微電子封裝切筋系統(tǒng)和模具探討

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摘要：介紹了“國(guó)內(nèi)高可靠性微電子裝備用焊膏”研制工程第一階段的部分工作，即對(duì)國(guó)外的三款無(wú)鉛焊膏和兩款有鉛焊膏的共計(jì)19個(gè)項(xiàng)目的材料理化性能進(jìn)行摸底試驗(yàn)，主要包括焊膏的金屬部分性能、助焊膏部分性能和焊膏整體性能，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)和分析，研究不同品牌焊膏的各項(xiàng)理化性能，旨在全面摸清國(guó)外知名品牌焊膏的理化性能水平和差異。同時(shí)，為高可靠性微電子工藝用焊膏的性能檢測(cè)提供了方法。

關(guān)鍵詞：微電子裝備；焊膏；理化性能；可靠性

隨著SMT技術(shù)被廣泛應(yīng)用，焊膏作為當(dāng)今電子產(chǎn)品生產(chǎn)中極為重要的關(guān)鍵材料，在SMT生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用，焊膏質(zhì)量好壞在一定程度上決定了焊接的質(zhì)量及產(chǎn)品可靠性水平[1]。提升焊膏品質(zhì)對(duì)于提升電子工藝裝配水平，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，支撐產(chǎn)業(yè)升級(jí)，保障工業(yè)安全具有重要的戰(zhàn)略意義。目前國(guó)內(nèi)焊膏品牌與國(guó)外品牌在質(zhì)量和性能指標(biāo)存在一定差距，特別是質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性方面有較大差距，高端產(chǎn)品加工制造不敢大面積應(yīng)用國(guó)產(chǎn)焊膏，用戶對(duì)國(guó)產(chǎn)焊膏產(chǎn)品缺乏信心。為提高國(guó)產(chǎn)焊膏品牌的核心競(jìng)爭(zhēng)力，需要充分摸清國(guó)內(nèi)外品牌焊膏性能的差距，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為加速國(guó)內(nèi)品牌焊膏高水平、高可靠性發(fā)展做準(zhǔn)備。本研制工程對(duì)國(guó)內(nèi)外知名品牌焊膏的理化性能、工藝性和可靠性進(jìn)行全面摸底，分析差距形成的原因，并不斷優(yōu)化國(guó)產(chǎn)焊膏，使其更具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。本文介紹了研制工程第一階段的部分工作，對(duì)國(guó)外知名品牌的三款無(wú)鉛焊膏和兩款有鉛焊膏的全項(xiàng)目理化性能進(jìn)行了性能檢測(cè)和研究分析。

1研究?jī)?nèi)容及方法

1.1研究?jī)?nèi)容

本文從焊膏的金屬部分、助焊膏部分以及焊膏整體三個(gè)方面對(duì)國(guó)外焊膏進(jìn)行分析研究：焊膏金屬部分的性能研究主要包括金屬含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形狀分布；焊膏助焊劑部分的性能研究包括酸值、擴(kuò)展率、殘留物干燥度、銅鏡腐蝕和銅板腐蝕；焊膏整體部分的性能研究包括黏度、觸變系數(shù)、黏滯力、坍塌、錫珠、離子鹵化物含量、總鹵、離子清潔度、表面絕緣電阻和電遷移。

1.2研究方法

本文采用國(guó)內(nèi)外較為成熟、通用的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)焊膏的理化性能進(jìn)行分析，其中，除合金成分參考GB/T10574標(biāo)準(zhǔn)、總鹵參考EN14582標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展率、觸變系數(shù)和錫珠試驗(yàn)參考JIS標(biāo)準(zhǔn)外，其余項(xiàng)目全部參考IPC-TM-650系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判的主要依據(jù)為IPCJ-STD-004B、IPCJ-STD-005A、IPCJ-STD-006C、JISZ3283等。應(yīng)用到的分析手段主要包括顯微組織分析、電絕緣性能分析、化學(xué)成分分析和可靠性測(cè)試分析等。分析方法主要有：顯微測(cè)量法對(duì)合金粉末粒度進(jìn)行分析；在線監(jiān)測(cè)法測(cè)定表面絕緣電阻；離子色譜分析法對(duì)鹵化物含量進(jìn)行定量分析；氧彈燃燒法對(duì)焊膏總鹵進(jìn)行分析；化學(xué)滴定法及ICP-OES法對(duì)焊膏合金成分進(jìn)行定量分析等。焊膏的材料理化性能分析分三部分展開：金屬部分分析，助焊膏部分性能分析，焊膏整體性能分析。樣品編碼“U”代表無(wú)鉛焊膏，“L”代表有鉛焊膏。為了確保數(shù)據(jù)的有效性和一致性，針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目都進(jìn)行了3~5組平行樣進(jìn)行研究，將研究的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析。文中涉及的焊膏是從市面上采購(gòu)的常用品牌，并進(jìn)行盲樣編碼測(cè)試，所有測(cè)試結(jié)果均真實(shí)、有效。

1.3儀器設(shè)備

研究所用的主要儀器設(shè)備及型號(hào)為：電感耦合等離子原子發(fā)射光譜儀Agilent5100、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡S-4300&Genesis-60、離子色譜儀ICS-1500、SIR在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SIR-8328、黏滯力測(cè)試儀TK.1、高阻儀Agilent4339B等。

2研究結(jié)果

2.1金屬部分研究結(jié)果此部分內(nèi)容研究了焊膏的金屬含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形狀分布，金屬部分性能直接影響了焊膏的焊接工藝性與焊點(diǎn)可靠性。三款無(wú)鉛焊膏U-1、U-2和U-3的金屬含量均在88%~89%之間，且合金成分均符合SAC305的要求[2]，U-2和U-3的合金粉末粒度符合Type4，U-1符合Type3[3]。兩款有鉛焊膏L-1和L-2的金屬含量均在89%~90%之間，且合金成分均符合Sn63Pb37的要求，L-1的合金粉末粒度符合Type4，L-2符合Type3。金屬部分測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。2.2助焊膏部分研究結(jié)果此部分內(nèi)容研究了焊膏中助焊膏部分的性能，助焊膏性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響焊接的工藝性。一般來(lái)說(shuō)，酸值越高，焊膏中助焊劑所含活性物質(zhì)越多，這些活性物質(zhì)有利于焊接，但是若活性物質(zhì)不能完全分解，其殘留物會(huì)增加線路板腐蝕、漏電和電遷移等的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)鉛焊膏中，酸值較大的是U-1，有鉛焊膏中，酸值較大的是L-1（如圖3所示）。值得一提的是，若焊劑的活性較強(qiáng)，則會(huì)對(duì)銅鏡腐蝕的結(jié)果有一定影響，結(jié)果表現(xiàn)為銅鏡具有穿透性腐蝕（即符合M級(jí)或H級(jí)[4]），在實(shí)際工藝使用過(guò)程中，如果印刷后放置一段時(shí)間再進(jìn)行焊接，則會(huì)對(duì)焊盤、器件引腳造成腐蝕。經(jīng)過(guò)銅鏡腐蝕試驗(yàn)，U-1和U-2銅膜表面基本無(wú)變化，U-3、L-1、L-2銅膜減薄，但無(wú)穿透性腐蝕。銅板腐蝕則考察的是焊接后的焊劑殘留物對(duì)銅板的腐蝕性，五款焊膏的銅板腐蝕結(jié)果均為無(wú)明顯腐蝕，符合L級(jí)。擴(kuò)展率可以表征助焊劑的助焊性能。根據(jù)擴(kuò)展率的測(cè)試原理，擴(kuò)展率與鋪展面積成正比，助焊劑的助焊能力越好，焊膏的鋪展面積就越大，焊點(diǎn)的高度就越低，擴(kuò)展率就越大。五款焊膏擴(kuò)展率結(jié)果均高出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（如圖4所示）[5]，其助焊性能良好。焊膏坍塌性能與材料的黏度、合金粉末大小、鋼網(wǎng)印孔大小、工藝制程等都有關(guān)系。小粒徑的合金粉末易塌邊，黏度過(guò)低也容易發(fā)生坍塌。五款焊膏的坍塌試驗(yàn)結(jié)果并無(wú)差異，均符合IPC-J-STD-005A產(chǎn)品的技術(shù)要求。離子鹵化物含量考察焊膏鹵化物中游離的鹵化物含量。當(dāng)離子鹵化物含量較高時(shí)，游離出的鹵酸根離子（F-、Cl-、Br-、I-）殘留在PCB上會(huì)對(duì)線路板表面產(chǎn)生腐蝕、漏電、電遷移等不良影響。總鹵考察焊膏整體的總鹵素含量，包含離子態(tài)的鹵化物和化合態(tài)的鹵素含量，需要符合環(huán)保要求。總鹵結(jié)果中，無(wú)鉛焊膏U-2的溴含量和有鉛焊膏L-2的溴含量均高于900mg/kg。離子清潔度考察了焊膏印刷在PCB板上的殘留物含量。五款焊膏的離子清潔度測(cè)試結(jié)果良好，說(shuō)明焊膏的焊劑殘留物較少。詳細(xì)結(jié)果見表1。

3研究結(jié)論

本文展示了《國(guó)內(nèi)高可靠性微電子裝備用焊膏》研制工程第一階段的部分工作，旨在為第二階段的工作提供技術(shù)支撐。文中對(duì)比分析了三款無(wú)鉛焊膏、兩款有鉛焊膏，共計(jì)19項(xiàng)性能指標(biāo)，其中包括基礎(chǔ)理化性能、腐蝕性、電絕緣性、印刷性、離子及污染物等各項(xiàng)性能。綜上所述，三款無(wú)鉛焊膏中，U-1在電遷移試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電極出現(xiàn)腐蝕變色的現(xiàn)象，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕、漏電的風(fēng)險(xiǎn)較高，U-2總溴含量已經(jīng)遠(yuǎn)超出環(huán)保要求的最高限制0.09%，U-3在黏度、坍塌、錫珠和黏滯力整體表現(xiàn)不如U-1和U-2。兩款有鉛焊膏中，L-1的電遷移試驗(yàn)在96h的電阻值均低于108Ω，雖然標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)電遷移的初始值做出明確要求，但是應(yīng)該作為一項(xiàng)值得關(guān)注的風(fēng)險(xiǎn)。L-2的黏度、坍塌、錫珠、黏滯力和總鹵表現(xiàn)不如L-1。通過(guò)對(duì)研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，五款焊膏的各項(xiàng)理化性能雖然基本滿足標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，但在一些關(guān)鍵項(xiàng)目上的表現(xiàn)不盡人意，這些結(jié)果和分析將為研制工程后續(xù)的研究工作提供新的思路和方向，以期待能夠研制出各方面性能均優(yōu)異的國(guó)產(chǎn)焊膏。

作者：張瑩潔 鄭冰潔 賴春潮 劉子蓮 羅道軍 單位：工業(yè)和信息化部電子第五研究所