第13章 电子制造中的钎焊

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电子制造中的钎焊本章主要内容：13.1电子制造中的钎焊材料13.2电子制造的钎焊方法13.3本章小结1950s手工焊接1960sDIP封装波峰焊1980sSMT技术回流焊1990sBGA/FC面阵封装2000s+3D/FO系统级芯片1970s集成电路PGA前言：从晶体管到系统级芯片,钎焊技术伴随微型化迭代演进自1947年晶体管诞生，电子器件持续向微型化、高密度、多功能演进，驱动封装形式与软钎焊技术同步升级。从手工焊接到波峰焊、再流焊，再到倒装焊，每一阶段的技术突破都直接回应I/O数量激增与尺寸压缩的矛盾晶圆级封装板级组装整机组装要求低温低应力，保护精细结构追求高产量与细间距，挑战印刷精度强调长期可靠性，关乎产品寿命钎焊贯穿晶圆级封装、板级组装到整机组装，不同层级的热-力-电约束差异显著，但“低温、多功能、高可靠”三大共性需求始终不变13.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结1锡铅钎料Pb-Sn二元相图Sn61.9Pb38.1共晶温度183℃低温软钎料的成分选择通常在共晶点，SnPb钎料的代表即Sn63Pb37，其共晶点温度低，合金固液相线的温差小，是工艺性与服役性的完美平衡低熔点(183℃):降低工艺温度与热应力，对基板耐温要求低；卓越润湿性:Pb元素降低界面能，润湿角仅11°，流动性极佳；优异塑性:室温再结晶有效释放热应力，保障长期可靠性。尽管性能优异，但铅毒性带来的环保法规冲击，使其在消费电子中被禁用，成为无铅化的直接驱动力Sn20Pb80Sn63Pb37液相线温度280℃固相线温度183℃接头的服役温度由固相线决定，二者软钎焊接头的服役温度是一样的钎焊的工艺温度由液相线决定，Sn20Pb80的工艺温度显著高于Sn63Pb30而Sn20Pb80固液相线的温差大，钎料的流动性会较差，成形效果不佳13.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结2无铅钎料名称成分固相线/℃液相线/℃说明InSnInSn52.0In/48.0Sn118(共晶)实际熔点最低的焊料BiSn58.0Bi/42.0Sn138(共晶)抗热疲劳的性能好,历史悠久BiSnAg57.0Bi/42.0Sn/1.0Ag139140由于添加了银，这种合金的脆性低于铋锡(BiSn)Indalloy®22777.2Sn/20.0In/2.8Ag175187铟锡(SnIn)是118℃共晶合金，不能用于温度高于100℃的环境Indalloy®25486.9Sn/10In/3.1Ag204205没有铟锡(SnIn)共晶的问题；可用于倒装芯片组装SnBiAg91.8Sn/4.8Bi/3.4Aq211213基板和元件必须无铅金属化SAC40595.5Sn/4.0Ag/0.5Cu217225当要求使用热可靠性高于含银较少的SAC合金时的最佳解决方案SAC38795.5Sn/3.8Ag/0.7Cu217219iNEMI最早推荐的SAC合金SAC30596.6Sn/3.0Ag/0.5Cu217220焊锡产品评价会推荐的SAC合金SAC10598.5Sn/1.0Ag/0.5Cu217225低成本合金，可靠性相当好SACm™98.5Sn/0.5Ag/1.0Cu+Mn217225跌落试验性能和锡铅合金一样好SAC030799.0Sn/0.3Ag/0.7Cu217227低成本的SAC合金SnCu99.3Sn/0.7Cu227(共晶)成本低；可能适用于波峰焊Sn99299.2Sn/0.5Cu+Bi+Co227高性能低成本的焊料合金"J"alloy65.0Sn/25.0Ag/10.0Sb223(共晶)芯片黏着(Die-attach)合金，非常脆Indalloy®13395.0Sn/5.0Sb235240高温无铅合金Indalloy®25990.0Sn/10.0Sb250272高温无铅合金SnAg：Ag元素可以显著提高接头的蠕变特性、强度和疲劳性能SnZn：共晶温度低，但Zn元素的耐蚀性低，容易氧化SnBi：共晶温度139℃，抗拉强度较高，但其硬脆性，塑性变形能力差铅中毒引发健康问题，无铅钎料成为主流SnPbAu基：熔点高、抗拉强度高、导电导热能力优良，但成本较高典型Indalloy的物理性质Au80Au20Sn88Au12Ge96.8Au3.2Si固相线(℃)1064280356363液相线(℃)1064280356363导热率(W/mK)318574427拉伸强度(PSI)20,00040,00026,83536,975剪切强度(PSI)20,00040,00026,82531,90020℃的热膨胀系数(PPM/℃)1416131213.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结3软钎剂及焊膏钎剂承担去氧化、润湿铺展、高温保护三重任务，原理主要有酸碱反应和氧化-还原反应树脂提供活性、粘性，防止氧化松香最常用提高活性，清除氧化物如羧酸、有机卤盐溶解固体成分，调节粘度醇类最主流流变剂提供粘度，增强触变性溶剂活化剂焊膏是由钎剂与钎料以及少量添加剂组成的寿命管理工作寿命12-24h，储存寿命(2-5℃)3-6个月熔点常用的熔点在180℃-250℃活性可分为无活性（R）、中等活性(RMA)和活性(RA)三个等级粘度粘度范围很大（100~600Pa·s），最高有1000Pa·s以上，焊膏属触变流体，印刷时受剪切变稀，脱模后恢复高粘度以维持图形。触变指数越高，坍塌度越小13.1电子制造中的钎焊材料电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结4纳米连接材料利用纳米尺度材料的高表面能降低连接温度的纳米尺寸效应，本质是在250℃下通过固态扩散形成连接，而非非传统熔化凝固过程，其接头耐温超越传统软钎焊接头纳米连接材料已在功率芯片贴装领域量产应用纳米AgCu颗粒TEMAgCu/C纳米多层膜单层高亮度明场显微照片13.1电子制造的钎焊方法电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结1电子组装技术中的回流焊电子组装技术指的是，根据成熟的电路原理图，将各种电子元件、电子器件、机电元件、机电器件以及基板合理地设计、互连、安装、调试，使其成为适用的、可生产的电子产品(小到集成电路，大至雷达、通信、超级巨型计算机)的技术，分为通孔组装技术(THT)和表面组装技术(SMT)。THT组装技术SMT技术利用穿孔插入式印刷电路板的组装，采用波峰焊技术进行钎焊。随着元器件的数量增多，孔的尺寸和间距不断缩小，逐渐达到瓶颈无需通孔，将表面贴装元件贴、焊到PCB板上相应位置，不需要钻孔，焊点间距可以相应减小，具有组装密度高、体积小、重量轻、高频性能好等优点，成为主流典型回流曲线分为预热、保温、回流、冷却四区，精确控制温度-时间关系缓慢升温(≤3℃/s)，挥发溶剂，防止飞溅恒温活化，消除温差，激发钎剂活性超过液相线(30-40℃)，钎料熔化润湿快速凝固(≤4℃/s)，形成焊点，控制热应力冷却区回流区保温区预热区加热因子Q(液相线上温度-时间积分)直接关联焊点疲劳寿命Sn63Pb37软钎焊焊膏回流曲13.2电子制造的钎焊方法电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结2倒装芯片技术中的倒装焊倒装芯片技术是芯片以凸点阵列结构与基板直接安装互连的一种方法。引线键合将芯片正面朝上，通过引线的方法实现与基板或框架的电互连倒装焊是倒装芯片技术中一个连接工艺，替代引线键合连接。它将芯片正面朝下，通过凸点阵列与基板焊盘相连倒装芯片凸点连接结构示意图短互连，高性能极大降低电感和信号延时，获得优异的高频特性高I/O密度可在极小空间内实现海量I/O，突破引线键合瓶颈批量化制造可在晶圆上预制凸点，与基板一次焊接完成，成本低扩散阻挡/粘附层阻止Sn扩散，与Al焊区形成欧姆接触材料:Ti,TiW润湿层保证钎料良好润湿，提供可焊性材料:Cu抗氧化层防止氧化，保护底层金属材料:Au,Ni芯片凸点芯片凸点是原芯片铝布线电极焊区形成的，凸点材料有金、铜、锡基合金等材料。为了使凸点金属与芯片表面的铝焊区有良好的结合，两者之间有金属过渡层13.2电子制造的钎焊方法电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结3

电子制造中钎焊的典型缺陷缺陷分析：立碑与歪斜根本原因在于元件两端非同步润湿，导致表面张力失衡。主要成因焊盘设计不对称或热容量差异焊膏印刷量不一致元件两端可焊性不同回流炉内温度不均匀对策优化焊盘设计、降低升温斜率、选用活性持久且均匀的钎剂。13.2电子制造的钎焊方法电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结3

电子制造中钎焊的典型缺陷缺陷分析：锡球与桥连锡球或锡珠源于焊膏飞溅或孤岛堆积未合并，本质是焊膏量局部过多，此外印刷精度缺陷，印刷厚度增加桥连焊膏过量、贴装压力过大、焊膏塌落、焊点节距减少、回流温度过高、钎料流动性增加焊膏冷却后凝固在钎料周围，形成的球状颗粒主要成因临近的两个或两个以上的焊点之间发生桥接主要成因13.2电子制造的钎焊方法电子制造中的钎焊材料电子制造的钎焊方法本章小结3

电子制造中钎焊的典型缺陷缺陷分析：芯吸与孔洞