CH6-7-元器件與基板的結(jié)合-封膠材料課件

6.1元器件與基板的結(jié)合方式

集成電路芯片完成第一層次封裝后，根據(jù)封裝后元器件的引腳情況，組裝到基板可分為兩類結(jié)合方式，即：引腳插入式（PTH）和表面貼裝技術(shù)（SMT）。由于目前電子元器件向“輕、薄、短、小”方向發(fā)展，故現(xiàn)在多用SMT組裝電子元器件。有的電路也有同時采用有引腳的元器件和片式元器件的，則將它們組裝在印制電路板上采用混合組裝技術(shù)（MixedTechnology,MT）。第六章元器件與基板的結(jié)合根據(jù)元器件在電路板上的分布，有三種形式：1.電路板正反面均為表面貼裝元器件2.表面貼裝元器件與引腳插入式元器件混合3.電路板正面為引腳插入式元器件，反面為表面貼裝結(jié)合元器件。本章主要介紹2種元器件在電路板上的焊接技術(shù)：波峰焊和回流焊，波峰焊適合于MT,而回流焊適合于SMT。1.概述波峰焊是將熔融的液態(tài)焊料，借助于泵的作用，在焊料槽液面形成特定形狀的焊料波，插裝了元器件的PCB置于傳送鏈上，經(jīng)某一特定的角度以及一定的浸入深度穿過焊料波峰而實現(xiàn)焊點的焊接過程。第六章元器件與基板的結(jié)合6.1元器件與基板的結(jié)合方式一、波峰焊波峰焊有單波和雙波之分，前者主要適用于針腳插入式電子元器件的組裝，后者主要適用于表面貼裝型和針腳插入型電子元器件的混合組裝。一般來說，一次波具有防止焊接開路的功能，而二次波具有防止焊接短路的功能。

波峰焊也稱群焊或流動焊接，最早起源于20世紀50年代英國Fry,sMetal公司的發(fā)明。由于波峰焊能大幅度提高生產(chǎn)效率（50倍之多），節(jié)約大批人力和焊料，焊點質(zhì)量可靠性明顯提高，故一直受到人們的廣泛的重視，是20世紀電子產(chǎn)品裝聯(lián)工藝技術(shù)中最成熟、影響最廣、效率最明顯的一項成就，至80年代仍是聯(lián)裝工藝的主流。盡管近20年來出現(xiàn)了再流焊工藝，并有不斷擴展的應(yīng)用范圍，但今后一段時間內(nèi)，SMT的混合裝工藝中仍缺不了波峰技術(shù)。第六章元器件與基板的結(jié)合6.1元器件與基板的結(jié)合方式二、波峰機的工位組成及其功能常見的波峰機有如下的工位：各工位功能如下：（1）裝板：將所焊接的PCB置于機器中（2）焊劑涂覆：PCB上噴涂助焊劑。常用的方法有發(fā)泡、浸漬、刷涂、噴霧等。（3）預熱：預熱PCB/焊點，活化助焊劑。（4）焊接：完成實際的焊接操作。（5）熱風刀：去除橋連，并減輕組件的熱應(yīng)力（6）冷卻：冷卻產(chǎn)品，減輕熱滯留帶來的損壞。（7）卸板：取出焊好的電子組件板。

波峰機中，主要工位是焊料波峰與PCB接觸工位，其余都是輔助工位，但波峰焊機是一個整體，其余工位不可缺少或損壞。（2）預加熱第六章元器件與基板的結(jié)合6.1元器件與基板的結(jié)合方式幾個主要工序

涂布焊劑之后，要用棒狀加熱器或螺旋管狀加熱器對實裝印制電路板進行預加熱。預加熱的目的緩和布線板浸入焊料時的熱沖擊，防止翅曲，并增加焊劑的活性。若在預加熱不充分而不能使焊劑的溶劑不蒸發(fā)的情況下進行焊接工序，則由于溶劑氣化吸收潛熱，焊料表面溫度會激劇下降，往往造成焊接不良、搭橋、埋孔、結(jié)成焊料珠、焊料棒等缺陷。反之，若預加熱溫度過高，焊劑過于干燥，則會失去其應(yīng)有的氧化膜去除功能，從而達不到理想的焊接效果。一般情況下布線板背面的溫度以100～140℃為宜。預加熱一般采用熱輻射的方式。熱輻射的強度與熱源溫度的四次方成反比，而與布線板被加熱的位置距熱源距離的平方成反比。應(yīng)根據(jù)需要調(diào)節(jié)熱源到布線板的距離（3）波峰焊接第六章元器件與基板的結(jié)合6.1元器件與基板的結(jié)合方式幾個主要工序當載有封裝元器件的電路板通過錫槽時，槽中持續(xù)涌出的焊錫除了提供焊錫的涂布之外，也有刮除及清潔結(jié)合點表面金屬氧化層的作用。焊錫沉浸的高度約1/3～1/2的電路板厚度，在多層印制電路板中，沉浸高度可達1/4電路板的厚度。在理想情況下，焊錫波與電路板移動的方向相反，移動的速度應(yīng)調(diào)整至相同，電路板傳送帶與焊錫系統(tǒng)通常維持6°～8°的傾斜以獲得最佳的涂布效果，此傾斜的設(shè)計可減低電路板離開時焊錫波與電路板所形成的凹面半徑，可抑制焊錫的過度涂布，進而減低水柱狀焊點(Icicles)或相鄰焊接點發(fā)生架橋(SolerBridge,或稱為短路)短路的缺陷。

電路板經(jīng)過焊錫槽的時間也應(yīng)適當調(diào)整，過長時間的涂布可能導致元器件的高溫損壞；時間過短，則電路板溫度不足，并降低焊錫的潤濕性。為適應(yīng)各種不同的元器件與電路板的焊錫涂布要求，焊錫槽中焊錫的波形也有許多不同的變化，除了以上講的雙波外，還有對稱波、不對稱波、階梯波等，這里就不詳細介紹。（4）熱風刀第六章元器件與基板的結(jié)合6.1元器件與基板的結(jié)合方式幾個主要工序熱風刀是20世紀90年代出現(xiàn)的新技術(shù)。

所謂熱風刀，是在電路板剛離開焊錫峰后，在焊接點的下方放置一個窄長的帶開口的“腔體”，在窄長的開口處能吹出（4～20）×0.068個標準大氣壓和500℃～525℃的氣流，尤如刀狀，故稱熱風刀。熱風刀吹向尚處于熔融狀態(tài)的焊接點，過熱的風可以吹掉多余的焊錫，也可以填補金屬化孔內(nèi)焊錫的不足，對有橋接的焊點可以立即得到修復。同時由于使焊點的熔化時間得以延長，故原來那些帶有氣孔的焊點也得到修復，因此熱風刀可以使焊接缺陷大大降低?；亓骱赣址Q再流焊（reflow），它的本意是通過重新熔化預先放置的焊料而形成焊點，焊接過程中不再添加任何額外焊料的一種焊接方法。早期預置的片狀和圈狀焊料，隨著片式元器件的出現(xiàn)，膏狀焊料應(yīng)運而生，并取代了其它形式的焊料，回流焊技術(shù)成為SMT的主流工藝。第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊6.3回流焊回流焊與傳統(tǒng)的波峰焊相比，具有下列優(yōu)點：（1）焊膏能定量分配，精度高，焊料受熱次數(shù)少，不易混入雜質(zhì)，并且焊料使用量相對較少；（2）能使用于焊接各種高精度、高要求的元器件，如0603電阻電容以及QFP、BGA、CSP等芯片封裝器件；（3）焊接缺陷少，當前不良焊點率已小于10×10-6?；亓骱讣夹g(shù)，按照加熱方法通常分為三大類：

熱風紅外回流焊汽相回流焊

激光回流焊第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊6.3回流焊（1）焊接機理

早期的紅外回流焊設(shè)備只是單靠紅外輻射來達到焊接目的的。通常，波長在1.5～10μm的紅外線輻射能力最強，約占紅外總能量的80%～90%。紅外輻射能的傳遞一般是非接觸進行。被輻射到的物體能快速升溫，其升溫機理是：當紅外波長的震動頻率與它輻射物體分子間的震動頻率一致時，被它輻射到的物體的分子就會產(chǎn)生共振，引發(fā)劇烈的分子震動，分子的劇烈震動就意味著升溫。

紅外回流爐設(shè)有四個溫區(qū)，每個溫區(qū)均有上下加熱器，每塊加熱器都是優(yōu)良的紅外輻射體，能發(fā)射出波長在1～8μm的紅外線，而被焊接對象，如PCB基材、錫膏中的有機助焊劑、元件的塑料本體，均具有吸收波長1～8μm的能力，因此這些物質(zhì)手段加熱器輻射后，其分子產(chǎn)生劇烈震動，迅速升溫到錫膏熔化溫度之上，焊膏的活化劑清除掉焊區(qū)的氧化物，促使焊料迅速潤濕焊區(qū)，從而完成焊接。第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊1.紅外熱風回流焊

切向風扇安裝在加熱器外側(cè)，工作時由切向風扇產(chǎn)生板面渦流，此時熱風的吹入和返回在同一溫區(qū)，因此前后溫區(qū)的溫度不會出現(xiàn)混合情況，在傳送方向上沒有層流，而僅在加熱板上產(chǎn)生渦流，故每個溫區(qū)的溫度可以精確的控制。典型的熱風紅外回流焊爐如圖所示，通常它由5個溫區(qū)組成，各溫區(qū)配置了面狀遠紅外加熱器和熱風加熱器。第一和第二溫區(qū)的溫度上升范圍由室溫到150℃（PCB上的溫度）第三和第四溫區(qū)的加熱起到保溫作用，主要是為了實現(xiàn)焊區(qū)加熱更均勻，以保證焊接元器件在充分良好的狀態(tài)下進入焊接溫區(qū)；第五溫區(qū)為焊接溫區(qū)，出爐后常溫冷卻。第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊1.紅外熱風回流焊第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊2.氣相回流焊汽相回流焊又稱汽相焊（VaporPhaseSoldering,VPS）,這種焊接方法是1973年由美國Wster電氣公司開發(fā)成功的。起初主要用于厚膜集成電路的焊接，由于VPS具有升溫速度快、溫度均勻恒定的優(yōu)點，被廣泛用于一些高難度電子產(chǎn)品的焊接中。但由于在焊接過程中需要大量使用形成“汽相場”的傳熱介質(zhì)—FC-70，它價格昂貴，又是典型的臭氧層損耗物質(zhì)（ODS）,此外在VPS過程中還需使用FC-113(典型的ODS物質(zhì))，故VPS未能大生產(chǎn)中全面推廣應(yīng)用。汽相焊原理是利用加熱FC-70類高沸點的液體作為轉(zhuǎn)換介質(zhì)，利用它沸騰后產(chǎn)生飽和蒸汽，遇到冷卻工件放出汽化潛熱，從而使工件本身升溫并達到焊接所需要的溫度，蒸汽本身卻轉(zhuǎn)化為同溫度的流體。(1)氣相回流焊的優(yōu)缺點第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊2.氣相回流焊與紅外回流焊相比較，汽相回流焊具有如下優(yōu)點：由于被焊接物置于恒定溫度的汽相場中，汽相潛熱釋放對被焊接元器件的物理結(jié)構(gòu)和幾何形狀不敏感，所以可使用組件均勻地加熱到焊接溫度，特別對于超大型的BGA以及形狀復雜的表面貼裝器件的焊接十分有利。焊接溫度保持一定，無須采用復雜的溫控手段就可以精確保持溫度，不會發(fā)生過熱，并可以采用不同沸點的加熱介質(zhì)，以滿足不同溫度的焊接的需要。例如采用低熔點的焊料實現(xiàn)對熱敏元件的焊接，確保焊接件的可靠性。VPS的汽相場中是介質(zhì)的飽和蒸汽，密度比空氣大的多，即含氧量低，有利于形成高質(zhì)量的焊點，這對于BGA、CSP等器件的焊接是十分有利的。熱轉(zhuǎn)換效率高，加熱速度，焊接時間短。盡管由于熱介質(zhì)價格昂貴而難以廣泛推廣應(yīng)用，但由于上述的獨特的特點，仍是一種重要的焊接手段，一旦新的轉(zhuǎn)換介質(zhì)研究成功，應(yīng)用前景很廣闊。汽相焊設(shè)備立式爐典型的立式爐結(jié)構(gòu)原理如圖第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊2.氣相回流焊工件：1是加熱器，浸在FC-70液體中，并提供熱量使FC-70沸騰，并形成汽相場；2是被焊件；3是放入汽相場中；4～6為過濾凈化裝置；7是為第一級冷凝管；8是為第2級冷凝管；9是第3級冷凝管；10～14為冷卻水控溫系統(tǒng)。VPS爐的技術(shù)特點最初的汽相回流焊爐是直接將FC-70在敞開的加熱設(shè)備中沸騰，但由于FC-70蒸汽大量揮發(fā)，以致成本過高，難以實現(xiàn)商業(yè)化運行，后來美國Western電氣公司研制出一種防FC-70蒸汽逃逸技術(shù)，即在VPS爐的蒸汽上方安放第一級冷凝管（工件7），并通入冷卻水，有效地使FC-70蒸汽回流到主溶液中。同時還將低沸點的FC-113投放到FC-70之中。通常FC-113的沸點是47℃左右，故FC-113迅速汽化并在FC-70蒸汽場上方形成一個“汽蓋”，將FC-70密封在下方。通常第一級冷凝管的溫度保持在50℃，它一方面可以使過熱FC-70冷卻回流，另一方面又使FC-113加熱汽化成“蒸汽蓋”。此外，還在一級冷凝管（50℃）的上方，即汽蓋的上方設(shè)立二級冷凝管（工件8），并在其中通入低溫（7℃～15℃）的冷卻水，這樣又可防止汽蓋逃逸，始終穩(wěn)定在FC-70蒸汽的上方。同樣的道理，第三級冷凝管（工件9）可以進一步起到冷卻降溫的功能，這就是所謂的FC-70蒸汽防逃逸技術(shù)，采用該技術(shù)后，大大降低了FC-70的揮發(fā)。第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊2.氣相回流焊液體處理系統(tǒng)

它的作用是用來去除運行過程中的FC-70分解物，包括各種金屬氧化物，包括各種金屬氯化物、氟化物以及焊膏中的焊劑殘留物。焊接工藝

焊接時，首先將焊接件外加輔助烘道或烘箱中預熱至130℃～150℃（約1～1.5分鐘），然后放入汽相焊機的吊籃中，浸到主汽相區(qū)，根據(jù)設(shè)定時間再由吊籃回升到外界，焊接溫度曲線如圖第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊2.氣相回流焊由于這種設(shè)備僅能實現(xiàn)間歇式生產(chǎn)，故僅能供小批量和在特殊場合下使用。激光回流焊是利用激光束直接照射焊接部位，焊點吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使焊接部位加熱，導致焊料熔化，光照停止后，焊接部位迅速冷卻凝固，其原理如圖第六章元器件與基板的結(jié)合6.3回流焊3.激光回流焊圖中激光束發(fā)出后，經(jīng)過光軸調(diào)整反射鏡、擴束器、聚透鏡聚集后照在焊盤上實現(xiàn)焊接。另外，由攝像機、中繼透鏡組成的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對中精度。傳統(tǒng)的激光器有兩種，一種是固體YAG（乙鋁石榴石）激光器，它們的波長是1.065μm，另一種是CO2激光器，它的波長是10.6μm，屬紅外領(lǐng)域，均能適于激光回流焊。在20世紀80年代初，激光回流焊的速度可以達到125焊點/分。90年代利用光導纖維分散激光束，研制出分散激光束激光焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光多點同時焊接。這對焊接QFP和PLCC器件是非常有意義的，它可以同時保證焊料熔化的瞬間，器件引腳同時下沉到焊盤上，消除了逐點焊接過程中的機械應(yīng)力。從印制電路板的制作到封裝元器件焊接完成，基板表面無可避免地有許多污染殘留，這些污染可能是電路板制作時留下的。例如，光刻成像工藝、電鍍與刻蝕、焊錫掩模涂布、助焊劑涂布、焊錫的預涂布、人為取放與運輸?shù)冗^程。也可能是焊接工藝所留下的殘留物，如元器件或電路板的填料、焊錫掩模的殘料、助焊劑、焊油、焊錫等。1.污染的來源于種類污染的種類有如下四類：非極性/非離子性極性/非離子性離子性不溶解/粒狀第六章元器件與基板的結(jié)合6.4連接完成后的清洗6.4連接完成后的清洗2.污染的來源（1）非極性/非離子性。（2）極性/非離子性（3）離子性（4）不溶解/粒狀第六章元器件與基板的結(jié)合6.4連接完成后的清洗6.4連接完成后的清洗非極性/非離子性它們是松脂或油脂類。典型的是松香本身殘渣、波峰焊中的防氧化油、焊接工藝中夾帶的膠帶殘留物以及操作人員的膚油等。它們不易除去，故具有電絕緣與防止金屬腐蝕的作用，但同時也降低界面的黏著能力，提高接觸電阻，并有礙成品外觀，必須去除。極性/非離子性它們是助焊劑，焊接工藝中使用的酯蠟。此類污染為電源信號滲漏最可能的來源。雖然它們不導電，但其極性使水分子極易與它們作用，它們與水分子結(jié)合產(chǎn)生的游離效應(yīng)會明顯地降低表面電阻，從而引起電源信號滲漏。離子性它們的來源包括助焊劑、蝕刻、電鍍、與清潔不當所殘留的溶劑與物質(zhì)。當它們?nèi)苡谒蚱渌晕廴驹春蠹纯尚纬呻娏鱾鲗У耐緩?，并提高表面電流的滲漏。如有電壓存在即會形成電池效應(yīng)，所造成的金屬離子遷移將長成須晶而發(fā)生短路，或產(chǎn)生腐蝕破壞電路焊接點的結(jié)構(gòu)而造成短路。

不溶解/粒狀它們來自存放中空氣中的塵埃、電路板纖維或粉屑、人為取置與輸送過程中留下的污跡、微焊球、焊錫浮渣、與助焊劑反應(yīng)生成物等。它們的存在不僅會影響成品的外觀，還會影響焊接質(zhì)量和電路板的點性能。為了有效地清除助焊劑中所含有的高極性與高離子性的添加劑，鹵化碳氫清潔劑與氯氟碳清潔劑也添加醇類添加劑。在某些特殊功能的清潔劑中則添加乙二醇醚、二氯甲烷、異己烷、丙酮等以改善清潔能力。有機清潔劑也包括：丙酮、甲醇、乙醇等非鹵化物清潔劑，但它們有燃火性，一般只適于液體清洗。需要說明的是，鹵化碳氫是蒙特爾議定書約定限期使用產(chǎn)品。這使免洗膏和無鉛焊錫應(yīng)運而生。免洗膏中含低腐蝕性的助焊劑，或以提高其中金屬成分比例及使用高揮發(fā)性的合成助焊劑制成，它的材料與工藝開發(fā)也是目前電路板結(jié)合研究中熱門題目之一。第六章元器件與基板的結(jié)合6.4連接完成后的清洗6.4連接完成后的清洗3.清洗方法與材料（2）水水是最安全最便宜的物質(zhì)，但以前卻使用得很少，原因很簡單，它不能有效地去除松脂類助焊劑，而且對封裝元器件而言，影響可靠性的最大因素是水的滲透，水一旦為電路板物質(zhì)吸收很難將其去除。第六章元器件與基板的結(jié)合6.4連接完成后的清洗6.4連接完成后的清洗目前使用的水清潔劑有兩種:一種是用于清洗離子性或樹脂類污染物另一種是用于清洗樹脂與其他低極性油脂污染物對第一種清潔劑，是在水中加中和劑或皂化劑。這些添加劑通常為含氨類、胺類或其他堿性化合物的溶液。為了抑制清洗過程中皂化反應(yīng)產(chǎn)生泡沫和降低水的表面張力提升其潤濕性，通常還添加泡沫抑制劑和表面活化劑。對第二中水清潔劑，是在水中添加松油精和非離子性表面活化劑。這種清潔劑呈乳狀，所以稱其為乳狀清潔劑。松油精是一種非極性的，對樹脂有高親和力的有機溶劑。它的燃火性極高，使用時要控制溫度，以防爆炸。IC芯片完成與印制電路板的模塊封裝后，為了使芯片不受到外來環(huán)境因素（濕汽、化學溶劑、應(yīng)力破壞等）影響和后續(xù)封裝工藝的損害，除了焊接點、指狀結(jié)合點、開關(guān)等位置外，通常在其表面涂布一層25～125μm厚的高分子材料涂層加以保護。按涂布保護層的外形，可分為順形涂封(ConformalCoatings)和封膠（Encapsulants）兩種順形涂封所用的材料有：丙烯類樹脂（Acrylic,AR）、氨基甲酸醋樹脂(UrethaneResins,UR)、環(huán)氧樹脂（EpoxyResins,SR）、硅膠樹脂(SiliconeResins,SR)、氟碳樹脂（FluorocarbonResins,FC）、聚對環(huán)二甲苯樹脂(ParyleneResins,XY),聚亞旒胺(PI)等。其中聚亞旒胺和硅膠樹脂為耐高溫保護材料。封膠材料有：酸酐基類環(huán)氧樹脂(Anhydride-baseEpoxies)與硅膠樹脂第七章封膠材料與技術(shù)在順形涂封中所用材料的功能可見講義表7.1。下面就幾種材料作較為詳細的介紹丙硫醋酸類樹脂（AR）氨基甲酸醋樹脂（PU）硅膠樹脂(SR)氟化高分子樹脂聚對環(huán)二甲苯樹脂（XY）丙硫醋酸類樹脂（AR）：這種材料主要化學結(jié)構(gòu)中結(jié)合了光敏反應(yīng)群，故可利用紫外光烘烤完成涂膜的固化。它的抗?jié)裥院徒殡娦院?，但其抗化學溶劑浸蝕性較差，但也就是這一點，它的涂封層易去除可供電路板修補用。第7章封膠材料與技術(shù)7.2涂封材料7.2涂封材