2017-05-03 摘自：旺材錫加工

導(dǎo)語

    本文簡要地介紹了電子封裝中的軟釬焊技術(shù)，分析了電子封裝的可靠性，對電子封裝中的軟釬焊技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了探討，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

電子封裝軟釬焊簡介

    電子封裝是指將電子器件和小型元件組裝到印制電路板上，實現(xiàn)元器件與電路板的機(jī)械和電氣連接的過程。在微電子器件制造與電子設(shè)備組裝中,焊接技術(shù)是決定產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在電子封裝中，通常采用軟釬焊作為主要的焊接技術(shù)。電子封裝軟釬焊,是指采用熔點(diǎn)低于450℃的填充金屬(釬料)在加熱溫度低于被連接金屬（母材）熔化溫度的條件下實現(xiàn)金屬間冶金連接的一類方法。在釬焊過程中，釬料被加熱熔化成液態(tài)，通過毛細(xì)作用填充釬焊接頭的間隙，并在固態(tài)母材基板上鋪展、潤濕、相互溶解與擴(kuò)散形成界面化合物、結(jié)晶凝固形成冶金結(jié)合牢固的釬焊接頭，從而實現(xiàn)電子元器件與母材兩者的電氣連接與機(jī)械連接。在實際生產(chǎn)中,軟釬焊技術(shù)根據(jù)熔融釬料的供給方式,主要分為浸焊、波峰焊、再流焊、真空釬焊等方法。

圖1  封裝芯片

     根據(jù)焊接溫度的不同，電子軟釬焊還可以分為低溫軟釬焊（0-220℃）、中溫軟釬焊（220-300℃）、高溫軟釬焊（300-450℃）三類。在波峰焊和再流焊時，通常在300℃以下的溫度區(qū)間進(jìn)行焊接，以保證元器件不受熱沖擊而損壞。這也導(dǎo)致了市場流通的多數(shù)焊料合金熔點(diǎn)較低，如Sn37Pb、Sn0.7Cu、Sn3.0Ag0.5Cu等低溫釬料，盡管中低溫焊接無論是在技術(shù)難度以及能源損耗上都頗具優(yōu)勢。但是，隨著電子產(chǎn)品使用范圍越來越廣，高溫軟釬焊亦變得不可避免，高溫軟釬料的需求越來越大，主要的應(yīng)用體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：

（1）在半導(dǎo)體器件封裝過程中通常需要進(jìn)行二次或多次焊接。絕緣基片與引線的釬接，芯片與引線的釬接及外殼封裝釬焊等各種芯片的封裝、厚膜電路的連接組裝等工序位于線路組裝的前道工序，為了防止后續(xù)工序出現(xiàn)原有焊點(diǎn)熔化的現(xiàn)象，因而在初始焊接時通常會采用高熔點(diǎn)合金進(jìn)行高溫軟釬焊。

（2）軍事、航天、通信及大型計算機(jī)等電子產(chǎn)品服役溫度較高，因而會采用高熔點(diǎn)合金進(jìn)行高溫軟釬焊。

（3）企業(yè)希望通過提高作業(yè)溫度從而縮小作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率。

（4）相比低中溫軟釬料，高溫軟釬料的價格較低，進(jìn)行高溫軟釬焊可以降低工廠的生產(chǎn)成本。

    因而，由此可見，電子封裝的軟釬焊技術(shù)并非一味固步自封，而是一門順應(yīng)著工業(yè)發(fā)展的需求不斷發(fā)展提升的愈久彌新的技術(shù)。

電子封裝軟釬焊技術(shù)發(fā)展及展望

      電子封裝主要是采用微細(xì)互聯(lián)技術(shù)將芯片裝配于管殼內(nèi)，而電子組裝主要是基于較為成熟的電路原理圖的基礎(chǔ)上，連接各種電子元器件的引線端以及印刷電路板的焊盤，從而將其成為可以為人們適用并且可以在市面上進(jìn)行生產(chǎn)的電子產(chǎn)品。因此，電子封裝與電子組裝中將材料與器件進(jìn)行互聯(lián)一般采用的是軟釬焊技術(shù)，主要原因在于采用軟釬焊技術(shù)不僅能在一定程度上確保電子元器件能夠固定安裝在基板上，也能在另一方面起到電信號的傳輸作用。但由于隨著軟釬焊技術(shù)的無鉛化要求，無鉛軟釬焊技術(shù)在其釬焊材料以及軟釬焊工藝上均有了不同的要求及發(fā)展，與此同時無鉛軟釬焊技術(shù)在電子封裝以及電子組裝中帶來了一系列可靠性問題。

1、電子組裝中軟釬焊技術(shù)的應(yīng)用

電子組裝技術(shù)

      在電子組裝中軟釬焊技術(shù)應(yīng)用的較為廣泛，釬料是目前在電子組裝中與所有三級進(jìn)行連接的互連材料，并且錫鉛釬料還廣泛地應(yīng)用在元器件引線以及PCB的表面涂層中。一般來說，電子組裝技術(shù)包括通孔及表面組裝技術(shù)，其中通孔組裝技術(shù)在應(yīng)用上的主要特點(diǎn)是采用穿孔插入式的印制電路板進(jìn)行組裝，在組裝的過程中主要應(yīng)用的是傳統(tǒng)波峰焊技術(shù)。而表面組裝技術(shù)在應(yīng)用的過程中主要是采用科學(xué)原理及工程原理，然后將相關(guān)的元件及器件一起放置于印制電路板的表面，從而在印制電路板的表面進(jìn)行板級組裝，而不僅僅將相關(guān)的元件及器件插入印制電路板。表面組裝技術(shù)與通孔插裝技術(shù)相比較，表面組裝技術(shù)在應(yīng)用的過程中有效地提高了電路密度，并且在一定程度上縮小了元器件及電路板的尺寸，從而顯著地減輕了相關(guān)器件的質(zhì)量，縮短了引線和互連等。而隨著我國電子制造業(yè)不斷地發(fā)展和進(jìn)步，表面貼裝技術(shù)在應(yīng)用及發(fā)展的過程中已經(jīng)取代通孔組裝技術(shù)。但表面貼裝技術(shù)的廣泛應(yīng)用也使其帶來了焊點(diǎn)、PCB板以及器件等方面的問題。

軟釬焊技術(shù)

      一般來說，軟釬焊技術(shù)按照工藝方法的不同可以分為無鉛化手工烙鐵焊、浸焊、波峰焊以及再流焊等多種軟釬焊技術(shù)方法。軟釬焊技術(shù)按照能量供給方式的不同可以分為對流、汽相凝結(jié)、感應(yīng)以及激光等軟釬焊技術(shù)方式?？偟脕碚f，軟釬焊技術(shù)的反應(yīng)過程為：首先將基板及焊膏進(jìn)行預(yù)熱，然后隨著揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)及釬劑的滲透激活，再采用化學(xué)熱解對基底和焊粉進(jìn)行潔凈。釬料熔化并浸潤基底后，釬劑載體會在軟釬焊的過程中對基底形成保護(hù)。當(dāng)化學(xué)熱解結(jié)束后釬料便會固化。

    電子組裝中采用的軟釬焊技術(shù)中主要采用的是紅外法以及對流法，但在應(yīng)用的過程中對產(chǎn)品成品率以及焊點(diǎn)完整性工藝造成影響的因素包括：對基板及焊膏進(jìn)行預(yù)熱的溫度和時間、峰值溫度以及在峰值溫度的過程中所停留的時間、冷卻速率等。而常用錫鉛焊膏再流焊溫度曲線如圖2所示：

圖2  錫鉛焊膏再流焊溫度曲線

2、電子封裝中的可靠性

焊點(diǎn)

      一般來說，印制電路板在組裝的過程中連接的可靠性主要依靠相關(guān)器件、電路板以及焊點(diǎn)的可靠性。由于無鉛軟釬料在軟釬焊技術(shù)中的使用，使得在合金中的大量的增加了錫含量，因此在電子封裝中應(yīng)用軟釬焊技術(shù)更容易產(chǎn)生錫須，金屬間化合物長大導(dǎo)致晶須的生長如圖2所示。其中晶須主要是從氧化層的薄弱區(qū)域中生長出來，因此會導(dǎo)致相鄰引腳之間的短路，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬嫌绊懜哳l電路的高頻性能。

      通常來說，無鉛釬料與錫鉛釬料相比在電子封裝中軟釬焊技術(shù)的應(yīng)用需要更高的焊接溫度，但不同的器件對焊接溫度也具有不同的敏感性。就好比陶瓷電容對于溫度的變化率很敏感，可陶瓷電容對于實際的溫度狀況并不敏感，因此若陶瓷電容在面對較快的溫度變化率或者處于較大的熱沖擊的情況下，極有可能會導(dǎo)致陶瓷電容的開裂。但鋁電解電容與陶瓷電容相比其對于溫度的本身非常敏感，因此在更高的溫度下，鋁電解電容在連接部分及塑料封裝部分中可能會出現(xiàn)更多的失效，比如開裂以及變形等。因此，無鉛軟釬焊在應(yīng)用的過程中對熱穩(wěn)定性有更多的要求。

制電路板

    無鉛軟釬焊技術(shù)在應(yīng)用的過程中更高的軟釬焊溫度將會導(dǎo)致印制電路板可靠性問題，其中包括變色、翹曲、層板斷裂以及銅箔斷裂等。其中有些印制電路板的可靠性問題在焊接的過程中便可以觀察到，但一部分可靠性問題可能會在焊接的過程中潛伏下來，直至在產(chǎn)品形成的過程出現(xiàn)失效。

電化學(xué)

    電化學(xué)的靠性的決定因素在于殘留助焊劑對電遷移及樹枝晶生長的抵抗力，電遷移產(chǎn)生的晶須在鍍錫引線間容易導(dǎo)致短路的發(fā)生。免清洗產(chǎn)品中殘留的助焊劑在焊接的過程中會殘留在印制電路板上；而在產(chǎn)品形成的過程中，殘留的助焊劑會被凝結(jié)在印制在電路板上的濕氣而溶解，這就使得在電場影響下會出現(xiàn)一系列的電化學(xué)反應(yīng)，從而使得表面絕緣電阻下降。

力學(xué)

    而隨著便攜式電子產(chǎn)品在市場上的廣泛應(yīng)用便出現(xiàn)了一系列新的可靠性問題，便攜式電子產(chǎn)品也就增加了電子產(chǎn)品跌落的危險，并且便攜式電子產(chǎn)品的出現(xiàn)也在一定程度上減輕了產(chǎn)品的重量和尺寸，從而縮小了電子產(chǎn)品體積、電子產(chǎn)品的厚度也變薄，并且電子產(chǎn)品的內(nèi)部空間也會隨之變得更為緊湊等。而這些特點(diǎn)也在一定程度上表明便攜式電子產(chǎn)品減少了印制電路板上的器件及焊點(diǎn)保護(hù)。而在電子封裝的過程中采用芯片堆疊以及疊加封裝技術(shù)制造器件的過程中，由于便攜式電子產(chǎn)品的體積小而提高了質(zhì)量，這就導(dǎo)致電子產(chǎn)品在跌落的過程中增大了焊點(diǎn)上的機(jī)械應(yīng)力，而尺寸越小的焊點(diǎn)更容易在動態(tài)機(jī)械加載的過程中失效。因此，便攜式電子產(chǎn)品在設(shè)計的過程中主要需要考慮的為失效機(jī)制，因此在軟釬焊可靠性研究的過程中，其焊點(diǎn)需要滿足電學(xué)性能。

總結(jié)：

信息時代使得電子產(chǎn)品朝著小型、多功能以及低成本方向發(fā)展，電子封裝釬料也朝著無鉛及高性能發(fā)展。電子產(chǎn)品的高效率發(fā)展，使得軟釬焊技術(shù)自動化程度越來越高，這就需要我們不斷地對軟釬焊技術(shù)的方法、工藝、設(shè)備進(jìn)行更新和完善，推動電子制造技術(shù)更好地進(jìn)步和發(fā)展。

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