半导体元器件的可焊性测试方法研究.docx

学校代码： 10289 分类号： TP306 密 级： 公开 半导体元器件的可焊性测试方法研究 许峰 江苏科技大学 学 号： 103030013 江苏科技大学 硕 士 学 位 论 文（工程硕士）半导体元器件的可焊性测试方法研究 研究生姓名 许峰 导师姓名 朱志宇 申请学位类别 工程硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学科专业 电子与通信工程 论文提交日期 2013年 5 月19 日 研究方向 半导体可靠性研究 论文答辩日期 2014 年 3 月16 日 答辩委员会主席 林明 评 阅 人 2014 年 3 月 14 日分类号： TN306 密级： 公开 学号：103030013工学硕士学位论文（工程硕士）半导体元器件的可焊性测试方法的研究学生姓名许峰指导教师朱志宇 教授江苏科技大学二O一四年三月A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringSemiconductor components of the solderability test method research Submitted byXu fengSupervised byProfessor Zhu zhi yuJiangsu University of Science and TechnologyMarch, 2014论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：学位论文使用授权声明 江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 研究生签名： 导师签名：日期： 日期：摘要摘要随着半导体技术的迅速发展，电子产品的已进入各行各业，涉及航空航天、机械制造、电子商务等，可以说，我们大家的生活已无法离开电子产品。可焊性测试是电子产品生产制造过程中检验产品可焊接性能的一种必要手段。产品引线的焊接性能将直接影响到产品的使用，严重的焊接不良甚至会影响到整机的可靠性。而且此类不良很多是间歇性的，有时会影响维修人员对故障的判断，造成一些不必要的损失。本文着重介绍了各类可焊性测试方法在元器件生产中的实际应用，以及使用方法中的一些关键点。通过在工作中的实际应用，结合标准的要点和产品的特点，在不违背标准的情况下，针对各类不同的产品，使用不同的测试方法进行检测，这样能更有效的反应产品的可焊接性能。特别是针对一些短引脚、无引脚产品，如何使用合适的方法，甚至说使用更有说服力的润湿法来进行检测。这些方法的研究，将有利于封装厂在生产过程中改进产品电镀品质的检测方法，能更快、更有效的发现产品的电镀缺陷，及时调整生产工艺的，提高产品质量，满足客户的需求。关键词：可焊性；方法；标准；半导体元器件AbstractWith the rapid development of semiconductor technology, electronic products has entered into all walks of life, involved in aerospace, mechanical manufacturing, electronic commerce and so on, in other words, our life cannot leave the electronic products.Solderability test is a necessary mean to inspect the product solderability during the electronic product manufacturing process. The solderability of the lead will directly affect the product using; serious bad soldering may even affect the reliability of the machine. And such bad soldering is intermittent; sometimes it will affect maintenance personnels judgment for fault, causing some unnecessary loss.This article emphatically introduces the practical application of all kinds of solderability test methods in the production of components, and some key points in using the methods. Through practical application, combining the main points of the standard and the characteristics of the products, under the case of without violating the standard, for all kinds of different products, using different testing methods can reflect the solderability more effective. Especially for some short pin and no pin products, how to testby the right method or more persuasive wetting method? The research of these methods will be of conducive forpackaging factory to improve the detection method of improving products electroplating quality in the process of production, and can find plating defects of product faster and more effective to adjust the production technology, improve product quality, and meet customer demand timely.Keywords: Solderability, Methods, Standard, Semiconductor componentsII目录目录摘要Abstract第1章 绪论11.1课题研究的目的和意义11.1.1课题背景11.1.2目的和意义21.2 国内外研究现状21.2.1 课题来源21.3 课题的主要研究内容4第2章 半导体元器件的可焊性描述62.1 可焊性描述62.2 测试可焊性的几种主要方法62.2.1 可焊性测试前处理72.2.2 助焊剂的使用92.2.3 焊料的使用102.2.4 槽焊法112.2.5 电烙铁法122.2.6润湿称量法132.3本章小结17第3章 小型短管脚产品使用润湿称量法测试183.1小型短管脚产品的定义183.2 设备介绍183.3 SOT-23产品的测试193.3.1 SOT-23封装介绍193.3.2 润湿称量法对SOT-23产品进行测试203.4本章小结22第4章 无外引脚产品的测试234.1 无外引脚产品介绍234.2 槽焊法测试244.3 润湿称量法测试254.4 本章小结26第5章 基板封装产品的测试275.1基板封装介绍275.2 槽焊法对基板封装进行测试275.3 电烙铁法进行补充测试295.4 本章小结29结论30参考文献31致谢33第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义1.1.1课题背景1947年晶体管发明的同时，也开创了半导体封装的历史。封装在满足器件的电、热、光、机械性能的基础上解决了芯片与外电路互联的问题，对电子系统的小型化、可靠性和性价比的提高起到了关键作用。进入21世纪以来，中国电子信息产品制造业加快了发展步伐，每年都以20%以上的速度高速增长，成为国民经济的支柱产业，整体规模连续几年居全球第2位，全球目前67%的电子产品在中国生产。随着中国电子制造业的高速发展，中国的SMT技术及产业也同步迅猛发展，整体规模也居世界前列。随着电子信息工业的全面发展和不断升级，电子元器件的应用已经逐步渗透到各行各业；随着欧盟推出的ROHS指令全面实施，半导体元器件必须使用无铅电镀，SMT行业也全面推出无铅焊接；随着SMT技术在计算机、网络通信、消费类电子以及汽车电子等产品中的广泛应用，元器件的片式化率虽已超过60。50年前，每个家庭只有约5只有源器件，今天已拥有超过10亿只以上的晶体管了【1】。所以说，半导体电子产品封装已与国计民生的关系越来越紧密，其重要性已不言而喻。作为电子产品组装的第一道工序，焊接的重要性也就非常大。器件引线的可焊性直接影响整机的可靠性和稳定性。在整机的成千上万个焊接点中，只要有一个是虚焊或脱焊的，整台机器的运转就会不正常，甚至停止。造成虚焊或脱焊的因素很多，主要是半导体元器件引线可焊性差【2】。电子产品的装配焊接工艺中，若线路板、元器件可焊性不良量将直接影响产品的质量，将加大质检人员的工作量并产生大量返修，造成人力财力的浪费，一些隐形的焊接问题比如假焊、虚焊和焊接强度差等，将直接带来产品可靠性问题。可焊性测试通过对来料进行可焊性方面的测试，量化评估被测样品的可焊性优劣，直接对来料是否可投入于生产或经过工艺窗口的调整后方能投入生产提供指导。对于元器件批次来料，但由于产量小导致存放时间长的工厂，可焊性测试更具意义，可在元器件使用前对其进行可焊性评估，以确定此批元器件的使用是否会导致焊接质量问题的发生。对元器件生产厂商来说，正确的可焊性测试方法可以正确评估产品的可焊性，保证出货的产品在客户那里不会因为可焊性的问题而退货。如果使用单一的可焊性测试方法可能无法对各种不同封装类型的产品进行准确的可焊性评估。可焊性测试，英文是“Solderability”，主要是依据润湿面积、润湿力、润湿时间对元器件、PCB（印刷线路板 printed circuit board）、pad、焊料和助焊剂等的可焊接性能做一定性和定量的评估。1.1.2目的和意义可焊性测试是用于对元器件、印制电路板、焊料和助焊剂等的可焊接性能做一个定性或定量的评估。在电子产品的装配焊接工艺中，焊接质量直接影响整机的质量。因此，为了提高焊接质量，除了严格控制工艺参数外，还需要对印制电路板和电子元器件进行科学的可焊性测试。通过实施可焊性测试，帮助企业确定生产装配后的可焊性的好坏和产品的质量优劣。本课题的研究，进一步丰富了对印制电路板等元器件的可焊性测试技术手段，明确了影响可焊接性的内在因素，对公司的技术工程师提高产品质量和零缺陷的电镀生产工艺给予了极大的帮助。自20世纪末期开始，江苏长电科技股份有限公司（以下简称长电科技）迎来了公司史上发展最快的黄金时期。产品从单一的分立器件，扩展到集成电路、基板封装；封装形式也从原来的TO-92、TO-126等直插式发展到贴片式的SOT(小型晶体管，Small outline transistor)、SOD小型二极管，Small outline diode)、SOP(小型外引脚封装，small outline package)系列和现在LGA、BGA系列以及后续的多层布线产品。长电科技也从一个年产值几百万的配套小厂发展成了拥有多项国家专利，多项自我知识产权产品，年产值几十亿的上市公司，并成为国内半导体封装行业的龙头企业，世界封装行业的知名企业。对于一个半导体封装企业来说，产品的质量是企业的生命、是企业的生存根本、是企业发展的基础。半导体元器件引线的可焊性应该说是元器件生产中最基础的质量管控点。本课题的研究目的是在工厂内部能针对不同封装类型的产品使用不同可焊性测试方法，使得产品的可焊性检验方法能够更贴近实际的使用，更能真正反映出产品的实际质量情况。1.2 国内外研究现状1.2.1 课题来源现代电子信息技术飞速发展，集成电路芯片封装形式也越来越多，封装密度越来越高，时刻推动着电子产品向多功能、高性能、高可靠、小型化、便携化及大众化普及所要求得低成本等方向发展。从20世纪50年代TO（晶体管外壳封装）型金属玻璃封装外壳发展到60年代的DIP（双列直插式引脚封装Double in-line package）和针栅阵列封装（PGA, pin grid array），再到后面的QFP(四面扁平封装， Quad flat pack)、QFN(四面扁平无引脚封装，Quad flat no lead)以及现在的LGA（焊盘网格阵列，Land grid array）、BGA（球状矩阵排列，Ball grid array）等。可以说整个发展过程非常快，集成度越来越高，生产厂家对产品的质量要求也是快速提高。长电科技是集成电路封测产业链技术创新战略联盟理事长单位，中国领先的半导体封装测试生产基地，为客户提供芯片测试、封装设计、封装测试等全套解决方案，荣获国家重点高新技术企业、中国电子百强企业、中国半导体十大领军企业等称号，拥有国家级企业技术中心、博士后科研工作站和我国第一家高密度集成电路国家工程实验室。其为客户所生产的产品涵盖4C(计算机、通信、消费电子、汽车电子)等广泛的应用领域。与此同时，长电科技在技术水平、经营策略和市场开拓等方面也取得了长足进步。一方面生产规模有了较大的提升，经济效益显著增长；另一方面产品结构、工艺水平、技术创新等方面也实现了跨越式发展，进一步缩小了与国际大厂的差距。主要表现在：一是长电科技跻身全球封测业排名第八位；二是主要依托长电科技为主体的集成电路封测产业链技术创新战略联盟建立并在国家重大科技项目的创新活动中发挥出积极作用；三是国家唯一的“高密度集成电路封装技术国家工程实验室”在长电科技建立；四是长电科技控股子公司长电先进被德州仪器评为全球优秀供应商，越来越多的国际大企业与长电科技开展多项技术合作。长电科技的具体目标有两个：一是营业规模进入世界封测行业排名前五名；二是有23项封装技术创新成果，能成为国际主流封装技术。所有这些目标实现的前提都是以产品质量为基础的，焊接作为半导体产品应用的第一道工序犹为重要，如何有效、快速、简单的检测出各类产品的可焊性情况已成为企业质量控制的一道关键工序。面对越来越多，越来越复杂的产品，我们有必要结合标准的要求，研究出更适合企业使用的可焊性测试方法。目前国内外在半导体元器件可焊性试验方面的测试方法主要有槽焊法、电烙铁法和润湿称量法三种，但JEDEC（联合电子器件工程委员会，Join electron device engineering council）、国标等标准仅仅是规定了试验的温度等条件，并没有对每一种产品进行详细的说明。目前电子行业的发展极快，产品种类越来越多，各种新型的、多管脚的封装层出不穷，各类标准的出台往往滞后于生产厂商以及消费者的应用。而且，标准的制定者主要是针对理论来撰写标准，可能并不了解厂商的实际生产情况，或者说标准中的一些方法在实际的生产过程中可能并不具备可行性或者操作起来非常困难，以致结果难以判断，甚至出现错误判断的情况。这可能会影响生产商在新品方面的一些研发、量产，严重的可能导致投资性的错误。在实际的使用中，很多国际大厂对自己的产品都有一些特殊的测试方法，这些方法结合了标准的一些条款，但也结合了自己产品的一些特性，在生产过程中更能体现产品的真正指标，且方法简单易行。所以厂家必须结合自己的产品特征进行有效的调整，符合工厂的实际情况，制定合理的测试方法，测试结果能够反映产品的实际性能，测试方法符合最终客户的使用。1.3 课题的主要研究内容自有电子元器件的生产、使用以来，铅锡合金作为可焊性镀层已经有多年历史，其显著优点是降低焊接时的熔点及防止锡须的生成，但铅的毒性很大，铅对环境及人体健康有很大的影响。绿色、环保的电镀焊料和工艺越来越受到人们的重视。随着欧盟ROHS(限制在电子电气产品中使用有害物质的指令，Restriction of the use of certain Hazardous Substances)指令的推广，纯锡电镀已基本逐步替代铅锡电镀，中国从2007年3月1日也开始实施【3,4】。纯锡电镀具有无毒、高耐蚀性、高柔软性、银白观等优点，其电气性能可以达到或超过锡铅合金，而且工艺简单，在电子元件及印刷板等领域应用十分广泛【5】。但是，电镀纯锡镀层容易形成锡须，对于集成电路、半导体、晶体管以及对电性能、附着力要求较高的精密电子元件，要求电镀层不能形成锡须【6】，镀层即使长时问存放，仍能保持优良的可焊性及抗蚀性。因此，可焊性测试对纯锡电镀工艺的应用、改进、产品的大量生产具有非常重要的意义。在以前的铅锡电镀产品可焊性检测中，只规定使用铅锡焊料。现纯锡电镀产品虽然仍可以使用铅锡焊料来进行焊接，但随着绿色环保的进一步推进，环保焊接的方式也将会全面在SMT(表面贴装技术，surface mount technology)行业中应用。因此，使用无铅焊料进行可焊性测试时完全有必要的。本课题主要是在实际的生产检验过程中，针对可焊性测试的各种方法进行相应的研究，主要内容：1、按照各类标准的要求，对常规使用的槽焊法、电烙铁法、润湿称量法等三种可焊性测试的方法进行说明【7-10】。并对检测中使用的一些辅助材料、设备进行简单介绍，提出各方法中主要关键点，判定规则。2、研究对于小型、短管脚的产品使用有效的润湿称量法来进行测试，并通过理论与实际的结合，按照产品的特点，保证检测的结果不会违背标准的要求。3、研究一些无外引脚产品可焊性测试方法。特别是要求使用润湿称量法来进行工艺评估的应用。4、基板封装是长电科技未来发展的重点。针对基板封装产品的可焊性测试方法是不同于普通元器件的，更多的是按照PCB的检测方法来进行试验。关键技术：针对不同封装形式的产品使用不同的方法来进行可焊性测试，特别是在工厂内部如何来使用更容易操作和实现的方法，得到更贴近客户使用的测试法。但要求测试方法能够满足标准的要求，要理论联系实际。31第2章 半导体元器件的可焊性描述 第2章 半导体元器件的可焊性描述2.1 可焊性描述可焊性测试是半导体元器件生产过程中针对管脚焊接性能的一道必要检测工序【11】。锡焊连接的难度和焊点的牢度取决于三个主要条件，分别是焊接的设计：用于焊剂的两种金属零件盒组装方法的选择；被焊接金属零件的表面润湿性；焊接所用的条件，如温度、时间、焊剂、焊料等。电子元器件的焊接往往与整机的可靠性有密切的关系，不良的焊接极易导致极其的不良运转，造成设备的可靠性问题【12】。可焊性问题，对电子产品(PCB装配)的生产来说，在今后不短的一段时期内都将是一个重要质量影响因素，由于所用助焊剂活性对清洗的限制，在今天的表面安装工艺及细间距元件的焊接中，可焊性更是一个需要经常引起重视的事情。对于元件和PCB需要保持同样的警惕性【13】。2.2 测试可焊性的几种主要方法电子元器件引线可焊性的测试方法，从历史发展的顺序说，先后出现了电烙铁法、槽焊法、锡球法、润湿称量法。在目前的半导体业界，测试元器件可焊性的主要方法有槽焊法（或称为焊槽法）、电烙铁法、润湿法。槽焊法是模拟元器件引线浸锡工艺，即把浸有焊剂的元器件引线以一定的速度垂直浸入规定温度的焊料槽中，停留一定的时间，然后以同样的速度将引线提出，经清洗后评定可焊性的优劣。在合适的光线条件下借助大于10倍放大镜对试验样品的表面润湿情况进行检查，按相关规定验收。评定准则：所有待测样品均应展示一连续的焊料覆盖面，或至少各样品焊料覆盖面积达到95%以上为合格。槽焊法的优点是方法简单可行，操作人员经过简单培训即可上岗，各种形状的引线均可检查，但测试误差大，计算可焊面积不够准确，焊接层面的判定以定性为主，定量判定困难，特别是当失效面积接近5%的时候，容易出现误差。焊球法又称润湿时间法，即用专用的可焊性测试仪测定引线的可焊性。将一定质量的焊料球加热熔化并控制在规定的温度。然后将浸过焊剂的引线固定在夹持定位机构上，调整计时探针使其与引线的距离为最小，当启动测试仪后，升降机构带动焊料球上升，当焊料与引线接触时，计时装置开始计时；然后分开引线与焊料球，如果焊料润湿引线便会将引线包围，并与上方的探针接触，此时计时结束。从计时开始到结束为引线的润湿时间，显然这个时间越短，可焊性就越好。焊球法的优点是测试方便、速度快，可焊性有一个定量的时间指标，但测试精度不太高，仅适用于圆形引线。电烙铁法即使用原始的电烙铁来直接将焊料焊接在产品引线的表面，是半导体业界出现最早的测试方法，简单易行，但是电烙铁法如同槽焊法一样，当测试结果在临界状态是难以判断。润湿称量法是可焊性测试最有说服力的方法，因为此测试方法得出的数据既有时间又有润湿力，并且同样能对焊接表面进行观察。可以说是结合了槽焊法和锡球法的优点。但此试验方法也有一点的局限性，首先是检测设备比较昂贵，一般需要进口，其次是针对一些引脚短小的贴片器件比较难测试，且测试数据容易受到外界环境的影响，比如振动、气流。在这些试验方法中槽焊法由于方法简单、设备廉价，对各类产品易于操作、评价而在生产厂商间使用广泛，是半导体元器件生产商在生产过程中使用最多的一种方式。当然，还有一些其它的试验方法，如焊球法，在实际的操作中对焊球或产品的规格要求较高，测试方法比较繁琐，所以，在生产厂商之间应用较少，一般不予推荐。润湿称量法由于数据具有说服力，能够体现工艺改进、产品设计方面的量化数据，也越来越多的得到各类电子生产厂商的认可。2.2.1 可焊性测试前处理2.2.1.1 前处理的原因电子产品的引出端在贮存运输过程中的自然环境气氛下，其可焊性(焊接性)镀层会老化，使润湿性能下降，严重的可完全失效【14】。主要的失效模式一般分为两类，一类是引线基体材料较活跃，与外面镀层的离子相扩散，导致引线表面的润湿性下降。此类失效主要是受到元器件贮存过程中高温的一些影响，加速了基材离子的扩散，最终基材离子扩散到镀层的表面，形成不润湿的点或面。另一类失效主要是镀层表面的氧化，镀层表面的氧化物会阻止焊锡与镀层的接触，大大影响产品的焊接性能。氧化锡属于绝缘性物质，也是热的不良导体，质地较硬较脆，容易破裂【15】。氧化膜是影响界面接合的重要因素之一，要获得较好的润湿界面，首先是要有效的去除和破坏氧化膜，使界面的金属而非氧化物相互接触；界面的化学结合状态和晶格尺寸匹配也是影响界面连接的因素，如何控制化学结合状态是一个很关键的问题。锡钎焊时，界面上都是金属，但是经过反应后会在界面形成共价键的金属间化合物，对于界面的润湿性的也会有影响【16】。由于电子元器件在制造出来几个月甚至几年都用不上，对设备制造者来说维护其表面润湿性是十分重要的，对元器件生产者来说，保证其产品的表面润湿性也是非常有必须要的。为了评价产品贮存一段时间后的焊接性能，我们需要对试验前的产品进行一些前处理，以模拟产品在存储、运输过程中受到的一些环境应力的影响。前处理的方式主要有两种，一种是使用蒸汽老化的方式，另一种是高温老化的方式。2.2.1.2蒸汽老化将样品悬挂或在沸腾水的上方，距离水面25mm30mm，且引出端与容器壁直接按距离不小于10mm。容器必须加盖，保证期间完全处于蒸汽中老化，但盖的覆盖面积一般为容器开口的7/8左右，只要保证蒸汽能够完全覆盖样品，如果全部加盖或密闭加盖可能会造成容器内有蒸汽压力，反正造成老化的不确定性。在前处理中要求水始终保持沸腾，由于海拔的问题，海拔越高谁的沸点越低，所以水的沸点可能不会到100，但一般要求水温必须达到93以上，这样同样能够保证有足够的水汽围绕在样品的周围。锡铅钎料在暴露于大气中的铜锡化合物表面上的润湿性是很差的，因此要保证镀层具有一定的厚度，使其在长期存放过程中化合物不致于生长到表面，镀层的厚度一般不得低于7.5m左右。这种厚度可以保证锡铅共晶合金镀层在某些人为造成的严酷环境中老化24h后仍具有优良可焊性【17】。而当镀层厚度小于2.5m时，经过蒸汽4h的老化后，就可能出现反润湿现象。对于产品的定型检验，试验一般要求是8小时，作为产线生产监控，可用4小时的老化，以加快试验的进程，及时发现生产中的不良品。老化试验后要求样品自然晾干2小时后但不超过24小时进行试验，并且保证试验时样品管脚表面没有水珠存在。2.2.1.3高温老化按照GB/T 2423.2-2001电工电子产品环境试验第2部分试验B：高温中的试验方法，对产品进行155的高温试验16小时。高温老化的过程中不得有其它腐蚀性气体侵入，也不得使用惰性气体进行保护。高温老化的目的是利用高温激活基材离子，如果基材的离子过于活跃，而样品的镀层过薄，那么高温老化后基材的离子极有可能渗透到镀层表面，形成不润湿的情况。同时，通过普通的大气环境和高温结合，验证产品电镀层是否能够承受氧化，保证焊接性能不会下降。老化试验结束后，样品应当在正常大气条件下放置不少于2小时，不超过24小时。2.2.2 助焊剂的使用助焊剂有两种主要特性：第一是在很短时间里提高使焊锡和焊接表面沾润的能力。它和助焊剂的活性紧密相关，是对焊接表面化学的清洁。第二种作用是腐蚀性【18】。助焊剂的活性越强，腐蚀性也越强，可以更好的去除产品表面的氧化物。从助焊剂的有益作用来说主要有“辅助热传导”、“去除氧化物”、“降低被焊接材质表面张力”、“去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积”、“防止再氧化”等几个方面，在这几个方面中比较关键的作用有两个就是：“去除氧化物”与“降低被焊接材质表面张力”。焊接的过程就是钎焊接头或焊点成型的过程，这个过程也是合金结构发生变化及合金重组的过程。焊料合金本身的结构状态基本都是稳定的，那么，它与其他金属或其他合金在极短的时间内重新熔合，并形成新的合金结构就不是那么容易的事情，目前，传统的焊料合金为Sn63/Pb37，它与其他很多金属或合金都能够重新熔合并形成新的合金，如铜、铝、镍、锌、银、金等，特别是金属铜极易与锡铅合金焊料熔合，但是当这些金属被空气或其他物质所氧化或反应时，在这些金属物的表面会形成一个氧化层，虽然锡铅焊料与这些金属本身较易形成合金结构，但与这些物质的氧化物或化合物形成新的焊点接头，重新熔合的机会就非常低。几乎所有的焊接材料设计者在论证焊料的可焊性时，都是将焊接材质及工艺环境设定在理想状态，而所有的理想状态在实际工艺过程中几乎是不存在的，就线路板、元器件、或其他被焊接材质的制造与储存、运送、再生产等各个环节而言，各种焊接材质表面被氧化的可能性都是100%存在的。因此，焊接前对被焊接材质表面氧化层的处理就显得格外关键，而助焊剂“去除氧化物”的过程，其实就是一个氧化还原的过程，助焊剂中的活性剂通常是各种有机酸或有机酸盐类物质，至少有一、两种酸或酸盐，通常由多种酸及酸盐复配来用。在氧化还原反应的过程中，反应进行的“速度”及反应“能力”是人们比较关注的问题，这两个是内在的问题，其外部表现就是通常人们所讲的“焊接速度”与“焊接能力”，在材质、工艺等情况既定的情况下，对不同活性助焊剂的选择就显得很重要：活性较弱或活性太弱的焊剂焊接速度或焊接能力相对较差，活性较强的助焊剂去除氧化膜的能力较强、上锡速度较快，但如果焊剂中活性剂太多、太强或整体结构配伍不好时，很可能会导致焊后有活性物质残留，这时就存在焊后继续腐蚀的可能性，对产品的安全性能造成了相当隐患。在焊接过程中，焊料基本处于液体状态，而元件管脚或焊盘则为固体状态，当两种物质接触时，因液态物质表面张力的作用，会直接造成两种物质接触界面的减小，我们对这种现象的表面概括是“锡液流动性差”或“扩展率小”，这种现象的存在影响合金形成的面积、体积或形状。这时需要的是助焊剂中“表面活性剂”的作用，“表面活性剂”通常指在极低的浓度下，就能够显著降低其他物质表面张力的一种物质，它的分子两端有两个集团结构，一端亲水憎油另一端亲油憎水，通过其外部表现可以看到，它由溶剂可溶性和溶剂不溶性两部分组成，这两个部分正处于分子的两端，形成一种并不对称的结构，它只所以能够显著降低表面张力的作用正是由这种特殊结构所决定的。助焊剂中表面活性剂的添加量很小，但作用却很关键，降低“被焊接材质表面张力”，所表现出来的就是一种强效的润湿作用，它能够确保锡液在被焊接物表面顺利扩展、流动、浸润等。通常焊点成球、假焊、拉尖等类似不良状况均与表面活性不够有一定关系，而这种原因不一定是焊剂“表面活性剂”添加量太少，也有可能是在生产工艺过程中造成了其成分分解、失效等，从而大大减弱表面活性作用。从助焊剂的有害作用来说就是腐蚀性。常用助焊剂的一些基本要求，具一定的化学活性；具有良好的热稳定性（保证在较高的焊锡温度下不分解、失效）；具有良好的润湿性、对焊料的扩展具有促进作用（保证较好的焊接效果）；留存于基板的焊剂残渣，对焊后材质无腐蚀性（基于安全性能考虑，水清洗类或明示为清洗型焊剂应考虑在延缓清洗的过程中有较低的腐蚀性，或保证较长延缓期内的腐蚀性是较弱的）；需具备良好的清洗性；各类型焊剂应基本达到或超过相关国标、行标或其他标准对相关焊剂一些基本参数的规范要求；焊剂的基本组份应对人体或环境无明显公害，或已知的潜在危害。所以，对于可焊性测试要求使用水溶性的非活性助焊剂，如果使用高活性的助焊剂，将无法有效检测出产品的可焊接性能，在用非活性助焊剂无法进行焊接情况下，才允许用高活性的助焊剂。必需指出的是，活性助焊剂不一定能表示其在生产中的实用性，也不能保证其残留物的腐蚀性【19】。因此，是在试验中使用非活性助焊剂是完全必要的。非活性助焊剂一般由按质量计25%的松香和75%的异丙醇或乙醇组成，只有当非活性助焊剂不适用时才能添加二乙基的氯化铵，使氯离子含量上升到0.5%，来提高助焊剂的活性。2.2.3 焊料的使用焊料按环保分类，包括有铅焊料和无铅焊料。目前常用的无铅焊料有：锡铜无铅焊料(Sn99.3Cu0.7)，锡银铜无铅焊料(Sn96.5Ag3.0Cu0.5)，0.3银无铅焊料(Sn99Ag0.3Cu0.7)，高温型无铅焊料(SnSb)。常用的有铅焊料主要有：63/37焊料(Sn63/Pb37)，60/40焊料(Sn60/Pb40)和高温焊料(400度以上焊接)。焊料中除主元素锡、铅、铜、银外，往往还含有少量它元素，如镍、锑、铋、In、稀土等。焊料内的这些微量合金元素对锡条的物理、力学性能影响很大：铋可以降低锡条熔化温度，提高润湿铺展性，但加入量过大，将降低焊点的疲劳寿命和塑性，适当的铋的量大约为0.21.5%。 Ni可以通过改变合金组织和细化晶粒，从而提高焊点的力学性能和疲劳寿命等。在系统化设计出来的化学成分之中，设计者显然希望焊料各方面的性能能达到一个最佳的平衡，如焊接性能、熔化温度、强度、塑性和疲劳寿命等。但是，由于成本、工艺等方面的考虑，在SMT行业更多的使用时有铅焊料K63或K60，无铅焊料锡银铜。所以，在试验中对于铅锡焊接的产品，要求使用的焊料是K60（含锡60%，含铅40%）或K63（含锡63%，含铅37%）。对于纯锡焊接的样品，要求使用不含铅的焊料，一般是锡银同合金焊料（含锡96.5%、银3%、铜0.5%）【20】。2.2.4 槽焊法2.2.4.1对焊槽的要求焊槽的深度应不小于40mm，容积不小于300ml，焊槽所能加热的温度应当保证能够达到300，热容量足够保证普通半导体产品的试验。实际试验中，一般要求焊料温度为2455。2.2.4.2 试验方法在每次试验前，应用合适的刮板（一般是不锈钢板）将熔融焊料表面刮的清洁光亮，试验应在刮后立即进行，以保证试验不受焊料表面氧化物的影响。首先，在常温下将所要测试样品的引线端浸入助焊剂中超过5秒钟，然后拿出悬挂滴干超过60秒，或用滤纸吸取多余的焊剂，保证没有成滴的助焊剂吸附在管脚的表面。然后，立即以252.5mm的速度将产品的引线端完全浸入到焊料中，保持20.5秒，后以同样的速度取出样品，如图2.1所示。对与大热容量的样品（一般是指带有较大散热板的产品），可以将停留的时间提高到5秒钟。如果条件允许，也可以将大热容量产品的管脚剪下进行测试。最后，借助于10倍以上的光学显微镜来检测引线的焊接层。要求经过浸渍的管脚表面必须覆盖一层光滑、明亮的焊料层，只允许少量的、非集中的、总体面积不超过5%的针孔或弱润湿缺陷，即要求焊接上锡面达到95%以上【21,22】。如图2.2所示的结果即为典型的上锡面积没有达到95%，结论为不合格。图2.1槽焊法示意图Figure 2.1 schematic diagram for DIP针对直插式器件来说，槽焊法是一种最接近实际中常用焊接程序的模拟实验方法，但它不能定量的表达测试结果，只能通过显微镜来观察引线表面的上锡情况，主管性较强。在需要量化数据作为证据的报告中往往无法体现它的权威性，特别是针对一些工艺、材料改进的试验，有时无法与以前的工艺、材料进行数据比对。图2.2管脚上锡不良Figure 2.2 solderability failure2.2.5 电烙铁法2.2.5.1焊料的要求要求使用松香芯的焊锡丝，以保证助焊剂能符合试验的要求。如果是其它芯的焊锡丝，要求其所含的助焊剂是非活性的，带有活性助焊剂的焊锡丝不得用来进行试验。2.2.5.2对电烙铁的要求要求使用的电烙铁温度能够达到350以上，一般采用A号或B号电烙铁。A号电烙铁头直径8mm，用于中大功率产品的试验，B号电烙铁头直径3mm，用于小型器件的试验。2.2.5.3试验方法如图2.3所示电烙铁头用于试验的表面处于水平位置，如有必要，可用绝热材料支撑所测试的样品。焊接时间为23秒，期间烙铁头保持不动，然后去除样品上多余的助焊剂。然后同样借助于10倍以上的光学显微镜来检测引线的焊接层。要求所的表面必须覆盖一层光滑、明亮的焊料层，不应有小滴的焊料【23】。元器件本体引线脚焊锡丝图2.3电烙铁焊示意图Figure 2.3 schematic diagram for Soldering iron电烙铁法试验工具简单，非常容易实施，在一般的小型组装工厂进行来料检测的时候用的比较多，在焊槽法或其它方法不适用的产品上，也可使用烙铁法来进行可焊性的评定。但电烙铁一般无法准确的控制温度，相对其它测试方法来说，准确性不够高，所以，如果使用其它方法能够测试产品，在不得已的情况下一般不推荐使用电烙铁法。2.2.6润湿称量法2.2.6.1润湿性测试的定义润湿称量法可焊性试验试件从一垂直安装的高灵敏度称上悬吊下来，以规定的速度浸渍到规定温度的熔融焊料槽中，且试件的底部浸渍至规定的深度时，作用于试件上的浮力和表面张力在垂直方向上的合力（即润湿力），该合力与时间的关系来评定试件的可焊性【24】。2.2.6.2对焊槽的要求焊槽的深度应不小于40mm，容积不小于300ml，焊槽所能加热的温度应当保证能够达到300。实际试验中的焊料温度为2455。2.2.6.3对焊料的要求所用焊料应当符合GB/T2423.28-2005附录B的规定，即K60或K63的焊料，如果使用无铅焊料，一般要求是锡银铜焊料，锡含量96.5%，银含量3.5%，铜含量0.5%【25】。2.2.6.4试验方法将样品管脚浸渍助焊剂后滴干（如不滴干，助焊剂在高温焊料中的快速蒸发可能会影响润湿力的大小），然后以520mm/s的速度浸入熔融的焊料中至规定的深度（一般只要保证焊料的爬升不会碰到元器件的本体就可以），如图2.4的润湿称量法示意图，并保持规定的时间，得到力和时间的曲线。焊料温度为2455。焊接保持时间为50.2s。对于直插式产品应使管脚垂直焊锡面浸入，对于弯脚的贴装的产品要求管脚部位可以2045的角度浸入焊锡。如图2.5的润湿曲线原理图和图2.6的曲线示意图时间T0是焊料表面与试验样品开始接触的时间，是力和时间的开始点。A点是作用于试验样品上的力等于计算出来的浮力的点，在浮力计算中的浸渍深度系数是指原来的焊料平面以下的深度，通过A点的水平虚线为浮力线，所有的力均参照浮力线的测量。B点是作用于试验样品上方的力为零时的点。M点是从测试开始到2秒的润湿力。Z点是表示在规定的浸渍周期内获得最大向下力的点，即Fmax。C点是在从测试开始到5秒的润湿力，C点和Z点的力的数值可能相同。图2.4 润湿称量法示意图Figure 2.4 schematic diagram or wetting balance图2.5润湿曲线原理图Figure2.5 schematic diagram for wetting profile图2.6 润湿过程图示【24】Figure2.6 schematic diagram for wetting process2.2.6.5润湿力的计算为了评定试验品的可焊性，应将所测得的力（F测）在消除浮力（F浮）影响后得到的实际润湿力（F实）去和理论润湿力（F理）进行比较【26】。此理论润湿力：F理=0.4L（mN）L由量出样品引脚需焊接部位的宽和厚来计算出的周长，单位：mmF浮=0.08VV试验样品浸渍部分的体积，单位：mm3F实=F理-F浮2.2.6.4 可焊性的判定开始润湿所需的时间，即T0点至A点的最大时间间隔,即过浮力线的时间小于1.0秒。在润湿过程中，Tm=2秒时，实际润湿力要大于等于实际理论润湿力的2/3。在润湿稳定后，计算出De-wetting(Fmax Fmin) / Fmax *100%，要求de-wetting20%。Fmax: 整个润湿过程的最大润湿力，Fmin: Fmax到结束之间的最小润湿力。如图2.7即为一个典型的实际润湿力曲线。并且，从润湿称量法的曲线结果我们可以看到，每个产品的润湿时间长短、润湿力的大小都可以在结果中体现出来，可以有一个定量的结果，而不是和槽焊法一样只能出具合格或不合格的定性结果。图2.7 典型的润湿力曲线Figure2.7 typical wetting profile2.3本章小结本章主要对槽焊法、电烙铁法、润湿称量法进行了介绍，并对各类方法进行了简单的评价。 第3章小型短管脚产品使用润湿称量法测试第3章 小型短管脚产品使用润湿称量法测试3.1小型短管脚产品的定义槽焊法仅能观察试样的沾锡状态，润湿称量法却能求得试样的润湿时间和润湿力，近几年由于其定量性强而倍受青睐，通过描绘润湿曲线又可以了解样件的整个润湿过程【27】。对于有管脚的产品，不论管脚的长短是多少，都可以通过槽焊法来进行可焊性测试，但是润湿法的测试结果有详细的数据支持，可以更有说服力的评定产品的可焊接性能。半导体元器件从焊接的方式来看，主要有直插式和表面贴装两种。对于直插式器件来说，由于产品的管脚比较长（一般在5mm以上），润湿称量法进行试验比较容易，管脚可以直接插入熔融的焊料中，能够轻易的得到润湿力的曲线。对于贴片式器件来说，往往管脚比较短，且一般呈弯曲状态，所以，相对来