錫膏回流焊是半導(dǎo)體封裝中組裝工藝之一，較大焊接面積中焊接空洞是最常見(jiàn)和最難解決的問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)錫膏印刷回流焊工藝特性的分析和相關(guān)性試驗(yàn)，排查出造成空洞的主要影響因素，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)優(yōu)化工藝參數(shù)、減少焊接空洞。為滿足芯片焊接空洞要求，采用二次印刷回流新工藝，將芯片焊接空洞面積率降低到5%以內(nèi)，解決因空洞引起的芯片裂損問(wèn)題，為常規(guī)低成本錫膏回流焊接工藝的焊接空洞問(wèn)題改善提供了參考。

1、引言

    在電路板組裝中，先在電路板焊盤(pán)上印刷錫膏，然后裝貼各類(lèi)電子元器件，最后經(jīng)過(guò)回流爐，錫膏中的錫珠熔化后將各類(lèi)電子元器件與電路板的焊盤(pán)焊接在一起，實(shí)現(xiàn)電子模塊的組裝。這種表面貼裝技術(shù)（surface mount technology,簡(jiǎn)稱SMT）越來(lái)越多地應(yīng)用在高密度封裝產(chǎn)品中，如系統(tǒng)級(jí)封裝（system in package,簡(jiǎn)稱SiP）常焊接球焊陣列封裝（ball griarray,簡(jiǎn)稱BGA）器件、功率裸芯片、方形扁平無(wú)引腳封裝（quad flat No-lead，簡(jiǎn)稱QFN）器件。由于錫膏焊接工藝及材料的特性，這些大焊接面器件在回流焊接后，錫焊接區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)空洞[1]，空洞會(huì)影響產(chǎn)品的電性能、熱性能和機(jī)械性能，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品失效[2-4]，因此，改善解決錫膏回流焊接空洞成為一個(gè)必須解決的工藝技術(shù)問(wèn)題，有研究者對(duì)BGA錫球焊接空洞的原因進(jìn)行了分析與研究，并給出了改善解決方案[5-6]，常規(guī)錫膏回流焊接工藝焊接面積大于10 mm2的QFN或焊接面積大于6 mm2的裸芯片解決方案則缺少。

有采用預(yù)制焊片（Preform solder）焊接和真空回流爐焊接來(lái)改善焊接空洞。預(yù)制焊片需專(zhuān)門(mén)設(shè)備點(diǎn)助焊劑，如直接在預(yù)制焊片上貼裝放置芯片回流后芯片偏移、傾斜嚴(yán)重；如先回流再點(diǎn)助焊劑貼裝芯片，兩次回流使工藝增加，預(yù)制焊片和助焊劑材料成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于錫膏。真空回流設(shè)備較昂貴，獨(dú)立的真空腔抽真空產(chǎn)能非常低，性價(jià)比不高，另外濺錫問(wèn)題嚴(yán)重，對(duì)高密度、小間距產(chǎn)品是其應(yīng)用受限的一個(gè)重要因素。本文基于常規(guī)錫膏回流焊接工藝并開(kāi)發(fā)導(dǎo)入新的二次回流工藝來(lái)改善焊接空洞，解決焊接空洞引起的鍵合、塑封裂損等問(wèn)題。

2、錫膏印刷回流焊接空洞及產(chǎn)生機(jī)理

2.1　焊接空洞

回流焊接后，產(chǎn)品在X-ray下檢測(cè)，焊接區(qū)顏色較淺的位置為因焊接層焊料不足而存在的空洞，如圖1所示。

（a）QFN錫膏焊接空洞  （b）裸芯片錫膏焊接空洞

圖1X-ray檢測(cè)下的焊接空洞

2.2　焊接空洞產(chǎn)生機(jī)理

    以SAC305錫膏為例，主要組成及功能如表1所示，助焊劑和錫珠成膏狀粘合在一起，錫焊料與助焊劑重量比約為9:1，體積比約為1:1。

成分	重量比/%	功能
錫	85~92	焊接，連接各類(lèi)電子元器件與電路板
焊劑	2~8	增加黏性，去除金屬氧化物
粘著劑	1~2	防止焊料表面氧化
活性劑	0~1	去除金屬氧化物
溶劑	1~7	黏性、印刷性調(diào)整

表1　錫膏的主要組成及功能

 

 

    錫膏完成印刷和貼裝各類(lèi)電子元器件后，在經(jīng)過(guò)回流爐時(shí)，錫膏會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)熱、活化、回流、冷卻4個(gè)階段，不同階段中的溫度不同，錫膏的狀態(tài)也不同，如圖2所示。

圖2　回流焊不同階段錫膏溫度曲線示意圖

    預(yù)熱、活化階段錫膏內(nèi)助焊劑中的易揮發(fā)成分受熱會(huì)揮發(fā)成氣體，同時(shí)去除焊接層表面氧化物時(shí)也會(huì)產(chǎn)生氣體，這些氣體部分會(huì)揮發(fā)而脫離錫膏，錫珠之間因助焊劑揮發(fā)而緊密收聚；在回流階段，錫膏中剩余的助焊劑會(huì)快速揮發(fā)，錫珠會(huì)熔化，少量助焊劑揮發(fā)氣體和大部分錫珠間的空氣沒(méi)有及時(shí)散出去，殘留在熔融態(tài)錫中并在熔融態(tài)錫的張力作用下呈漢堡包夾層結(jié)構(gòu)并被電路板焊盤(pán)和電子元器件夾住，被包裹在液態(tài)錫中的氣體僅靠上浮力很難逃逸，加上熔融態(tài)時(shí)間又很短，當(dāng)熔融態(tài)錫降溫冷卻變成固態(tài)錫，焊接層出現(xiàn)氣孔[7]，焊錫空洞產(chǎn)生，如圖3所示。

圖3錫膏回流焊接空洞產(chǎn)生原理示意圖

產(chǎn)生焊接空洞的根本原因?yàn)殄a膏熔化后包裹在其中的空氣或揮發(fā)氣體沒(méi)有完全排出，影響因素包括錫膏材料、錫膏印刷形狀、錫膏印刷量、回流溫度、回流時(shí)間、焊接尺寸、結(jié)構(gòu)等。

3、錫膏印刷回流焊接空洞影響因素驗(yàn)證

以QFN與裸芯片來(lái)試驗(yàn)確認(rèn)回流焊接空洞形成的主要成因，并尋找改善錫膏印刷回流焊接空洞的方法。QFN和裸芯片錫膏回流焊接產(chǎn)品剖面如圖4所示,QFN焊接面尺寸為4.4 mm×4.1 mm，焊接面為鍍錫層（100%純錫）；裸芯片焊接尺寸為3.0 mm×2.3 mm, 焊接層為濺射鎳釩雙金屬層，表面層為釩；基板焊盤(pán)為化學(xué)鍍鎳鈀浸金，厚度分別為0.4 μm /0.06 μm/0.04 μm；使用SAC305錫膏，錫膏印刷設(shè)備為DEK Horizon APiX，回流爐設(shè)備為BTU Pyramax 150N，X射線檢測(cè)設(shè)備為DAGE XD7500VR。

圖4QFN和裸芯片錫膏回流焊接產(chǎn)品剖面圖為方便比較試驗(yàn)結(jié)果，以表2中的條件回流焊接。

 

參數(shù)	技術(shù)指標(biāo)	備注
錫珠尺寸	20~38um	Type4
鋼網(wǎng)厚度	75um	激光鋼網(wǎng)，目數(shù)為750
開(kāi)口面積	100%	100%開(kāi)口率
鋼網(wǎng)形狀	方格	錫膏印刷圖形
回流時(shí)間	60s	220℃升溫到260℃
峰值爐溫	260℃	5~10s

表2　參考回流焊接條件

    完成表面裝貼和回流焊接后，通過(guò)X射線檢測(cè)焊接層，發(fā)現(xiàn)QFN和裸芯片底部焊接層都有較大空洞，如圖5所示。

(a) 回流后的QFN外觀圖和X射線圖

(b) 回流后的芯片外觀圖和X射線圖

圖5　回流焊接后X-Ray檢測(cè)的QFN和裸芯片空洞

    由于錫珠尺寸、鋼網(wǎng)厚度、開(kāi)口面積率、鋼網(wǎng)形狀、回流時(shí)間、峰值爐溫都會(huì)影響到回流焊接空洞，影響因素多, 直接通過(guò)DOE試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，試驗(yàn)組數(shù)會(huì)太多，需要先通過(guò)相關(guān)性對(duì)比試驗(yàn)快速篩選確定其中的主要影響因素，再進(jìn)一步通過(guò)DOE優(yōu)化主要影響因素。

3.1　焊接空洞與錫膏錫珠尺寸

    用type3型（錫珠尺寸為25~45μm）SAC305錫膏試驗(yàn)，其他條件不變，回流后測(cè)量焊接層空洞并與type4錫膏對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種錫膏的焊接層空洞沒(méi)有明顯不同，說(shuō)明不同錫珠尺寸的錫膏對(duì)焊接層的空洞影響不明顯，不是影響因素，如圖6所示。

圖6　不同錫珠尺寸錫膏的焊接層空洞對(duì)比

3.2　焊接空洞與印刷鋼網(wǎng)厚度

    用50μmm、100μm、125μm厚度的印刷鋼網(wǎng)試驗(yàn)，其他條件不變，回流后測(cè)量焊接層的空洞面積并與75μm厚度印刷鋼網(wǎng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同鋼網(wǎng)厚度（錫膏量）對(duì)QFN和芯片的焊接層空洞有一定影響，隨著鋼網(wǎng)厚度增加，空洞面積逐漸緩慢減少，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定厚度后（100μm），隨著鋼網(wǎng)厚度增加空洞面積會(huì)反轉(zhuǎn)開(kāi)始增加，如圖7 所示。這說(shuō)明焊接錫膏量增加回流的液態(tài)錫被芯片壓蓋住，殘留空氣逃逸的出口只有狹小的四邊，當(dāng)改變錫膏量時(shí)，殘留空氣逃逸的出口也增大，被液態(tài)錫包裹的空氣或揮發(fā)氣逃逸液態(tài)錫的瞬間爆裂會(huì)造成液態(tài)錫飛濺到QFN和芯片四周。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼網(wǎng)厚度增加，空氣或揮發(fā)氣逃逸出現(xiàn)的氣泡爆裂也會(huì)增多，QFN和芯片四周出現(xiàn)濺錫沾污的幾率也相應(yīng)增加。

圖7  不同厚度鋼網(wǎng)條件下的焊接層空洞對(duì)比

3.3　焊接空洞與鋼網(wǎng)開(kāi)口面積率

    用開(kāi)口率為100%、90%、80%的印刷鋼網(wǎng)試驗(yàn)，其他條件不變，回流后測(cè)量焊接層的空洞面積并與100%開(kāi)口率印刷鋼網(wǎng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)口率為100%、90%、80%的條件下，焊接層空洞沒(méi)有明顯區(qū)別，如圖8所示。

圖8　不同鋼網(wǎng)開(kāi)口率條件下的焊接層空洞對(duì)比

3.4　焊接空洞與印刷鋼網(wǎng)形狀

    用長(zhǎng)條型b、斜柵型c錫膏印刷形狀試驗(yàn)，其他條件不變，回流后測(cè)量焊接層的空洞面積并與方格型a印刷形狀對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方格型、長(zhǎng)條型、斜柵型條件下的焊接層空洞沒(méi)有明顯區(qū)別，如圖9所示。

圖9　不同鋼網(wǎng)形狀條件下的焊接層空洞對(duì)比

3.5　焊接空洞與回流時(shí)間

    延長(zhǎng)回流時(shí)間（70 s、80 s、90 s）試驗(yàn)，其他條件不變，回流后測(cè)量焊接層空洞，并與60 s回流時(shí)間對(duì)比，發(fā)現(xiàn)回流時(shí)間增長(zhǎng)，焊接空洞面積減小，但減小幅度隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸降低，如圖10所示。這說(shuō)明在回流時(shí)間不充分的情況下，增加回流時(shí)間有利于包裹在熔化的液態(tài)錫中的空氣充分溢出，但回流時(shí)間增長(zhǎng)到一定時(shí)間后，包裹在液態(tài)錫中的空氣很難再溢出。回流時(shí)間是影響焊接空洞的一個(gè)因素。

3.6　焊接空洞與峰值爐溫

    用240 ℃、250 ℃峰值爐溫試驗(yàn)，其他條件不變，回流后測(cè)量焊接層的空洞面積，并與260 ℃峰值爐溫的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同峰值爐溫條件下，QFN和芯片的焊接層空洞都沒(méi)有明顯變化，如圖11所示。說(shuō)明不同峰值爐溫對(duì)QFN和芯片的焊接層空洞影響不明顯，不是影響因素。

圖10  不同回流時(shí)間下的焊接層空洞對(duì)比

圖11  不同峰值爐溫條件下的焊接層空洞對(duì)比

上述試驗(yàn)說(shuō)明影響QFN和芯片的焊接層空洞的顯著因素有回流時(shí)間、鋼網(wǎng)厚度。

4、錫膏印刷回流焊接空洞改善

4.1DOE試驗(yàn)改善焊接空洞

    通過(guò)尋找主要影響因子（回流時(shí)間、鋼網(wǎng)厚度）的最優(yōu)值來(lái)改善QFN和芯片的焊接層空洞，錫膏為SAC305 type4，鋼網(wǎng)形狀為方格型（100%開(kāi)口度），峰值爐溫為260 ℃，其他試驗(yàn)條件與試驗(yàn)設(shè)備都相同，DOE試驗(yàn)及結(jié)果如表3所示。

序號(hào)	鋼網(wǎng)厚度/um	回流時(shí)間/s	QFN空洞	芯片空洞
1	50	60	27.80%	20.50%
2	50	70	23.30%	17.90%
3	50	80	22.80%	17.60%
4	50	90	24.50%	19.30%
5	75	60	24.60%	19.40%
6	75	70	23.10%	18.40%
7	75	80	19.10%	16.50%
8	75	90	19.80%	18.40%
9	100	60	21.70%	17.60%
10	100	70	17.60%	14.70%
11	100	80	16.10%	14.50%
12	100	90	18.60%	16.40%
13	125	60	24.40%	17.20%
14	125	70	20.10%	16.60%
15	125	80	20.80%	15.40%
16	125	90	20.70%	18.10%

表3　焊接空洞DOE及試驗(yàn)結(jié)果

 

    鋼網(wǎng)厚度、回流時(shí)間對(duì)QFN和芯片焊接空洞的影響如圖12所示，通過(guò)主要影響因素的交互作用分析，發(fā)現(xiàn)使用100μm鋼網(wǎng)厚度、80 s回流時(shí)間能明顯減少Q(mào)FN和芯片的焊接空洞，QFN的焊接空洞率從最大27.8%減少到16.1%，芯片焊接空洞率從最大20.5%減少到14.5%。試驗(yàn)中以最優(yōu)條件（100μm鋼網(wǎng)厚度、80 s回流時(shí)間）生產(chǎn)1000顆產(chǎn)品，并隨機(jī)測(cè)量100顆QFN和芯片的焊接空洞率，QFN的焊接空洞率平均值為16.4%，芯片的焊接空洞率平均值為14.7%，相比改善前，QFN和芯片的焊接空洞率都有明顯減少。

（a）QFN焊接空洞

（b）芯片焊接空洞

圖12　鋼網(wǎng)厚度、回流時(shí)間對(duì)QFN和芯片焊接空洞的影響圖

4.2  新工藝改善焊接空洞

    實(shí)際生產(chǎn)的情況和試驗(yàn)顯示，當(dāng)該芯片底部的焊接空洞面積小于10%時(shí)，在引線鍵合、模塑時(shí)不會(huì)出現(xiàn)芯片空洞位置裂損問(wèn)題，通過(guò)DOE優(yōu)化的工藝參楊建偉：常規(guī)錫膏回流焊接空洞的分析與解決數(shù)無(wú)法達(dá)到焊接空洞要求，需要進(jìn)一步減小芯片的焊接空洞面積率。

    由于覆蓋在焊錫上的芯片阻礙了焊錫中的氣體浮出逃逸，為進(jìn)一步減少芯片底部空洞率，通過(guò)沒(méi)有或減少焊錫包裹氣體來(lái)達(dá)到。采用兩次錫膏印刷回流焊接新工藝：一次錫膏印刷，一次回流不覆蓋QFN和裸芯片排出焊錫中的氣體；二次錫膏印刷、裝片、二次回流，具體流程如圖13 所示。

圖13　兩次錫膏印刷回流焊接工藝流程示意圖

    第一次印刷75μm厚錫膏，通過(guò)回流時(shí)，沒(méi)有芯片覆蓋的焊錫中絕大部分氣體上浮逃逸，回流后的厚度大約為50μm;一次回流完成后，在冷卻凝固焊錫表面再印刷小方格型（為減少錫膏量，減少氣體溢出量，降低或消除焊錫飛濺）、50μm厚度錫膏（前述試驗(yàn)結(jié)果顯示100 μm最優(yōu)，故二次印刷厚度為100μm-50μm=50μm），然后裝貼芯片，再通過(guò)80 s回流。一次印刷、回流后的焊錫幾乎沒(méi)有空洞，二次印刷錫膏量很少，焊接空洞較小，如圖14所示。

（a）DFN錫膏焊接空洞

（b）裸芯片錫膏焊接空洞

圖14　兩次錫膏印刷回流焊接X(jué)-ray空洞圖

4.3　焊接空洞效果驗(yàn)證

    生產(chǎn)2000顆產(chǎn)品（一次印刷鋼網(wǎng)厚度為75μm，二次印刷鋼網(wǎng)厚度為50μm），其他條件不變，隨機(jī)測(cè)量500顆QFN和芯片的焊接空洞率，發(fā)現(xiàn)新工藝的一次回流后沒(méi)有空洞，二次回流后，QFN的焊接空洞率最大為4.8%,芯片的焊接空洞率最大為4.1%,與原來(lái)的一次錫膏印刷焊接的工藝、DOE優(yōu)化后的工藝相比，焊接空洞有顯著的減少，如圖15所示。所有產(chǎn)品功能測(cè)試后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)芯片裂損不良。

圖15　兩種錫膏印刷回流焊接工藝的空洞面積率對(duì)比

5、總結(jié)

    優(yōu)化錫膏印刷量和回流時(shí)間雖能減少焊接空洞面積，但焊接空洞率仍然較大，采用兩次錫膏印刷回流焊接工藝能有效且最大程度地將焊接空洞率降低，批量生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)QFN電路裸芯片焊接面積分別為4.4 mm×4.1 mm、3.0 mm×2.3mm的焊接空洞率控制在5%以下，提高了回流焊接的質(zhì)量與可靠性。本文研究為改善較大面積焊接面的焊接空洞問(wèn)題提供了重要參考。