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2019-08-04

113彩票剂清洗合明科技分享:SMT组装之超小元器件助焊剂工艺探索

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:300

元器件助焊剂清洗合明科技分享:SMT组装之超小元器件助焊剂工艺探索


摘 要:传统SMT是应用印刷机与113彩票将锡膏分配到每一个元件的焊点。本文通过阐述几种助焊剂113彩票的可靠焊接方法,来倡导的元器件与PCB预镀焊锡或使用锡片,只印刷助焊剂到每一个元件的焊点,113彩票元器件过回流焊,这种流程的工艺简单,可靠性会更高!

关键词:SMT、助焊剂、超小型元器件、预置锡片、可靠性


1 SMT组装危机
SMT是PCB表面113彩票元器件的组装技术。元器件是电子组装发展的基础,元器件的变化推动组装设备与组装工艺的革新。随着半导体和微电子元器件尺寸小到毫微级,传统的SMT组装技术已经遇到严重的危机。美国学者D.O Popa在2004年就指出:若按摩尔定律继续进行的话,会在2010年以后的十年中发生“电子组装危机”。他还指出:组装和封装复杂电子系统的成本将占到整个系统制造成本的60%-90%。SMT微电子组装技术的变革已经迫在眉睫,将会在2022年前出现蜕变,我们回顾一下SMT组装技术几十年的历史。
第一代SMT起始于 60年代美国军方,发展于 70年代后半期日本,从片状元器件、组装工艺和支撑材料的成熟,以及自动化设备大量研发出来,为SMT的发展奠定基础,80年代SMT逐步代替通孔插件技术(THT)。
第二代SMT实现细间距元器件的高速组装。90年代,随着I/O端子数的增多,器件的封装形式也将由QFP快速地向球栅阵列式封装形式过渡,BGA、CSP成为封装技术的主流,片式元器件0402大量应用,SMT实现了高速组装。
第三代SMT小型元器件超高速组装,21世纪随着手机由功能机向智能机发展,SMT实现了小型片式元件0201、01005与 CSP、QFN、POP、3D超细间距封装等器件的超高速组装。2015年超小型元器件03015(0.3 * 0.15 mm)已经量产如图1所示,其贴片工艺倍受关注,锡膏印刷工艺将是最大的挑战。日本JEITA电子组装技术委员会预测,到2020年113彩票片式元件将实用0201尺寸(0.2 mm *0.1 mm)量产。芯片按摩尔定律发展如图2所示,芯片不断缩小,引发PWB、SMT与芯片封装三大行业不断渗透,系统级芯片封装SOC(system on chip)与系统级封装SIP(system in package)已经应用到iphone7与iwatch上面。
超小型元器件的组装对焊锡膏、113彩票与印刷机的要求已经临近极限,3D打印锡膏应用成本又非常高。锡膏、113彩票与印刷机已经很难全面满足各种焊点对焊锡分配的要求,SMT面临组装工艺的危机,变革的技术方向在哪里?

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图1一根头发与03015元件比较      

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图2芯片封装发展


2 锡膏印刷工艺瓶颈
2.1合金焊料粉大小

锡膏中合金粉末形状大部分为球形颗粒,球直径大小一般在30-200 um之间。大颗粒锡粉影响漏印,而颗粒太细表面积又增大,被氧化的程度会增高。合金粉末的形状、粒度和表面氧化程度对焊膏性能的影响很大,见图3。

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随着元器件的不断的变小,对合金粉颗粒会要求越来越小,4号、5号合金粉已经大量应用,然而粒度减小带来的是合金粉末氧化的几率增大和焊料球的增多,焊膏抗冷、热坍塌的能力变差,桥连现象将更严重。
5号粉再小的合金粉不宜采用,大批量制造球直径<15 μm颗粒焊粉会非常困难,这样对焊膏中的助焊剂的保护性、活性、印刷时的工艺性也会要求更苛刻。
2.2 113彩票厚度
随着元器件焊点不断小型化,要求113彩票越来越薄,已使用113彩票最薄的是0.08mm,当113彩票的厚度过薄(如<70 μm)将导致梆网时张力不够,稳定性变差,使用寿命变短,焊膏印刷定位质量更差。采用nm级微晶的FG113彩票材料,也是一种有限的改善办法,不能从根本上解决问题。技术上依据IPC—7525113彩票开口尺寸的指南的要求。
1)三球定律:至少有三个最大直径的锡球能垂直排在模板的厚度方向上,至少有三个最大直径的锡球能水平排在模板的宽度方向上。
2)宽厚比:开口宽度与模板厚度的比率大于1.5(W/T﹥1.5)。
3) 面积比:开口面积与孔壁横截面积的比率大于0.66【W·T/2T(W+T) ﹥0.66】。
4) 若L<5W,则考虑宽厚比,否则考虑面积比。
减小焊料粉的粒度或减薄113彩票的厚度,对锡膏的印刷释放是有限的改善,这样3D打印锡膏成为解决焊膏印刷工艺的理想思路,也同样面临材料与技术的瓶颈。

2.3 印刷机精度
印刷机的刮刀速度、压力与脱模速度等是保证焊锡膏印刷的参数,印刷机的印刷精度和重复精度是衡量可靠性的重要参数。除了进口MPM与DEK等设备外,国产印刷机有GKG等应用到iphone7的生产流程中,其他的还难以满足超小型焊点对印刷机的各项要求。
焊膏印刷时,焊膏在金属表面上的铺展所受的力是其面积的函数。显然,焊膏在微细的金属表面上润湿将明显受到影响,当焊盘尺寸W≤150μm时(相当于03015元件),若焊膏印刷时偏位量δ≥20%XW时,如图4所示。回流时焊膏就很难全部缩回到焊盘区,从而造成桥连和焊料珠。针对该例,印膏印刷机的精度ε和重复性均应<20%×W,即ε<30μm。显然印刷机必须达到重复精度(6σ@±15μm)和印刷精度6σ@±25 μm,才能满足需要。


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图4印刷机的精度和重复性要求

2.4 锡膏释放
对于超细113彩票的开孔,锡膏印刷后113彩票与PCB脱离,毛细作用成了阻碍锡膏从113彩票开孔内漏印的主要阻力,而对大开孔的锡膏,毛细现象可以忽略不计。针对不同113彩票开孔对焊膏释放的统计表明,毛细现象是造成超小焊点少焊料,致使焊点可靠性下降的主要原因。超细113彩票的锡膏释放毛细现象,又成为锡膏印刷工艺的瓶颈。

3 预置焊锡工艺的发展
3.1 BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球锡膏工艺
BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球能够形成良好可靠的焊点,已经广泛应用20年了,如图5所示是2000年生产的Flip-Chip与CSP器件。随着电子产品微型化,BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球的球引脚间距的越来越减小,当间距小于一定值时,印刷锡膏技术己很难适应了。试验表明在采用焊膏113彩票回流焊接时,回流焊接的最小引脚间距为300μm,而采用助焊剂113彩票回流焊接时,可达100μm。故当引脚间距小于300μm时,锡膏回流焊接工艺已经超过极限了,而BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球如果采用印刷助焊剂113彩票回流焊接,最小球引脚间距的工艺限度可以达到50μm。故采用助焊剂113彩票回流焊接是应对超细脚间距芯片的工艺方法。

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图5  采用预置锡球的芯片

3.2 POP助焊剂113彩票工艺
PoP (Package on Package)是利用SMT技术将一个零件113彩票在另一个零件的上表面;Bottom 零件的上表面有类似于PCB上的焊盘用来113彩票焊接Top零件,属于3D组装,主要是粘助焊剂、113彩票再过回流焊接。2000年前3D堆叠技术大部分还只是应用在闪存及一些移动记忆卡中,如2000年Nokia 8210手机已结使用POP技术,在逻辑控制器上放置一枚内存(DRAM),如图6所示。
PoP技术广泛应用,模糊了一级封装与二级装配之间的界线,大大提高逻辑运算功能和存储空间,为终端用户提供了自由选择器件组合。如图7所示,手机逻辑电路上下层芯片3D 装配,粘助焊剂113彩票,无锡膏113彩票过回流焊。对于超细间距芯片与Flip-Chip,采用助焊剂113彩票回流焊接已经广泛应用,是SMT比较成熟的工艺流程。

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图6 逻辑控制器上113彩票内存(DRAM)     

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图7  PoP技术在手机上的应用

4预置成型锡片的工艺
4.1 预成型锡片概念
预置锡球在BGA上应用较早,在一些有特殊的焊接要求地方,需要加大焊锡量,需使用预制成型锡片(solder perform),如图8是预制标准片式锡片,与片式元件一样的包装、113彩票、过回流焊。由于锡片工艺的简单、可靠性高,使用量逐年增加,已经引起了国产焊锡厂家的注意。


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图8  标准锡片      

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图9不同形状的锡片
锡片有与锡膏相同的属性,相同合金的固态焊料SnPb或SAC305等,图9是根据不同的需要制作的不同形状锡片,按照形状有可分方形、圆形与不规则形状,根据焊点要求体积可精确计算,一般而言,锡片的尺寸占焊盘的尺寸比为80%-90% ,可选择盒装、料盘装或散装,也可手工贴片。锡片可分含1%~3%的助焊剂或无助焊剂两种。锡片也需要助焊剂,锡片表面镀助焊剂可助焊盘与元件去除氧化,有助于焊接。

4.2 预成型锡片在QFN应用
应用成型锡片工艺,先印刷锡膏,对锡膏量的要求是越少越好,仅作固定焊盘的作用,锡片尺寸一般为接地焊盘点的80%,锡片的厚度一般为113彩票锡膏印刷厚度的50%~70%,免洗助焊剂重量比一般为1.5%,需要考虑免洗助焊剂兼容性。如图10预制锡片放置工艺,从下到上分别是PCB、锡膏、成型锡片与QFN元件,锡片贴放在印刷了锡膏的焊点上,再113彩票QFN元件,113彩票完成过回流焊不需另外调整炉温曲线。试验统计表明使用预制锡片,QFN器件解决了大面积焊接空洞问题。

 


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图10 预制锡片贴在锡膏上面,而后再贴QFN
如图11是使用预制锡片QFN回流后气泡比例对比图,其中第一个图是没有使用锡片的QFN,

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图11使用预制锡片QFN回流后气泡对比(使用锡片前气泡比例46%,使用后气泡比例5.2%)

5 元器件与PCB预置焊锡工艺

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图12  电阻器的外型结构
由于锡膏工艺的制约,面对超小型元器件,传统的锡膏技术己很难适应了,而采用助焊剂113彩票回流焊接时可达100μm,甚至50μm至更小,适应超小型元器件组装。PCBA全部采用助焊剂113彩票回流焊接是发展趋势,这样就要求元器件或PCB采用焊锡预置方法,将焊锡电镀到元器件焊点或用预置成型锡片放置到焊点,印刷只用采用助焊剂,再113彩票元器件过回流焊,形成良好可靠的焊点。

5.1 元器件预置锡球、锡片或镀锡(R、C、L、SOT、QFP、BGA、CSP)
5.1.1 元器件电镀预置焊锡

BGA预制锡球的技术已经非常成熟,超小型元器件也可以采用焊点预置锡球或锡片的工艺。这里仅以电阻器为例,分析电镀焊锡工艺。电阻的外型结构如图12,其中(1)是高铝陶瓷,它是片式电阻的基体;(2)是金属膜或碳膜电阻;(7)、(8)、(9)分别是包封玻璃,起到防潮的保护作用;(4)、(5)、(6)三层端焊头,最内层(4)为银钯(Ag-Pd)合金,厚度为0.5 mil,它与陶瓷基板有良好的结合力;中间层(5)为镍层,厚度为0.5~1 mil,它是防止在焊接期间银层的浸析;最外层(6)为端焊头,普通的电阻镀锡层只有1 mil。而电镀预置焊锡,厚度约10 mil,作为与焊盘焊接的锡,依据不同的尺寸的元件,电镀不同厚度。

5.1.2 元器件焊点焊接形态
预置锡片焊点的可靠性,以片式元器件焊点的理想焊接形态分析为例,从图13中可以看出,焊锡不是越多就越好,只需要形成良好的IMC合金层就好,标准的焊点对焊锡量需要的不多,它有两个焊点,分别在电极的外侧和内侧。外侧焊点又称主焊点,主焊点呈弯月面状,维持焊接强度;内焊点起到补强和焊接时自对中作用。由图13可知理想的焊盘长度为B=b1+T+b2,式中b1取值范围为0.05~0.3 mm,b2取值范围为0.25~1.3 mm。

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图13 理想的焊接形态

5.2 PCB预置焊锡
5.2.1 PCB预置焊锡方法

PCB焊盘涂镀层的种类比较多,工艺也非常成熟,预置比较厚的焊锡,还是比较少,在日本PCB预置焊锡的工艺已经开始研究,国内还是刚刚起步。如图14所示大概的步骤是:
(1)通过化学发应,在焊盘表面形成一层粘性层;
(2)向PCB上喷洒锡粉,在粘性作用下在焊盘表面附着一层锡粉;
(3)向锡粉表面喷一层松香 ;
(4)过Reflow加热,在焊盘表面形成一层焊锡层。

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图14  PCB上预置比较厚的焊锡

5.2.1 助焊剂113彩票工艺


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图15 电阻无锡膏113彩票与过回流焊 

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图16 Flip- Chip无锡膏113彩票与过回流焊

通过在PCB焊盘上形成一层厚厚的锡层 , 然后在113彩票中只需要印刷助焊剂松香,起着粘着元件与帮助焊接的作用,113彩票好后,直接过回流焊,如图15所示是片式电阻。如图16所示是Flip-Chip器件,在无锡膏工艺下,113彩票、过回流焊的过程。Flip- Chip Process使用PCB预置焊锡的工艺,供给焊点焊锡,然后在113彩票中只印刷或喷涂助焊剂松香,直接过回流焊,形成良好的焊点。PCB焊盘预置焊锡,焊接精度高,降低焊接工艺要求,可以应对各种元器件包括Fine Pitch脚间距为 65μm的器件,预制焊锡是一种突破性PCBA组装工艺。

6 结论— 预置焊锡工艺是发展的方向
采用焊膏113彩票回流焊接时,回流焊接的最小引脚间距为300μm,而采用助焊剂113彩票回流焊接时可达100μm,甚至更小。面对新型超小型元器件广泛应用,预计2022年,微小元件已经到了极限,贴片机113彩票头的取放113彩票将发生根本性变革,助焊剂工艺将全面替代锡膏工艺。采用焊锡预置方法,不需要锡膏与印刷工序,合格率大大提高,预置焊锡工艺不用锡膏作焊料,不必担心焊料的寿命。这种预置锡膏的PCB镀层储存几个月后生产没有发生不良反应。 助焊剂贴装回流工艺的优点:
(1)对OEM厂家SMT工艺要求降低;
(2)对锡膏印刷机的要求大大降低;
(3)对113彩票开孔方式要求降低;
(4)可靠性增强,不会出现少锡、短路与锡珠现象;
(5)降低OEM厂家成本,只要购买相应的助焊剂,不用购买锡膏。
(6)满足军工企业高可靠性要求高,可以先行,带动行业发展。
我国有全世界最多的焊锡材料厂家,但是在预置焊锡、锡片与锡球材料上面,一直依靠国外厂家。如果一部分有能力的焊锡厂家,转型做预置焊锡、锡片与锡球,将是一个充满前景的产业,超小元器件预置锡的应用将会推动微电子焊接的革命,预制焊锡是一种突破性PCBA组装工艺。

文章来源于微信公众号: 计景春 唐 伟 SMT技术网


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【清洗小知识】

目前5G通讯和新能源汽车正进行得如火如荼,而功率器件及半导体芯片正是其核心元器件。为了确保功率器件和半导体芯片的品质和高可靠性,在封装前需要引入清洗工序和使用清洗剂。

功率器件和半导体封装前通常会使用助焊剂和锡膏等作为焊接辅料,这些辅料在焊接过程或多或少都会有部分残留物,还包括制程中沾污的指印、汗液、角质和尘埃等污染物。同时,功率器件和半导体的引线框架组装了铝、铜、铂、镍等敏感金属等相当脆弱的功能材料。这些敏感金属和特殊功能材料对清洗剂的兼容性提出了很高的要求。一般情况下,材料兼容性不好的清洗剂容易使敏感材料氧化变色或溶胀变形或脱落等产生不良现象。合明科技自主研发的功率器件和半导体水基清洗剂则是针对引线框架、功率半导体器件焊后清洗开发的材料兼容性好、清洗效率高的环保水基清洗剂。将焊锡膏清洗干净的情况下避免敏感材料的损伤。

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113彩票后板面发白原因分析

线路板清洗后板面发白原因分析:

白色残留物在PCBA线路板上是常见的污染物,一般多为助焊剂的副产物。常见的白色残留物是聚合松香,未反应的活化剂以及助焊剂与焊料的反应生成物氯化铅或溴化物等,这些物质在吸潮后,体积膨胀,部分物质还与水发生水合反应,白色残留日趋明显,这些残留物吸附在PCB上除去异常困难,若过热或高温时间长,出问题更严重,从焊接工艺前后的PCB表面的松香及残留物的红外光谱分析结果证实了这一过程。

 

不管线路板子在清洗后出现白色残留,或者是免清洗的板子存储后出现白色物质,还是返修时发现的焊点上的白色物质,无非有四种情况:

 

1. 113彩票香:大多数清洗不干净、存储后、焊点失效后产生的白色物质,都是焊剂中本身固有的松香。松香通常是透明、硬且脆的无固定形状的固态物质,不是结晶体,松香在热力学上不稳定,有结晶的趋向。松香结晶后,无色透明体就变成了白色粉末。如果线路板清洗不干净的话,白色残留就可能是松香在溶剂挥发后形成的结晶粉末。

 

当PCB在高湿条件下存储,当吸收的水分达到一定程度时,松香就会从无色透明的玻璃态向结晶态逐渐转变,在视角上看就是形成白色粉末。究其本质仍是松香,只是形态不同,仍具有良好的绝缘性,不会影响到板子的性能。

松香中的松香酸和卤化物(如果使用的话)一起作为活性剂使用。人造树脂通常在低于100℃以下不与金属氧化物反应,但温度高于100℃时反应迅速,它们挥发与分解快,在水中的可溶性低。

2. 松香变性物:这是板子在焊接过程中,松香与焊剂发生反应所产生的物质,而且这种物质的溶解性一般很差,不容易被清洗,滞留在板子上,形成白色残留物。但是这些白色物质都是有机成分的,仍能保证板子的可靠性。

3. 有机金属盐:清除焊接表面氧化物的原理是有机酸与金属氧化物反应生成可溶于液态松香的金属盐,冷却后与松香形成固溶体,在清洗中随松香一起除去。如果焊接表面、零部件氧化程度很高,焊接后生成物的浓度就会很高。当松香的氧化程度太高时,可能会与未溶解的松香氧化物一起留在板子上。这时候板子的可靠性会降低。

4. 113彩票:这些可能是焊料中的金属氧化物与助焊剂或焊膏中的含卤活性剂、PCB焊盘中的卤离子、元器件表面镀层中的卤离子残留、FR4材料含卤材料在高温时释放的卤离子反应生成的物质,一般在有机溶剂中的溶解度很小。

在组装过程中,对于电子辅料极有可能使用了含卤素的助焊剂(虽说供应商提供的都是环保助焊剂,但完全不含卤素的助焊剂还是比较少的),焊接后板面残留有卤素类离子(F、Cl、Br、l)。这些离子状卤素残留物,本身不是白的,也不足以导致板面泛白。这类物质遇水或受潮后生成了强酸,这些强酸开始和焊点表面的氧化层起反应,就生成了酸盐,也就是看到的白色物质。


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【锡膏钢网清洗水基清洗应用新技术介绍】

5G时代的到来,各类电子产品组件越来越微小化,元件焊盘之间间隙也在缩小,如何确保能达到高品质的回流焊接,SMT锡膏印刷工艺是其中关键的一个环节,大家都知道,在SMT锡膏印刷中,有三个重要部分:焊膏、钢网模板和印刷设备,如能正确选择,方可获得良好的印刷效果。

113彩票工艺中管控好SMT钢网这一环节呢,给大家分享一下Unibright提供的SMT印刷钢网离线清洗方式最新工艺,能确保钢网清洁后所有孔径“0”颗锡珠、“0”锡粉残留,清洗实际效果(见图一)。

在电子制程中,SMT钢网常规清洗方式一般采用气动式喷淋清洗机,该方式设备运行安全,但配套清洗剂属有机溶剂类产品,低闪点、易燃易爆,有一定安全隐患,且SMT锡膏钢网清洗后,孔径有锡粉残留,清洗实际效果(见图二),也会对SMT制程产品存在一定品质风险。

综合上述“水基全自动钢网清洗机”,颠覆了传统采用易燃易爆、有毒的挥发性有机溶剂(VOCs)和效率低下的手工擦刷模式,极大降低企业经济成本和社会环境污染治理成本。项目从技术、装备、材料、工艺均属国内首创,并拥有形式、结构和尺寸等独立知识产权产品。一键完成全程清洗工艺,实现SMT水基清洗完美工艺流程。


以上一文,仅供参考!

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【阅读提示】

以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,在水基清洗、环保清洗方面有着丰富的经验,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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