的浸析;最外層(6)為端焊頭,普通的電阻鍍錫層只有1 mil。而電鍍預置焊錫,厚度約10 mil,作為與焊盤焊接的錫,依據不同的尺寸的元件,電鍍不同厚度。

5.1.2 元器件焊點焊接形態
      預置錫片焊點的可靠性,以片式元器件焊點的理想焊接形態分析為例,從圖13中可以看出,焊錫不是越多就越好,只需要形成良好的IMC合金層就好,標準的焊點對焊錫量需要的不多,它有兩個焊點,分別在電極的外側和內側。外側焊點又稱主焊點,主焊點呈彎月面狀,維持焊接強度;內焊點起到補強和焊接時自對中作用。由圖13可知理想的焊盤長度為B=b1+T+b2,式中b1取值范圍為0.05~0.3 mm,b2取值范圍為0.25~1.3 mm。

 

圖13 理想的焊接形態

5.2 PCB預置焊錫
      5.2.1 PCB預置焊錫方法
      PCB焊盤涂鍍層的種類比較多,工藝也非常成熟,預置比較厚的焊錫,還是比較少,在日本PCB預置焊錫的工藝已經開始研究,國內還是剛剛起步。如圖14所示大概的步驟是:
(1)通過化學發應,在焊盤表面形成一層粘性層;
(2)向PCB上噴灑錫粉,在粘性作用下在焊盤表面附著一層錫粉;
(3)向錫粉表面噴一層松香 ;
(4)過Reflow加熱,在焊盤表面形成一層焊錫層。

圖14  PCB上預置比較厚的焊錫

5.2.1 助焊劑貼裝工藝

 

圖15 電阻無錫膏貼裝與過回流焊

 

圖16 Flip- Chip無錫膏貼裝與過回流焊

通過在PCB焊盤上形成一層厚厚的錫層 , 然后在貼裝中只需要印刷助焊劑松香,起著粘著元件與幫助焊接的作用,貼裝好后,直接過回流焊,如圖15所示是片式電阻。如圖16所示是Flip-Chip器件,在無錫膏工藝下,貼裝、過回流焊的過程。Flip- Chip Process使用PCB預置焊錫的工藝,供給焊點焊錫,然后在貼裝中只印刷或噴涂助焊劑松香,直接過回流焊,形成良好的焊點。PCB焊盤預置焊錫,焊接精度高,降低焊接工藝要求,可以應對各種元器件包括Fine Pitch腳間距為 65μm的器件,預制焊錫是一種突破性PCBA組裝工藝。

6 結論— 預置焊錫工藝是發展的方向
      采用焊膏貼裝回流焊接時,回流焊接的最小引腳間距為300μm,而采用助焊劑貼裝回流焊接時可達100μm,甚至更小。面對新型超小型元器件廣泛應用,預計2022年,微小元件已經到了極限,貼片機貼裝頭的取放貼裝將發生根本性變革,助焊劑工藝將全面替代錫膏工藝。采用焊錫預置方法,不需要錫膏與印刷工序,合格率大大提高,預置焊錫工藝不用錫膏作焊料,不必擔心焊料的壽命。這種預置錫膏的PCB鍍層儲存幾個月后生產沒有發生不良反應。 助焊劑貼裝回流工藝的優點:
(1)對OEM廠家SMT工藝要求降低;
(2)對錫膏印刷機的要求大大降低;
(3)對鋼網開孔方式要求降低;
(4)可靠性增強,不會出現少錫、短路與錫珠現象;
(5)降低OEM廠家成本,只要購買相應的助焊劑,不用購買錫膏。
(6)滿足軍工企業高可靠性要求高,可以先行,帶動行業發展。
      我國有全世界最多的焊錫材料廠家,但是在預置焊錫、錫片與錫球材料上面,一直依靠國外廠家。如果一部分有能力的焊錫廠家,轉型做預置焊錫、錫片與錫球,將是一個充滿前景的產業,超小元器件預置錫的應用將會推動微電子焊接的革命,預制焊錫是一種突破性PCBA組裝工藝。

 

參考文獻

1  樊融融.現代電子制造高密度安裝技術面臨的挑戰及未來解決的途徑   2015SMT 高端會議學術論文集

2  馬鑫.國外電子焊接材料產業化研發最新進展. 2015年中國焊錫材料研討會報告

3  龍緒明.胡少華.微電子組裝與封裝技術類型 2015SMT 高端會議學術論文集

 

 

關鍵詞:先藝電子,XianYi,金錫焊片,Au80Sn20焊片,Solder Preform,Solder Preforms,金錫Au80Sn20預成型焊片,銦銀合金焊片,超薄氣密封裝焊料,200℃以上低溫共晶合金焊片,240℃以下低溫共晶合金焊片,220℃左右的共晶合金焊片,錫銀銅SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5)焊片,錫銻焊片,Sn90Sb10,Au50Cu50焊,Au80Cu20焊片,Au焊片,Au88Ge12焊片,Au99Sb1焊片,Sn96.5Ag3.5焊片,SAC405(Sn95.5Ag4.0Cu0.5)焊片,Sn95Ag5焊片,銅鋁復合片,銅鋁過渡片,預置金錫蓋板,貼膜包裝焊片,大功率LED芯片封裝焊片生產廠家,純銦焊片供應商,金屬化光纖焊接材料,可伐合金蓋板,氣密性封裝材料,太陽能芯片封裝焊片,半導體芯片封裝焊片,光電成像器件的蓋板密封焊接

 

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