回流焊接(半导体行业)

1、回流焊接的技术整合管理第三部份：回流焊接技术中的材料考虑前言：在以前的文章中我们讨论到技术整合的主要元素是设计、材料、工艺、设备和质量（注一）。本期我们就来看看材料的部份。在SMT回流焊接技术中，牵涉到的材料主要有三方面，就是PCB、器件以及锡膏焊料。目前SMT业界中使用的材料种类很多，随着无铅技术的到来更变成十分的复杂。而这些材料，虽然都可以使用在回流焊接技术中。但他们对工艺的要求以及个别的质量表现都不完全一样，有些甚至有相当的差距。比如某些需要较大的热能（较高的温度，较长的时间），而另外一些却只需少量的热能，或甚至不能承受大热能。在这种情况下，如果要确保焊接工作能做得好，我们就必须在材料上

2、进行适当的选择和配搭，使需求不同或矛盾的材料不会同时被使用上。这就是所谓焊接技术的材料考虑了。在本系列文章的第二篇中，我们曾谈到多种的回流技术。由于篇幅的关系，我们这里的材料考虑只谈和最常用的热风回流技术相关的。也因为篇幅关系，在这里我不想仔细的分析各种材料的特性，而是通过一些考虑做法的描述解释，来提供一个方向，协助读者们做得更好。材料焊接时的三种模式：在焊接的过程中，我们一般借助于以下三种特性中的一种或多种混合模式来使两个焊接面和焊料形成焊点。1溶解Melting；2溶蚀Dissolution;3渗透扩散Diffusion实际情况下采用哪一种原理，是看材料（金属）的特性，例如该金属的熔点，相

3、对溶蚀率等等而定。而不同的金属特性和模式，也就决定了我们必须采用的工艺和设置的工艺参数值。例如当我们利用第一种的溶解原理时，我们必须保证焊接温度达到或超过焊接的两种金属的熔点（比如Sn37Pb锡铅合金的熔点为183。0,其焊接的形成是十分迅速的，可以在一两秒钟内完成（注二）。如果利用的是第二类原理，则焊接温度必须达到或超过其中低熔点金属的熔点温度，并提供足够的时间让低熔点材料对高熔点材料的溶蚀完成。在这种工艺中，温度的高低决定了溶蚀的速度，所以在越高的温度下，焊接时间可以较短。而整个过程的温度与时间的组合控制，要比第一种模式的要求要高些。前两种模式一般使用在焊接面的表面保护层上，而第三种的渗透

4、扩散模式，对每一个焊接面都是个必需品。良好的焊接就是依靠这第三种原理，是焊接面之间形成一个薄层的金属间合金的（IMC，注三）。由于各种模式的特性差异，在设计焊接系统时我们就必须考虑到采用怎样的材料和焊接原理。这样才不至于出现同一个PCBA上出现需求差异太大而难以焊接的情况。值得注意的是，对于焊料（锡膏）来说，由于它也是填充物（填充焊接面间隙），我们都要求它熔化。所以在应用中的温度要求，只要是超过其熔点温度就可以了（注四）。在达到熔化温度后，它不像器件焊端材料或PCB焊盘材料那样对温度和时间有较严格的要求。所以只按照锡膏供应商提供的温度曲线标准来设置回流焊接工艺，并不是个正确的做法。以传统的Sn

5、37Pb焊料而言，超过183oC（Sn37Pb的熔点温度）后，焊接工艺参数就该以考虑到PCBA上器件和焊盘材料为主了。回流焊接技术中的材料：在进行焊接时，整个材料系统包括了3个主要部份。就是器件、基板（PCB）、以及将它们进行结合的焊料（在回流技术中常用的锡膏）。要确保焊接可以在高质量结果下完成，他们之间必须对工艺要求有较好的配搭。所以在选择这些材料时，不应该是各自独立考虑的。一般在应用上，器件的材料种类变化最多。这不只是因为可选的材料种类原本就多，而也是因为用户采用的供应商多，大家选择不一的原因。其次是PCB方面。变化最少的应该是焊料方面，一般除了加工业（CM或EMS）由于要满足个别客户的要

6、求而可能采用较多种类的锡膏外，制造自己产品的OEM或ODM都只选用一到两种焊料。从工艺和质量管理的角度来看，材料的种类和变化是越少越好。所以除非电性能、可靠性或成本方面的压力大，否则设计部应该尽量减少材料选择上的变化。这是DFM/DFR管理上的一个重要准则。材料特性考虑：从回流焊接的角度来看，我们对材料的以下的三种特性最为关注1可焊性；2耐热性；3库存寿命。所有的材料都必须经过以上特性的能力认证，才算合格（适合回流焊接工艺）。在考虑物料如器件或PCB的可焊性时，其定义必须是较完整的。可焊性并不是只指润湿性，或是熔锡可以与焊接面结合的现象。从工艺和质量的考量上，可焊性较完整的定义必须包括以下各点

7、。快速的润湿形成以及足够的润湿力；可以较低的焊接温度以及较短的时间内完成；机械特性较好的IMC；焊接时不容易出现工艺故障（如气孔、焊球、吸锡等）决定以上特性的，是下面的几个因素：焊接面各层的材料；焊接面各层材料的厚度；形成各层材料的工艺（如无极电镀、浸镀等）；器件封装和焊端的形状结构；也就是说，如果我们要很好的确保回流焊接质量，在我们选择材料时就必须对每一个器件或材料进行以上的4个方面，按先前描述的4个可焊性定义进行评估考虑。在回流焊接的过程中，被焊接的材料必须经过较长时间和相对高温的处理。所以材料的耐热性也是个重要的考量因素。由于无铅技术一般上需要较高的温度处理，材料耐热问题在无铅技术到来后

8、更加被重视。业界一些机构也以此建议了较明确的规范。例如图一是IPC和JEDEC联合建议的无铅器件耐热性的测试标准（注五）。t254CtoR=akTimeT25A2_=2mdL=mL图一在笔者的个人经验中，这样的规范虽然可以使用在大多数场合中，但还不是个精确保险的规范。这主要有两方面的考虑。一是标准中不应该提供上下限，耐热特性应该只有最低标准而没有最高标准。提供上限只会造成参考和执行上的混乱。其二是热破坏模式其实和三种不同的热反应有关，这样的规范无法精确的评估这三方面的能力。对与那些需要十分重视质量的用户，笔者建议在材料评估上按以下的三种评估来做较为精确。1最高承受温度（必须含时间观念）；2最高

9、承受热冲击（升温和降温速率）；3最高承受总热能（总温度和时间关系）以上三种热反应的破坏模式不同而且不存在一定的关系，也就是说具备较高温度承受能力的一个器件或材料，未必也具备较高的热冲击承受能力。因此我们在评估材料时都必须进行测试确认。用户很有可能遇到的问题，是许多材料或器件供应商并没有采用类似的认证方法。所以也无从提供这类指标。这也就是说，在很多时候，要把握材料的这些特性，确保质量，用户必须靠自己的认证。而认证需要资源的投入，这在本区域又是较敏感和管理经验较弱的。我的建议是用户按自己产品或服务的质量责任，对产品的关键以及新封装器件有选择性的进行评估。这样或许能够有较好的平衡点。器件材料的第三项

10、考虑重点是库存需求和寿命。虽然JIT管理在效率和质量上都属于较好的管理做法，而且可以去除（或至少大大的减少）库存问题。但实际上对好些用户来说，推行JIT的条件并不存在。尤其在是变化日益快速的竞争情况下。所以研究和处理器件材料的库存问题还是个重要的工作。在我们研究或考虑库存寿命时，一定要有库存条件的因素在内。库存条件指的是环境（温、湿度）和包装保护性能。器件焊端和PCB焊盘镀层虽然都有保护层来确保有较长的库存寿命，但这些保护层都会在库存期间逐步的退化。所以库存是有寿命而非无限期的。一般而言，在库存期间焊端的表面会起氧化作用而形成对焊接不利的氧化层。不过由于氧化层形成后会降低后期的氧化速度，加上焊

11、接时我们所使用的助焊剂多能够去除这氧化层，或者在较严重情况下我们还可以通过返工或表面处理来恢复其可焊性，所以库存中的氧化问题还不算是最严重。另一方面，在库存期间如果焊端镀层内层的合金层（即IMC）增长过度而露出表面，或离开表面只有十分薄的程度，在焊接时表层的可焊材料经过溶蚀后焊料和不可焊的IMC接触，焊接面就无法良好的形成。在这种情况下我们是无法返工的，出现不可焊接的器件只能作废。以上的IMC增长问题是否会出现，就看焊端镀层的材料、厚度以及库存条件而定。选择IMC增长慢的材料如NiAu，较厚的镀层，以及较低的库存温度将会增加器件可焊性的库存寿命。不过正如我们在其他技术方面所遇到的情况一样，各种

12、方案总有好与坏的方面同时给我们提出考验。较厚的镀层虽然在库存上有好处，却给我们带来其他问题。如Au的成本高，而且含量太高（镀层厚）将给焊接后的焊点带来金脆化的可靠性问题。同时较厚的镀层也需要较多的热能来焊接，也就是较高的温度和/或较长的时间。这在焊接工艺中都是不利的。因此在考虑和选择材料时我们必须给予整合分析。锡膏的考虑：在选择锡膏时，我们也同样的考虑到以上所说的可焊性、耐热性和库存需求和寿命三方面的特性表现。不过我们一般采用其焊接中出现的故障模式来描述前两方面的能力。例如热坍塌、焊球/焊珠程度、润湿性等等。一个良好的锡膏配方，我们在使用时对预防其工艺故障方面较好处理，这是由于它对热的变化的容

13、忍性较强。而摸清楚个别锡膏的容忍性，就是我们在选择锡膏前必须进行的工作。原本锡膏的特性应该是由供应商来完整和详细的提供给用户的。但不幸的是，由于牵涉到产权秘方等问题，用户一般并不能够得到很精确的资料。这就造成用户有必要自己进行认证了。即使不存在以上的问题，用户对于供应商的技术资料来源一般也无法知道或考证，也因此有可能造成适用上的问题。比如年初我在华东协助一家用户提升他们的焊接工艺能力时就将供应商提供的标准中的数项指标进行修改了。例如供应商指标中建议升温区的升温速度应该2.5oC,但在该客户的设计规范内，这指标会造成热坍塌过度的问题。经过实际试验认证，升温速度1.6oC对这用户来说是个保险的做法

14、。而我们也发现，该型号的锡膏，只要在升温区限制好这升温速度，在回流进入其他温区后，热坍塌的情况就十分轻微。这类发现以及对该锡膏特性的掌握能协助我们更好的制定我们的工艺规范，预先排除各种故障。从焊接的角度来看，笔者建议用户在选择锡膏前对以下特性进行评估认证（注六）。润湿性冷坍塌、热坍塌抗氧化能力焊剂助焊能力溅锡特性残留物的量和特性热挥发特性使用寿命（开封后寿命、回收次数、印刷后寿命等）了解锡膏的上述特性有助于我们设置正确的温度曲线和减少工艺故障。这工作虽然在前期的资源投入较多，但是个十分值得的投入。器件的考虑：器件材料的考虑注重于焊端以及封装本体两部份。以上我们谈到材料的特性考虑时所提到的可焊性

15、、耐热性和库存三方面，也同样是器件选择考虑的重点。不过器件在这些考虑上还有细节必须加以补充。可焊性的定义在应用到器件选择上就必须做得更细。我们必须全面的照顾到焊接过程中下列的5大要求。1良好的润湿；2适当的锡量；3正确的熔锡流向；4焊接过程中焊端静止；5形成适当厚度的IMC。器件的整体结构，包括焊端和封装本体，焊端的材料和镀层厚度，都会对以上各要求有一定的影响。在我们选择或认证器件的工艺性时，就应该仔细的给予考虑。这工作如果做得足够完整精确，我们离开零缺陷的目标就越近。这工作是属于技术整合中可制造性设计的部份，我将来会有论文更详细的和大家分享。这里想先提一提的是，业界负责封装技术的半导体行业，

16、他们的关注点主要在于电性考虑。因为我们器件的电性最好肯定是个比我们的器件最容易组装来得好的卖点。加上从事封装设计的人对于SMT组装工艺未必了解得够，所以设计出来的封装有时候都是不利于组装工作的。例如BGA,DirectFETTM,某些DFN封装等等，其设计都有很好的电性表现，但对于组装工程师来说，却给他们带来了难度和挑战。目前电子业界中使用的许多器件,都还是属于非气密式封装。非气密式的封装材料在库存过程中是会吸潮的。而这种特性就会给焊接工艺带来爆米花的故障风险。所以在选择材料中我们必须给予关注。不过由于成本和重量的问题,我们目前的做法并非舍弃非气密式的封装不用,而较多是选择控制的做法。也就是防

17、潮和受潮后的处理。这方面不论是在供应商那里或用户处,业界都已经有规范做法。例如供应商必须按照该封装的潮敏程度,在完成封装工艺某时间段内进行某程度防潮性能的包装。而在用户处则必须按照供应商所标示的防潮等级,在开封后某时间段内完成组装焊接。或在无法实施时进行烘烤等除潮处理（注七）。PCB的考虑：在电子业中所使用的PCB焊盘基材主要是Cu（铜）材料。铜虽然适合于焊接和形成可靠的焊点,但铜是很容易氧化的金属,氧化后的铜可焊性很差。虽然一些酸性强的助焊剂可以将一般的氧化铜清除,但却会留下了对PCBA不利的腐蚀后遗症。所以设法制止铜的氧化是PCB业界中一个主要的技术工作。一般的做法就是将铜和氧隔离,也就是

18、在铜上加上一层不容易氧化的保护层。但必须确保这层材料在提供保护的同时,不会给焊接工艺或过后焊点的可靠性带来不良的影响。目前多数采用的做法有三类,一是使保护层材料在焊接前被热或焊剂除去,例如OSP保护层技术。第二种做法是使保护层材料和焊料一起溶解,例如表层镀Sn或SnPb热风整平技术。第三种是利用熔化的焊料将表层保护材料溶蚀后基层焊接,例如镀Ni/Au的技术。常用的焊盘镀层材料有很多种，例如Sn,Ag,Pd或Pd合金，SnAg合金，Ni/Sn或Ni/SnPb层，Ni/Au层，Ni/Pd层，还有OSP（有机保护层）等。不同的材料在工艺和质量上会有不同的特性。除此之外，PCB制造商在制造焊盘的表面保

19、护层时会有不同的工艺供选择。例如常见的镀层工艺有：有极电镀、无极电镀和浸镀工艺。这些不同的工艺配合不同的材料也会带来可能影响焊接工艺或焊点质量的不同影响。而这是从事PCBA加工厂家所必需掌握的。比如当使用Ni/Au镀层时，我们可以有不同的电镀工艺选择。常用的有ENEG和ENIG（注八）。ENIG虽然有成本和工艺控制上的优势，但却会有黑盘故障（注九）以及焊点寿命较差等问题。而ENEG却有另外的一些问题如不能和所有的绿油（阻焊层）材料兼容、成本较高以及供应商少等等。用户以此必须按本身情况和要求进行选择。又比如越来越普遍的OSP技术，许多用户把所有OSP当作只有一种材料，几乎从未去研究不同供应商之间

20、的差异。OSP技术已经最少经过了5代的发展，而每一代的工艺条件和能力都不一样。即使属于同一代技术，也会因为不同供应商配方上的差异而有所不同。这情况就像锡膏或焊剂一样。也就是说，虽然都称为OSP,不同来源的OSP对焊接工艺中的温度、时间要求，以及和不同锡膏焊剂的兼容性都可能不同。选择配搭不当就会造成工艺上较困难，甚至无法焊接好。和器件的情况一样，用户将面对许多不同材料和工艺的选择。但在PCB材料的处理上要比器件容易得多。因为我们可以较好的限制其种类和供应商。比如说只选用OSP和ENEG各两家供应商。这在评估和质量管理的投入上都会节省不少。避免使用太多不同的材料、不同的工艺以及不同的供应商（包括同

21、一供应商不同的厂）。这将减少您的质量风险。对PCB的另外一个要求，是它必须能够经受多次的焊接。除非您采取的是免修策略。否则就必须考虑到PCB在组装加工中可能出现的多次焊接加返修后的可靠性。从质量的角度来看，任何形式的返修对焊点的可靠性都是不利的。而且次数越多质量的损害程度也越大。PCB受潮也是个常见的问题。所以防潮工作也必须做到位。最好的做法是有合理的设计，配合评估和选择能力强的供应商（因为许多受潮问题是供应商工艺能力或质量管理较差所造成的）。其次是在采购流程上进行控制，使用新鲜的PCB。使用前烘烤的做法应该是个不得已的补救做法，而不是个正常工艺或手段。因为烘烤虽然可以解决或改善受潮问题，但却

22、可能带来了其他风险。比如对OSP的破坏、对焊盘IMC的助长等等。技术整合考虑：以上谈到锡膏、器件、以及PCB材料的个别选择考虑原理。这里我想强调的一点，是在实际工作中它们必须是综合考虑的。也就是我们必须对这三者进行技术整合。以下的例子可能可以协助读者了解这做法的重要性。比如在一个器件焊端为42合金镀Sn40Pb,PCB焊盘为OSP保护，和锡膏为传统Sn37Pb合金类的组合下，出现了因为引脚吸锡问题而形成焊点少锡的故障现象。我们可以通过不同的材料选择组合来解决或减少这问题程度。如果程度不严重，我们可以通过采用性能更好的OSP或ENIG获得解决。如果问题较大，我们可能有必要将器件的镀层改用Sn90

23、Pb或Sn85Pb来获得解决。但如果使用的锡膏是无铅的SAC合金的话，使用Sn90Pb或Sn85Pb有可能造成器件移位的另外一种故障现象。而必须使用如Ni/Pd/Au镀层的这一器件才能避免位移。所以良好的选择，是必须综合考虑所有三种物料的配合的。这也就是为什么我常告诉用户朋友们，在SMT中似乎没有绝对的好坏，而是看你如何配合及掌握它们。我们平时在诊断生产线上出现的故障问题时，多数时候对材料的认证是比较困难的。技术整合理念告诉我们，材料、工艺、设计和设备是个配搭的关系，一个因素中的问题，可能通过调整另外原本没有问题的因素来获得补偿。比如现场的工艺参数调整就是提供这种作用。而往往却是这原因使得许多

24、工程师经常将现场的问题定位为物料问题。这类例子在我实际工作中见得不少。例如有个用户在工艺参数定得不好的情况下，经过更换一批来自不同供应商的物料（SOJ封装的IC）后故障大量减少而将问题定位为物料问题。而实际上这两种来自不同厂家的物料的镀层材料不同（都是SnPb，但成份比例不同），可焊性有所差别。当时的工艺参数设置不好使得可焊性较强的引脚产生吸锡状况。其实在实际工作中，器件或材料的认证是比较难的，不论在测试认证手段上，或是在数量统计上都常存在问题。一般较有效的做法是先认证和排除设计、工艺以及设备的问题，而后才推断为物料相关问题。我在工作上还经常遇到一个情况，就是物料的供应商对本身的问题不承认而又

25、缺乏可靠的依据理由。许多供应商的解释是：“我们其他的用户都没有这个问题”（意思当然是“只有你有问题，所以是你的错”）。须知SMT的整合状况复杂，很难有两家工厂的应用条件是完全一致的。这也就是说我们普遍存在可比性的问题。所以在没有足够和仔细了解用户的各方面情况下，我们是无法断定责任是否在于供应商方面。这种工作心态和观念有必要更正过来。当然用户方面也常会出错，而主要的错误就在于对物料缺乏认证和明确的技术指标。如果要做到预防性的质量管理，用户必须要提供明确的指标要求，并和供应商达成认证方法协议。无铅技术带来的影响和问题：在我们电子制造业步向无铅技术而将焊料中的铅给排除后，很不幸的至今没有能够找到完全

26、适合的替代品。不过多年来的也就却出现了许许多多的可用品。这些可用品不但在工艺上给我们带来了更高的要求和难度，也因为种类繁多、实际使用经验的不足而使我们面对许多选择的问题。无铅技术中出现更多的材料种类，本来我们更需要投入更多的资源来进行研究、测试、认证和选择。但实际上或许不会如此。至少我还没有发现有这样做法的例子。这是因为目前的状况存在一些不利的因素。例如电子制造业从以技术为主要关注的较先进工业国，转移到以就业、成本为主要关注的发展中国家。使我们较缺乏条件来做好选择的工作。更甚的是，在本地区的一般企业中，材料的考虑和选择都是由工艺知识掌握不足的设计部和采购部人员在执行。加上技术整合管理的缺乏，DFM/DFR系统的不健全等等管理问题，将使我们无法很好的从材料的评估、选择和控制上保证我们的质量。也就是说我们很可惜的无法利用一个能预防问题的重要手段。或许只好将质量的保证一