电子封装软钎焊技术简介与展望

2017-05-03 摘自：旺材锡加工

导语

    本文简要地介绍了电子封装中的软钎焊技术，分析了电子封装的可靠性，对电子封装中的软钎焊技术发展进行了探讨，并对其未来的发展进行展望。

电子封装软钎焊简介

    电子封装是指将电子器件和小型元件组装到印制电路板上，实现元器件与电路板的机械和电气连接的过程。在微电子器件制造与电子设备组装中,焊接技术是决定产品最终质量的关键因素。在电子封装中，通常采用软钎焊作为主要的焊接技术。电子封装软钎焊,是指采用熔点低于450℃的填充金属(钎料)在加热温度低于被连接金属（母材）熔化温度的条件下实现金属间冶金连接的一类方法。在钎焊过程中，钎料被加热熔化成液态，通过毛细作用填充钎焊接头的间隙，并在固态母材基板上铺展、润湿、相互溶解与扩散形成界面化合物、结晶凝固形成冶金结合牢固的钎焊接头，从而实现电子元器件与母材两者的电气连接与机械连接。在实际生产中,软钎焊技术根据熔融钎料的供给方式,主要分为浸焊、波峰焊、再流焊、真空钎焊等方法。

图1  封装芯片

     根据焊接温度的不同，电子软钎焊还可以分为低温软钎焊（0-220℃）、中温软钎焊（220-300℃）、高温软钎焊（300-450℃）三类。在波峰焊和再流焊时，通常在300℃以下的温度区间进行焊接，以保证元器件不受热冲击而损坏。这也导致了市场流通的多数焊料合金熔点较低，如Sn37Pb、Sn0.7Cu、Sn3.0Ag0.5Cu等低温钎料，尽管中低温焊接无论是在技术难度以及能源损耗上都颇具优势。但是，随着电子产品使用范围越来越广，高温软钎焊亦变得不可避免，高温软钎料的需求越来越大，主要的应用体现在以下4点：

（1）在半导体器件封装过程中通常需要进行二次或多次焊接。绝缘基片与引线的钎接，芯片与引线的钎接及外壳封装钎焊等各种芯片的封装、厚膜电路的连接组装等工序位于线路组装的前道工序，为了防止后续工序出现原有焊点熔化的现象，因而在初始焊接时通常会采用高熔点合金进行高温软钎焊。

（2）军事、航天、通信及大型计算机等电子产品服役温度较高，因而会采用高熔点合金进行高温软钎焊。

（3）企业希望通过提高作业温度从而缩小作业时间，提高生产效率。

（4）相比低中温软钎料，高温软钎料的价格较低，进行高温软钎焊可以降低工厂的生产成本。

    因而，由此可见，电子封装的软钎焊技术并非一味固步自封，而是一门顺应着工业发展的需求不断发展提升的愈久弥新的技术。

电子封装软钎焊技术发展及展望

      电子封装主要是采用微细互联技术将芯片装配于管壳内，而电子组装主要是基于较为成熟的电路原理图的基础上，连接各种电子元器件的引线端以及印刷电路板的焊盘，从而将其成为可以为人们适用并且可以在市面上进行生产的电子产品。因此，电子封装与电子组装中将材料与器件进行互联一般采用的是软钎焊技术，主要原因在于采用软钎焊技术不仅能在一定程度上确保电子元器件能够固定安装在基板上，也能在另一方面起到电信号的传输作用。但由于随着软钎焊技术的无铅化要求，无铅软钎焊技术在其钎焊材料以及软钎焊工艺上均有了不同的要求及发展，与此同时无铅软钎焊技术在电子封装以及电子组装中带来了一系列可靠性问题。

1、电子组装中软钎焊技术的应用

电子组装技术

      在电子组装中软钎焊技术应用的较为广泛，钎料是目前在电子组装中与所有三级进行连接的互连材料，并且锡铅钎料还广泛地应用在元器件引线以及PCB的表面涂层中。一般来说，电子组装技术包括通孔及表面组装技术，其中通孔组装技术在应用上的主要特点是采用穿孔插入式的印制电路板进行组装，在组装的过程中主要应用的是传统波峰焊技术。而表面组装技术在应用的过程中主要是采用科学原理及工程原理，然后将相关的元件及器件一起放置于印制电路板的表面，从而在印制电路板的表面进行板级组装，而不仅仅将相关的元件及器件插入印制电路板。表面组装技术与通孔插装技术相比较，表面组装技术在应用的过程中有效地提高了电路密度，并且在一定程度上缩小了元器件及电路板的尺寸，从而显著地减轻了相关器件的质量，缩短了引线和互连等。而随着我国电子制造业不断地发展和进步，表面贴装技术在应用及发展的过程中已经取代通孔组装技术。但表面贴装技术的广泛应用也使其带来了焊点、PCB板以及器件等方面的问题。

软钎焊技术

      一般来说，软钎焊技术按照工艺方法的不同可以分为无铅化手工烙铁焊、浸焊、波峰焊以及再流焊等多种软钎焊技术方法。软钎焊技术按照能量供给方式的不同可以分为对流、汽相凝结、感应以及激光等软钎焊技术方式。总得来说，软钎焊技术的反应过程为：首先将基板及焊膏进行预热，然后随着挥发性物质的蒸发及钎剂的渗透激活，再采用化学热解对基底和焊粉进行洁净。钎料熔化并浸润基底后，钎剂载体会在软钎焊的过程中对基底形成保护。当化学热解结束后钎料便会固化。

    电子组装中采用的软钎焊技术中主要采用的是红外法以及对流法，但在应用的过程中对产品成品率以及焊点完整性工艺造成影响的因素包括：对基板及焊膏进行预热的温度和时间、峰值温度以及在峰值温度的过程中所停留的时间、冷却速率等。而常用锡铅焊膏再流焊温度曲线如图2所示：

图2  锡铅焊膏再流焊温度曲线

2、电子封装中的可靠性

焊点

      一般来说，印制电路板在组装的过程中连接的可靠性主要依靠相关器件、电路板以及焊点的可靠性。由于无铅软钎料在软钎焊技术中的使用，使得在合金中的大量的增加了锡含量，因此在电子封装中应用软钎焊技术更容易产生锡须，金属间化合物长大导致晶须的生长如图2所示。其中晶须主要是从氧化层的薄弱区域中生长出来，因此会导致相邻引脚之间的短路，甚至会在一定程度上影响高频电路的高频性能。

      通常来说，无铅钎料与锡铅钎料相比在电子封装中软钎焊技术的应用需要更高的焊接温度，但不同的器件对焊接温度也具有不同的敏感性。就好比陶瓷电容对于温度的变化率很敏感，可陶瓷电容对于实际的温度状况并不敏感，因此若陶瓷电容在面对较快的温度变化率或者处于较大的热冲击的情况下，极有可能会导致陶瓷电容的开裂。但铝电解电容与陶瓷电容相比其对于温度的本身非常敏感，因此在更高的温度下，铝电解电容在连接部分及塑料封装部分中可能会出现更多的失效，比如开裂以及变形等。因此，无铅软钎焊在应用的过程中对热稳定性有更多的要求。

制电路板

    无铅软钎焊技术在应用的过程中更高的软钎焊温度将会导致印制电路板可靠性问题，其中包括变色、翘曲、层板断裂以及铜箔断裂等。其中有些印制电路板的可靠性问题在焊接的过程中便可以观察到，但一部分可靠性问题可能会在焊接的过程中潜伏下来，直至在产品形成的过程出现失效。

电化学

    电化学的靠性的决定因素在于残留助焊剂对电迁移及树枝晶生长的抵抗力，电迁移产生的晶须在镀锡引线间容易导致短路的发生。免清洗产品中残留的助焊剂在焊接的过程中会残留在印制电路板上；而在产品形成的过程中，残留的助焊剂会被凝结在印制在电路板上的湿气而溶解，这就使得在电场影响下会出现一系列的电化学反应，从而使得表面绝缘电阻下降。

力学

    而随着便携式电子产品在市场上的广泛应用便出现了一系列新的可靠性问题，便携式电子产品也就增加了电子产品跌落的危险，并且便携式电子产品的出现也在一定程度上减轻了产品的重量和尺寸，从而缩小了电子产品体积、电子产品的厚度也变薄，并且电子产品的内部空间也会随之变得更为紧凑等。而这些特点也在一定程度上表明便携式电子产品减少了印制电路板上的器件及焊点保护。而在电子封装的过程中采用芯片堆叠以及叠加封装技术制造器件的过程中，由于便携式电子产品的体积小而提高了质量，这就导致电子产品在跌落的过程中增大了焊点上的机械应力，而尺寸越小的焊点更容易在动态机械加载的过程中失效。因此，便携式电子产品在设计的过程中主要需要考虑的为失效机制，因此在软钎焊可靠性研究的过程中，其焊点需要满足电学性能。

总结：

信息时代使得电子产品朝着小型、多功能以及低成本方向发展，电子封装钎料也朝着无铅及高性能发展。电子产品的高效率发展，使得软钎焊技术自动化程度越来越高，这就需要我们不断地对软钎焊技术的方法、工艺、设备进行更新和完善，推动电子制造技术更好地进步和发展。

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