微电子封装切筋系统和模具探讨

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摘要：介绍了“国内高可靠性微电子装备用焊膏”研制工程第一阶段的部分工作，即对国外的三款无铅焊膏和两款有铅焊膏的共计19个项目的材料理化性能进行摸底试验，主要包括焊膏的金属部分性能、助焊膏部分性能和焊膏整体性能，并将试验数据汇总统计和分析，研究不同品牌焊膏的各项理化性能，旨在全面摸清国外知名品牌焊膏的理化性能水平和差异。同时，为高可靠性微电子工艺用焊膏的性能检测提供了方法。

关键词：微电子装备；焊膏；理化性能；可靠性

随着SMT技术被广泛应用，焊膏作为当今电子产品生产中极为重要的关键材料，在SMT生产中发挥着巨大的作用，焊膏质量好坏在一定程度上决定了焊接的质量及产品可靠性水平[1]。提升焊膏品质对于提升电子工艺装配水平，提高企业经济效益，推动技术创新，支撑产业升级，保障工业安全具有重要的战略意义。目前国内焊膏品牌与国外品牌在质量和性能指标存在一定差距，特别是质量稳定性和可靠性方面有较大差距，高端产品加工制造不敢大面积应用国产焊膏，用户对国产焊膏产品缺乏信心。为提高国产焊膏品牌的核心竞争力，需要充分摸清国内外品牌焊膏性能的差距，取长补短，为加速国内品牌焊膏高水平、高可靠性发展做准备。本研制工程对国内外知名品牌焊膏的理化性能、工艺性和可靠性进行全面摸底，分析差距形成的原因，并不断优化国产焊膏，使其更具国际竞争力。本文介绍了研制工程第一阶段的部分工作，对国外知名品牌的三款无铅焊膏和两款有铅焊膏的全项目理化性能进行了性能检测和研究分析。

1研究内容及方法

1.1研究内容

本文从焊膏的金属部分、助焊膏部分以及焊膏整体三个方面对国外焊膏进行分析研究：焊膏金属部分的性能研究主要包括金属含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形状分布；焊膏助焊剂部分的性能研究包括酸值、扩展率、残留物干燥度、铜镜腐蚀和铜板腐蚀；焊膏整体部分的性能研究包括黏度、触变系数、黏滞力、坍塌、锡珠、离子卤化物含量、总卤、离子清洁度、表面绝缘电阻和电迁移。

1.2研究方法

本文采用国内外较为成熟、通用的标准方法对焊膏的理化性能进行分析，其中，除合金成分参考GB/T10574标准、总卤参考EN14582标准，扩展率、触变系数和锡珠试验参考JIS标准外，其余项目全部参考IPC-TM-650系列标准进行测试，对试验结果进行评判的主要依据为IPCJ-STD-004B、IPCJ-STD-005A、IPCJ-STD-006C、JISZ3283等。应用到的分析手段主要包括显微组织分析、电绝缘性能分析、化学成分分析和可靠性测试分析等。分析方法主要有：显微测量法对合金粉末粒度进行分析；在线监测法测定表面绝缘电阻；离子色谱分析法对卤化物含量进行定量分析；氧弹燃烧法对焊膏总卤进行分析；化学滴定法及ICP-OES法对焊膏合金成分进行定量分析等。焊膏的材料理化性能分析分三部分展开：金属部分分析，助焊膏部分性能分析，焊膏整体性能分析。样品编码“U”代表无铅焊膏，“L”代表有铅焊膏。为了确保数据的有效性和一致性，针对每个项目都进行了3~5组平行样进行研究，将研究的数据进行汇总统计与对比分析。文中涉及的焊膏是从市面上采购的常用品牌，并进行盲样编码测试，所有测试结果均真实、有效。

1.3仪器设备

研究所用的主要仪器设备及型号为：电感耦合等离子原子发射光谱仪Agilent5100、场发射扫描电子显微镜S-4300&Genesis-60、离子色谱仪ICS-1500、SIR在线监测系统SIR-8328、黏滞力测试仪TK.1、高阻仪Agilent4339B等。

2研究结果

2.1金属部分研究结果此部分内容研究了焊膏的金属含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形状分布，金属部分性能直接影响了焊膏的焊接工艺性与焊点可靠性。三款无铅焊膏U-1、U-2和U-3的金属含量均在88%~89%之间，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]。两款有铅焊膏L-1和L-2的金属含量均在89%~90%之间，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。金属部分测试结果如图1和图2所示。2.2助焊膏部分研究结果此部分内容研究了焊膏中助焊膏部分的性能，助焊膏性能的优劣会直接影响焊接的工艺性。一般来说，酸值越高，焊膏中助焊剂所含活性物质越多，这些活性物质有利于焊接，但是若活性物质不能完全分解，其残留物会增加线路板腐蚀、漏电和电迁移等的风险。无铅焊膏中，酸值较大的是U-1，有铅焊膏中，酸值较大的是L-1（如图3所示）。值得一提的是，若焊剂的活性较强，则会对铜镜腐蚀的结果有一定影响，结果表现为铜镜具有穿透性腐蚀（即符合M级或H级[4]），在实际工艺使用过程中，如果印刷后放置一段时间再进行焊接，则会对焊盘、器件引脚造成腐蚀。经过铜镜腐蚀试验，U-1和U-2铜膜表面基本无变化，U-3、L-1、L-2铜膜减薄，但无穿透性腐蚀。铜板腐蚀则考察的是焊接后的焊剂残留物对铜板的腐蚀性，五款焊膏的铜板腐蚀结果均为无明显腐蚀，符合L级。扩展率可以表征助焊剂的助焊性能。根据扩展率的测试原理，扩展率与铺展面积成正比，助焊剂的助焊能力越好，焊膏的铺展面积就越大，焊点的高度就越低，扩展率就越大。五款焊膏扩展率结果均高出标准规定值（如图4所示）[5]，其助焊性能良好。焊膏坍塌性能与材料的黏度、合金粉末大小、钢网印孔大小、工艺制程等都有关系。小粒径的合金粉末易塌边，黏度过低也容易发生坍塌。五款焊膏的坍塌试验结果并无差异，均符合IPC-J-STD-005A产品的技术要求。离子卤化物含量考察焊膏卤化物中游离的卤化物含量。当离子卤化物含量较高时，游离出的卤酸根离子（F-、Cl-、Br-、I-）残留在PCB上会对线路板表面产生腐蚀、漏电、电迁移等不良影响。总卤考察焊膏整体的总卤素含量，包含离子态的卤化物和化合态的卤素含量，需要符合环保要求。总卤结果中，无铅焊膏U-2的溴含量和有铅焊膏L-2的溴含量均高于900mg/kg。离子清洁度考察了焊膏印刷在PCB板上的残留物含量。五款焊膏的离子清洁度测试结果良好，说明焊膏的焊剂残留物较少。详细结果见表1。

3研究结论

本文展示了《国内高可靠性微电子装备用焊膏》研制工程第一阶段的部分工作，旨在为第二阶段的工作提供技术支撑。文中对比分析了三款无铅焊膏、两款有铅焊膏，共计19项性能指标，其中包括基础理化性能、腐蚀性、电绝缘性、印刷性、离子及污染物等各项性能。综上所述，三款无铅焊膏中，U-1在电迁移试验中发现电极出现腐蚀变色的现象，在长期的使用过程中出现腐蚀、漏电的风险较高，U-2总溴含量已经远超出环保要求的最高限制0.09%，U-3在黏度、坍塌、锡珠和黏滞力整体表现不如U-1和U-2。两款有铅焊膏中，L-1的电迁移试验在96h的电阻值均低于108Ω，虽然标准中未对电迁移的初始值做出明确要求，但是应该作为一项值得关注的风险。L-2的黏度、坍塌、锡珠、黏滞力和总卤表现不如L-1。通过对研究数据统计分析发现，五款焊膏的各项理化性能虽然基本满足标准技术要求，但在一些关键项目上的表现不尽人意，这些结果和分析将为研制工程后续的研究工作提供新的思路和方向，以期待能够研制出各方面性能均优异的国产焊膏。

作者：张莹洁 郑冰洁 赖春潮 刘子莲 罗道军 单位：工业和信息化部电子第五研究所