CH6-7-元器件与基板的结合-封胶材料

6.1元器件与基板的结合方式集成电路芯片完成第一层次封装后，根据封装后元器件的引脚情况，组装到基板可分为两类结合方式，即：引脚插入式（PTH）和表面贴装技术（SMT）。由于目前电子元器件向“轻、薄、短、小”方向发展，故现在多用SMT组装电子元器件。有的电路也有同时采用有引脚的元器件和片式元器件的，则将它们组装在印制电路板上采用混合组装技术（MixedTechnology,MT）。,第六章元器件与基板的结合,根据元器件在电路板上的分布，有三种形式：,1.电路板正反面均为表面贴装元器件,2.表面贴装元器件与引脚插入式元器件混合,3.电路板正面为引脚插入式元器件，反面为表面贴装结合元器件。,本章主要介绍2种元器件在电路板上的焊接技术：波峰焊和回流焊，波峰焊适合于MT,而回流焊适合于SMT。,1.概述波峰焊是将熔融的液态焊料，借助于泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB置于传送链上，经某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点的焊接过程。,第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式,一、波峰焊,波峰焊有单波和双波之分，前者主要适用于针脚插入式电子元器件的组装，后者主要适用于表面贴装型和针脚插入型电子元器件的混合组装。一般来说，一次波具有防止焊接开路的功能，而二次波具有防止焊接短路的功能。,波峰焊也称群焊或流动焊接，最早起源于20世纪50年代英国Fry,sMetal公司的发明。由于波峰焊能大幅度提高生产效率（50倍之多），节约大批人力和焊料，焊点质量可靠性明显提高，故一直受到人们的广泛的重视，是20世纪电子产品装联工艺技术中最成熟、影响最广、效率最明显的一项成就，至80年代仍是联装工艺的主流。尽管近20年来出现了再流焊工艺，并有不断扩展的应用范围，但今后一段时间内，SMT的混合装工艺中仍缺不了波峰技术。,第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式,二、波峰机的工位组成及其功能,常见的波峰机有如下的工位：各工位功能如下：（1）装板：将所焊接的PCB置于机器中（2）焊剂涂覆：PCB上喷涂助焊剂。常用的方法有发泡、浸渍、刷涂、喷雾等。（3）预热：预热PCB/焊点，活化助焊剂。（4）焊接：完成实际的焊接操作。（5）热风刀：去除桥连，并减轻组件的热应力（6）冷却：冷却产品，减轻热滞留带来的损坏。（7）卸板：取出焊好的电子组件板。波峰机中，主要工位是焊料波峰与PCB接触工位，其余都是辅助工位，但波峰焊机是一个整体，其余工位不可缺少或损坏。,（1）涂布焊剂目前采用较多的是发泡式和喷雾式。如图示发泡式涂布焊剂的原理。,第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式,几个主要工序,采用发泡式涂布焊剂，借助大量微细的气泡，可以克服插入到印制电路板通孔中的电子元器件的针脚与孔壁间的机械阻碍，便于焊剂渗透到二者的间隙中，并在表面形成薄而均匀的焊剂膜层。,（2）预加热,第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式,几个主要工序,涂布焊剂之后，要用棒状加热器或螺旋管状加热器对实装印制电路板进行预加热。预加热的目的缓和布线板浸入焊料时的热冲击，防止翅曲，并增加焊剂的活性。若在预加热不充分而不能使焊剂的溶剂不蒸发的情况下进行焊接工序，则由于溶剂气化吸收潜热，焊料表面温度会激剧下降，往往造成焊接不良、搭桥、埋孔、结成焊料珠、焊料棒等缺陷。反之，若预加热温度过高，焊剂过于干燥，则会失去其应有的氧化膜去除功能，从而达不到理想的焊接效果。一般情况下布线板背面的温度以100140为宜。,预加热一般采用热辐射的方式。热辐射的强度与热源温度的四次方成反比，而与布线板被加热的位置距热源距离的平方成反比。应根据需要调节热源到布线板的距离,（3）波峰焊接,第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式,几个主要工序,当载有封装元器件的电路板通过锡槽时，槽中持续涌出的焊锡除了提供焊锡的涂布之外，也有刮除及清洁结合点表面金属氧化层的作用。焊锡沉浸的高度约1/31/2的电路板厚度，在多层印制电路板中，沉浸高度可达1/4电路板的厚度。在理想情况下，焊锡波与电路板移动的方向相反，移动的速度应调整至相同，电路板传送带与焊锡系统通常维持68的倾斜以获得最佳的涂布效果，此倾斜的设计可减低电路板离开时焊锡波与电路板所形成的凹面半径，可抑制焊锡的过度涂布，进而减低水柱状焊点(Icicles)或相邻焊接点发生架桥(SolerBridge,或称为短路)短路的缺陷。,电路板经过焊锡槽的时间也应适当调整，过长时间的涂布可能导致元器件的高温损坏；时间过短，则电路板温度不足，并降低焊锡的润湿性。为适应各种不同的元器件与电路板的焊锡涂布要求，焊锡槽中焊锡的波形也有许多不同的变化，除了以上讲的双波外，还有对称波、不对称波、阶梯波等，这里就不详细介绍。,（4）热风刀,第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式,几个主要工序,热风刀是20世纪90年代出现的新技术。所谓热风刀，是在电路板刚离开焊锡峰后，在焊接点的下方放置一个窄长的带开口的“腔体”，在窄长的开口处能吹出（420）0.068个标准大气压和500525的气流，尤如刀状，故称热风刀。热风刀吹向尚处于熔融状态的焊接点，过热的风可以吹掉多余的焊锡，也可以填补金属化孔内焊锡的不足，对有桥接的焊点可以立即得到修复。同时由于使焊点的熔化时间得以延长，故原来那些带有气孔的焊点也得到修复，因此热风刀可以使焊接缺陷大大降低。,由于电子元器件向“轻、薄、短、小”化方向发展，现在的元器件的结构也出现了革命性的变化，向片式化（无引线或小引线）方向发展，以适应表面组装技术（SMT）的要求。SMT舍弃了在电路板上钻孔以供元器件引脚插入固定的方法，而是用一定的方式将片式元器件准确地贴放到PCB指定的位置上，这个过程英文称为“PickandPlace”,显然它是指吸取/放置两个动作。,第六章元器件与基板的结合6.2贴片技术,6.2贴片技术,贴片机的结构可分为：机架，PCB传送机构及支撑台，X、Y与Z/伺服、定位系统，光学识别系统，贴片头，供料器，传感器，计算机操作系统。在贴片前，多使用丝网印刷或点胶技术将锡膏先印在焊垫上，然后即可进行贴片。,回流焊又称再流焊（reflow），它的本意是通过重新熔化预先放置的焊料而形成焊点，焊接过程中不再添加任何额外焊料的一种焊接方法。早期预置的片状和圈状焊料，随着片式元器件的出现，膏状焊料应运而生，并取代了其它形式的焊料，回流焊技术成为SMT的主流工艺。,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,6.3回流焊,回流焊与传统的波峰焊相比，具有下列优点：（1）焊膏能定量分配，精度高，焊料受热次数少，不易混入杂质，并且焊料使用量相对较少；（2）能使用于焊接各种高精度、高要求的元器件，如0603电阻电容以及QFP、BGA、CSP等芯片封装器件；（3）焊接缺陷少，当前不良焊点率已小于1010-6。,回流焊技术，按照加热方法通常分为三大类：热风红外回流焊汽相回流焊激光回流焊,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,6.3回流焊,（1）焊接机理早期的红外回流焊设备只是单靠红外辐射来达到焊接目的的。通常，波长在1.510m的红外线辐射能力最强，约占红外总能量的80%90%。红外辐射能的传递一般是非接触进行。被辐射到的物体能快速升温，其升温机理是：当红外波长的震动频率与它辐射物体分子间的震动频率一致时，被它辐射到的物体的分子就会产生共振，引发剧烈的分子震动，分子的剧烈震动就意味着升温。红外回流炉设有四个温区，每个温区均有上下加热器，每块加热器都是优良的红外辐射体，能发射出波长在18m的红外线，而被焊接对象，如PCB基材、锡膏中的有机助焊剂、元件的塑料本体，均具有吸收波长18m的能力，因此这些物质手段加热器辐射后，其分子产生剧烈震动，迅速升温到锡膏熔化温度之上，焊膏的活化剂清除掉焊区的氧化物，促使焊料迅速润湿焊区，从而完成焊接。,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,1.红外热风回流焊,（2）红外热风回流焊红外同光一样，也无法穿透物体，像物体在阴影下一样，使得阴影内的温度低于辐射到的地方，当焊接PLCC、BGA器件时，由于器件本体的覆盖原因，引脚处的升温速度要明显低于其它部位的焊点，而产生“阴影效应“，由于元器件表面颜色、体积、外表光亮度不一样，对于元件品种多样化的SMT来说，有时会出现温度不均匀问题。为了克服这些缺点，90年代后出现的回流焊炉中均具有热风循环的功能，从而红外回流焊的能力大大增强。对流传热的原理是热量依靠媒介的运动而发生传递，在红外热风回流焊炉中，媒介是空气或氮气，对流传热的快慢取决于热风的速度。通常风速控制在1.8m/s的范围内。热风的产生常以两种方式：由轴向风扇和切向风扇产生。轴向风扇形成的风源会形成不同的气流速度，且在不同的加热区中风压有所不同，并在整个生产区会产生一个薄的层流，热风层流运动会造成各个温区的温度分界不清，易于形成不必要的混合，还会造成元件位移,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,1.红外热风回流焊,切向风扇安装在加热器外侧，工作时由切向风扇产生板面涡流，此时热风的吹入和返回在同一温区，因此前后温区的温度不会出现混合情况，在传送方向上没有层流，而仅在加热板上产生涡流，故每个温区的温度可以精确的控制。典型的热风红外回流焊炉如图所示，通常它由5个温区组成，各温区配置了面状远红外加热器和热风加热器。第一和第二温区的温度上升范围由室温到150（PCB上的温度）第三和第四温区的加热起到保温作用，主要是为了实现焊区加热更均匀，以保证焊接元器件在充分良好的状态下进入焊接温区；第五温区为焊接温区，出炉后常温冷却。,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,1.红外热风回流焊,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,汽相回流焊又称汽相焊（VaporPhaseSoldering,VPS）,这种焊接方法是1973年由美国Wster电气公司开发成功的。起初主要用于厚膜集成电路的焊接，由于VPS具有升温速度快、温度均匀恒定的优点，被广泛用于一些高难度电子产品的焊接中。但由于在焊接过程中需要大量使用形成“汽相场”的传热介质FC-70，它价格昂贵，又是典型的臭氧层损耗物质（ODS）,此外在VPS过程中还需使用FC-113(典型的ODS物质)，故VPS未能大生产中全面推广应用。,汽相焊原理是利用加热FC-70类高沸点的液体作为转换介质，利用它沸腾后产生饱和蒸汽，遇到冷却工件放出汽化潜热，从而使工件本身升温并达到焊接所需要的温度，蒸汽本身却转化为同温度的流体。,(1)气相回流焊的优缺点,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,与红外回流焊相比较，汽相回流焊具有如下优点：由于被焊接物置于恒定温度的汽相场中，汽相潜热释放对被焊接元器件的物理结构和几何形状不敏感，所以可使用组件均匀地加热到焊接温度，特别对于超大型的BGA以及形状复杂的表面贴装器件的焊接十分有利。焊接温度保持一定，无须采用复杂的温控手段就可以精确保持温度，不会发生过热，并可以采用不同沸点的加热介质，以满足不同温度的焊接的需要。例如采用低熔点的焊料实现对热敏元件的焊接，确保焊接件的可靠性。VPS的汽相场中是介质的饱和蒸汽，密度比空气大的多，即含氧量低，有利于形成高质量的焊点，这对于BGA、CSP等器件的焊接是十分有利的。热转换效率高，加热速度，焊接时间短。尽管由于热介质价格昂贵而难以广泛推广应用，但由于上述的独特的特点，仍是一种重要的焊接手段，一旦新的转换介质研究成功，应用前景很广阔。,（2）汽相焊的热转换介质与设备热转换介质早期用于VPS的材料是1975年美国3M公司推出的全氟化液体FC-70，化学名称是全氟三胺。尽管FC-70具有较高的热稳定性和化学稳定性，但长时间的高温下（通常在汽相焊机运行80小时以后），还会或多或少地发生低级别的分解。最初发现分解的现象是在蛇形不锈钢管外壳上沉积一层绿色的与棕色的沉积物。经分析表明，绿色沉积物是金属氯化物，棕色沉积物是金属氟化物。金属氟化物源于不锈钢材质，而氯化物是因为在汽相焊接过程中，所使用的二级气体FC-113,这种材料通常也是非常稳定的，但焊接过程是在高温环境下，以及伴随着锡膏中的助焊剂中卤素的催化作用，FC-113以及FC-70会发生少量分解。它们分解的物质对人体是有害的。,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,汽相焊设备立式炉典型的立式炉结构原理如图,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,工件：1是加热器，浸在FC-70液体中，并提供热量使FC-70沸腾，并形成汽相场；2是被焊件；3是放入汽相场中；46为过滤净化装置；7是为第一级冷凝管；8是为第2级冷凝管；9是第3级冷凝管；1014为冷却水控温系统。,VPS炉的技术特点最初的汽相回流焊炉是直接将FC-70在敞开的加热设备中沸腾，但由于FC-70蒸汽大量挥发，以致成本过高，难以实现商业化运行，后来美国Western电气公司研制出一种防FC-70蒸汽逃逸技术，即在VPS炉的蒸汽上方安放第一级冷凝管（工件7），并通入冷却水，有效地使FC-70蒸汽回流到主溶液中。同时还将低沸点的FC-113投放到FC-70之中。通常FC-113的沸点是47左右，故FC-113迅速汽化并在FC-70蒸汽场上方形成一个“汽盖”，将FC-70密封在下方。通常第一级冷凝管的温度保持在50，它一方面可以使过热FC-70冷却回流，另一方面又使FC-113加热汽化成“蒸汽盖”。此外，还在一级冷凝管（50）的上方，即汽盖的上方设立二级冷凝管（工件8），并在其中通入低温（715）的冷却水，这样又可防止汽盖逃逸，始终稳定在FC-70蒸汽的上方。同样的道理，第三级冷凝管（工件9）可以进一步起到冷却降温的功能，这就是所谓的FC-70蒸汽防逃逸技术，采用该技术后，大大降低了FC-70的挥发。,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,液体处理系统它的作用是用来去除运行过程中的FC-70分解物，包括各种金属氧化物，包括各种金属氯化物、氟化物以及焊膏中的焊剂残留物。焊接工艺焊接时，首先将焊接件外加辅助烘道或烘箱中预热至130150（约11.5分钟），然后放入汽相焊机的吊篮中，浸到主汽相区，根据设定时间再由吊篮回升到外界，焊接温度曲线如图,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,由于这种设备仅能实现间歇式生产，故仅能供小批量和在特殊场合下使用。,传送带式炉传送带式设备能实现连续式生产，典型的产品由美国HTC公司开发成功，其原理如图,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,2.气相回流焊,传送带VPS设备的主要特点是传送带载装待焊接件直接经过主汽相区，并实现连续操作，FC-70加热槽原理同间歇式VPS类似，但冷却系统的设置比间歇式要复杂得多，而效果却比较差，因为焊接件进口部分就在主汽相区，冷凝管的安装在传送带出入口附近，其难度明显增大，以及二次“气盖”的形成也很困难。因此，必须设计液体补给系统以防“干烧”，故传送带式设备中加热介质的使用量会明显增加。传送带式VPS设备在使用中同样应配备预热烘道，焊接件预热后才能送入炉中，否则过高温差会导致锡膏的焊剂气化而出现锡珠过多以及元器件立碑现象。此外，汽相焊接过程中元器件快速加热，升温速率无法控制，会导致器件开裂。,激光回流焊是利用激光束直接照射焊接部位，焊点吸收光能转变为热能，使焊接部位加热，导致焊料熔化，光照停止后，焊接部位迅速冷却凝固，其原理如图,第六章元器件与基板的结合6.3回流焊,3.激光回流焊,图中激光束发出后，经过光轴调整反射镜、扩束器、聚透镜聚集后照在焊盘上实现焊接。另外，由摄像机、中继透镜组成的监控系统，实现对中精度。传统的激光器有两种，一种是固体YAG（乙铝石榴石）激光器，它们的波长是1.065m，另一种是CO2激光器，它的波长是10.6m，属红外领域，均能适于激光回流焊。在20世纪80年代初，激光回流焊的速度可以达到125焊点/分。90年代利用光导纤维分散激光束，研制出分散激光束激光焊接系统，实现了激光多点同时焊接。这对焊接QFP和PLCC器件是非常有意义的，它可以同时保证焊料熔化的瞬间，器件引脚同时下沉到焊盘上，消除了逐点焊接过程中的机械应力。,从印制电路板的制作到封装元器件焊接完成，基板表面无可避免地有许多污染残留，这些污染可能是电路板制作时留下的。例如，光刻成像工艺、电镀与刻蚀、焊锡掩模涂布、助焊剂涂布、焊锡的预涂布、人为取放与运输等过程。也可能是焊接工艺所留下的残留物，如元器件或电路板的填料、焊锡掩模的残料、助焊剂、焊油、焊锡等。1.污染的来源于种类污染的种类有如下四类：非极性/非离子性极性/非离子性离子性不溶解/粒状,第六章元器件与基板的结合6.4连接完成后的清洗,6.4连接完成后的清洗,2.污染的来源（1）非极性/非离子性。（2）极性/非离子性（3）离子性（4）不溶解/粒状,第六章元器件与基板的结合6.4连接完成后的清洗,6.4连接完成后的清洗,非极性/非离子性它们是松脂或油脂类。典型的是松香本身残渣、波峰焊中的防氧化油、焊接工艺中夹带的胶带残留物以及操作人员的肤油等。它们不易除去，故具有电绝缘与防止金属腐蚀的作用，但同时也降低界面的黏着能力，提高接触电阻，并有碍成品外观，必须去除。,极性/非离子性它们是助焊剂，焊接工艺中使用的酯蜡。此类污染为电源信号渗漏最可能的来源。虽然它们不导电，但其极性使水分子极易与它们作用，它们与水分子结合产生的游离效应会明显地降低表面电阻，从而引起电源信号渗漏。,离子性它们的来源包括助焊剂、蚀刻、电镀、与清洁不当所残留的溶剂与物质。当它们溶于水或其他吸水性污染源后即可形成电流传导的途径，并提高表面电流的渗漏。如有电压存在即会形成电池效应，所造成的金属离子迁移将长成须晶而发生短路，或产生腐蚀破坏电路焊接点的结构而造成短路。,不溶解/粒状它们来自存放中空气中的尘埃、电路板纤维或粉屑、人为取置与输送过程中留下的污迹、微焊球、焊锡浮渣、与助焊剂反应生成物等。它们的存在不仅会影响成品的外观，还会影响焊接质量和电路板的点性能。,3.清洗方法与材料清洗材料分:有机溶剂与水性两大类。（1）有机溶剂清洗对象：残余松脂、合成活化助焊剂、低极性助焊剂清洗方法：蒸汽浴方式有机溶剂种类：低燃火性卤化碳氢化合物，如三氯乙烯、甲基氯芳、四氯乙烯、氯氟碳。它们对树脂和其它非极性物质有良好的清洁作用。,第六章元器件与基板的结合6.4连接完成后的清洗,6.4连接完成后的清洗,为了有效地清除助焊剂中所含有的高极性与高离子性的添加剂，卤化碳氢清洁剂与氯氟碳清洁剂也添加醇类添加剂。在某些特殊功能的清洁剂中则添加乙二醇醚、二氯甲烷、异己烷、丙酮等以改善清洁能力。有机清洁剂也包括：丙酮、甲醇、乙醇等非卤化物清洁剂，但它们有燃火性，一般只适于液体清洗。需要说明的是，卤化碳氢是蒙特尔议定书约定限期使用产品。这使免洗膏和无铅焊锡应运而生。免洗膏中含低腐蚀性的助焊剂，或以提高其中金属成分比例及使用高挥发性的合成助焊剂制成，它的材料与工艺开发也是目前电路板结合研究中热门题目之一。,第六章元器件与基板的结合6.4连接完成后的清洗,6.4连接完成后的清洗,3.清洗方法与材料（2）水水是最安全最便宜的物质，但以前却使用得很少，原因很简单，它不能有效地去除松脂类助焊剂，而且对封装元器件而言，影响可靠性的最大因素是水的渗透，水一旦为电路板物质吸收很难将其去除。,第六章元器件与基板的结合6.4连接完成后的清洗,6.4连接完成后的清洗,目前使用的水清洁剂有两种:一种是用于清洗离子性或树脂类污染物另一种是用于清洗树脂与其他低极性油脂污染物对第一种清洁剂，是在水中加中和剂或皂化剂。这些添加剂通常为含氨类、胺类或其他碱性化合物的溶液。为了抑制清洗过程中皂化反应产生泡沫和降低水的表面张力提升其润湿性，通常还添加泡沫抑制剂和表面活化剂。对第二中水清洁剂，是在水中添加松油精和非离子性表面活化剂。这种清洁剂呈乳状，所以称其为乳状清洁剂。松油精是一种非极性的，对树脂有高亲和力的有机溶剂。它的燃火性极高，使用时要控制温度，以防爆炸。,IC芯片完成与印制电路板的模块封装后，为了使芯片不受到外来环境因素（湿汽、化学溶剂、应力破坏等）影响和后续封装工艺的损害，除了焊接点、指状结合点、开关等位置外，通常在其表面涂布一层25125m厚的高分子材料涂层加以保护。按涂布保护层的外形，可分为顺形涂封(ConformalCoatings)和封胶（Encapsulants）两种顺形涂封所用的材料有：丙烯类树脂（Acrylic,AR）、氨基甲酸醋树脂(UrethaneResins,UR)、环氧树脂（EpoxyResins,SR）、硅胶树脂(SiliconeResins,SR)、氟碳树脂（FluorocarbonResins,FC）、聚对环二甲苯树脂(ParyleneResins,XY),聚亚旒胺(PI)等。其中聚亚旒胺和硅胶树脂为耐高温保护材料。封胶材料有：酸酐基类环氧树脂(Anhydride-baseEpoxies)与硅胶树脂,第七章封胶材料与技术,顺形涂封的原料一般为液状树脂将组装完成的印制电路板表面清洗干净后，以喷洒或沉浸方法将树脂材料均匀涂上，再经适当地烘烤热处理或紫外光烘烤处理后完成。,第7章封胶材料与技术7.1顺形涂封,7.1顺形涂封,1.清洗清洗的目的是避免将污染物质密封在途层内造成腐蚀，涂层裂缝及发泡等破坏。清洁过程一般先以气体溶剂喷洒印刷电路板的表面以除去残存助焊剂与油脂，再以去离子纯水与异丙醇溶剂冲洗将残存的盐类溶去。清洗完毕后用压缩空气将整个电路板吹干，再在6080的温度中烘烤12小时，以去除溶剂和水汽。,3.涂层固化涂层固化通常用烘箱加热和紫外光照射两种方法。紫外光照射方法适用于丙硫酸脂化的氨基甲酸醋树脂和环氧树脂。它的优点是热处理时间短（一般约330秒）、耗能低、在热处理过程中不会有材料黏滞性降低的困扰、涂装薄膜的收缩率较小且无毒性排出等问题。但其设备昂贵。,在顺形涂封中所用材料的功能可见讲义表7