電子封裝課件：焊膏應(yīng)用

焊膏應(yīng)用好的印刷性能

模板刮刀印刷工藝參數(shù)焊膏模板印刷示意圖印刷的要點模板材料一般使用不銹鋼刻蝕模板

化學(xué)蝕刻的不銹鋼模板的制作是通過在金屬箔上涂抗蝕保護(hù)劑、用銷釘定位感光工具將圖形曝光在金屬箔兩面、然后使用雙面工藝同時從兩面腐蝕金屬箔。由于工藝是雙面的，腐蝕劑穿過金屬所產(chǎn)生的孔，或開口，不僅從頂面和底面，而且也水平地腐蝕。該技術(shù)的固有特性是形成刀鋒、或沙漏形狀。刻蝕模板經(jīng)濟(jì)便宜而廣泛應(yīng)用小于0.5mm間距就不適合，孔壁不光滑刻蝕模板電拋光是一種電解后端工藝，“拋光”孔壁，結(jié)果表面摩擦力減少，錫膏釋放良好和空洞減少。它也可大大減少模板底面的清潔。電拋光是通過將金屬箔接到電極上并把它浸入酸浴中來達(dá)到的。電流使腐蝕劑首先侵蝕孔的較粗糙表面，對孔壁的作用大于對金屬箔頂面和底面的作用，結(jié)果得到“拋光”的效果。激光切割模板直接從客戶的原始Gerber數(shù)據(jù)產(chǎn)生，無照相步驟。孔周圍出現(xiàn)“扇貝狀”的外形，造成孔壁粗糙。雖然這會增加表面摩擦力，但粗糙都是在垂直面的方向。模板的制作可以先通過化學(xué)腐蝕標(biāo)準(zhǔn)間距的元件，然后激光切割密間距的元件。這種“混合”或結(jié)合的模板，得到兩種技術(shù)的優(yōu)點，降低成本和更快的周轉(zhuǎn)。整個模板可以電拋光，以提供光滑的孔壁和良好的錫膏釋放。缺點是機(jī)器單個地切割出每一個孔。孔越多，費時費成本激光切割模板內(nèi)壁比刻蝕的要光滑但是成本高小于0.4mm間距效果也不好，尤其對于BGA因為其表面也粗糙不平電鑄成形模板

電鑄成形，一種遞增而不是遞減的工藝，制作出一個鎳金屬模板，具有獨特的密閉特性，減少錫橋和對模板底面清潔的需要。該工藝提供近乎完美的定位，沒有幾何形狀的限制，具有內(nèi)在梯形的光滑孔壁和低表面張力，改進(jìn)錫膏釋放。通過在一個要形成開孔的基板(或芯模)上顯影光刻膠，然后逐個原子、逐層地在光刻膠周圍電鍍出模板。正如圖五中所看到的，鎳原子被光刻膠偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個梯形結(jié)構(gòu)。然后，當(dāng)模板從基板取下，頂面變成接觸面，產(chǎn)生密封效果電鑄成型模板內(nèi)表面最光滑適合于超細(xì)間距的印刷模板厚度

模板厚度取決于最小的尺寸與孔徑間距比，推薦的使用厚度如下：刮刀橡膠或者不銹鋼鍍鎳刮刀：劍形：施加壓力小，適合低粘度焊膏

平形：角度容易調(diào)整，適合各種焊膏方形：施加壓力大，適合高粘度焊膏刮刀問題焊膏涂覆-印刷焊膏涂覆—滴注焊膏涂覆—擠壓接觸印刷細(xì)間距推薦接觸印刷，這是因為在模板和焊盤鍵沒有間隙，不會導(dǎo)致焊膏的流出而弄臟焊盤周圍，減少橋接的發(fā)生。不接觸印刷當(dāng)沒有脫模速度的控制系統(tǒng)時，可以使用不接觸印刷而形成很好形狀的圖形。容易導(dǎo)致焊膏溢出。要控制好刮刀速度和階躍距離。脫模速度

一般說來較慢的脫模速度減小焊膏與模板孔壁的摩擦，可形成較光滑的圖形。建議范圍是0.1～0.5mm/s。 一般的機(jī)器是2步控制系統(tǒng)，很慢地與基板脫離，然后快速抬起。錯位刮刀壓力、速度等刮刀壓力最好設(shè)置到要求的最低水平，以防止模板錯位、刮刀的變形而使得焊劑的滲出以及焊膏溢露刮刀速度從焊膏角度來講較快比較好，因為較快的速度和加大的機(jī)械應(yīng)力會使焊膏觸變性發(fā)揮完全。一般建議在40～100mm/s。清洗的頻率取決于模板開口間距、焊膏性能等。要用專門的擦拭紙和溶液清洗，不可隨意用酒精等擦洗或者浸泡。好的工作性能粘度模板擱置時間模板壽命粘附性抗塌落性粘度

粘度是指材料抗流動的能力，定義為剪切應(yīng)力與剪切速率的比：

=

/

。焊膏是一種假塑性流體。剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系為：

K，a為常數(shù)。若0<a<1,則為假塑性流體。若a>1,則為膨脹體。幾種流體的動特性則

=

/

=K

a-1,于是log

＝A－mlog（－m）為剪切敏感因子粘度的變化（觸變性能）焊膏粘度的變化焊膏粘度的測量錐板式旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒式模板擱置時間定義為焊膏可以閑置在模板上不用攪和，而自己從較高粘度回復(fù)到具有可印刷的較低粘度而具有很好的印刷性，但是其觸變性沒有受到破壞的時間。細(xì)間距使用者對此比較關(guān)注。模板壽命焊膏在模板上連續(xù)印刷而保持適合的印刷性能的時間。影響它的主要因素是觸變性和焊膏的揮發(fā)性。觸變性不好（紅線），粘度就一直下降，最后導(dǎo)致橋接等缺陷。溶劑揮發(fā)太快（綠線），導(dǎo)致粘度上升，粘附模板堵塞網(wǎng)孔。粘附性以及測試用兩個參數(shù)衡量：粘附時間和粘附力。使得焊膏在模板上滾動并可粘固元器件。測試抗塌落性能三種形式的塌落：剪塌：不斷連續(xù)的印刷中剪切應(yīng)力導(dǎo)致塌落。冷塌：室溫下的塌落。熱塌：受熱如預(yù)熱或者回流焊中的塌落塌落細(xì)間距容易導(dǎo)致塌落塌落會導(dǎo)致橋連、錫珠等缺陷影響塌落的因素有很多：如焊劑載體成分、揮發(fā)性、粘度、沸點、觸變劑、松香軟化點、等熱塌塌落的測試（IPC－TM650）測試結(jié)果觀測塌落觀測好的可焊性潤濕性焊料球回流焊曲線潤濕性液態(tài)焊料在對被焊表面（焊盤和元件引腳）鋪展的能力。它是焊接的首要而且必要因素。被焊表面氧化、元器件老化、被焊表面除過錫等情況下要求更高。潤濕性好壞常用潤濕角來表征。潤濕性和表面能（表面張力的值）有關(guān)。潤濕平衡示意圖A＝B＋CCosSA：固相表面張力B：固液界面張力C：液相表面張力S：接觸角潤濕狀態(tài)潤濕與焊接

焊接的好壞取決于被焊物是否能得到良好的潤焊,所以焊點的品質(zhì)也就決定于潤濕性的好壞?；旧?，焊錫能潤焊銅墊或其他金屬，而這些金屬的表面不能被氧化物所覆蓋或沾到其他雜質(zhì)（如灰塵、有機(jī)化合物等),潤濕不好都是被焊物表面不干凈所造成有潤濕不良和潤濕不均。 潤濕不好有潤濕不良和潤濕不均兩種基本情況。潤濕不良（non-wetting）錫無法全面的包覆被焊物表面,而讓被表面的金屬裸露,這情形特別容易在裸銅板發(fā)生，圖中紅色圖形的裸銅布滿整個焊錫面,其圖形的外圖主要是合金的內(nèi)聚力所形成。嚴(yán)重的減低了焊點的耐久性和延展性，降低了焊點的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性。潤濕不均（dewetting）焊錫雖然全面覆蓋整個被焊面,但是此時被焊金屬與錫鉛合金發(fā)生“金屬共熔反應(yīng)”，在焊接表面冷卻的過程中,潤濕性開始減小，而錫的內(nèi)聚性開始增加,原本平整的錫面,因為二者張力不能平衡，所以會有一部分的液態(tài)錫被拉開,而固化成球狀或珠狀。此時焊錫面只有小量的錫鉛合金真正的與被焊物表面達(dá)成金屬于金屬較厚的結(jié)合，至于那些較薄的錫面，肉眼看來是包覆整個裸銅面，但是在高能量的顯微鏡底下，還是常會發(fā)現(xiàn)肉眼看不到的潤焊不良現(xiàn)象。

潤濕性差原因外界的污染：PCB和部件都有可能被污染，污染物包含油、漆、蠟、脂等，這些污染物統(tǒng)稱為雜質(zhì)。埋藏的粒子：外來物質(zhì)埋藏于焊接物表面也會影響潤焊性。嚴(yán)重氧化膜：PCB焊錫面的氧化膜不能被助焊劑徹底清除。合金雜質(zhì)：雜質(zhì)破壞可焊性。對策外界污染：用溶劑清洗埋藏粒子：化學(xué)藥品進(jìn)行整面的蝕刻嚴(yán)重氧化膜：提高化學(xué)活性合金雜質(zhì)：嚴(yán)格控制物質(zhì)質(zhì)量從焊膏角度看對策潤濕性差一般出現(xiàn)在IC和QFP的引腳處，改變對策一般是提高焊劑載體活性。焊劑活性作用原理潤濕性測量A：原始位置B：測試頭剛接觸焊料位置C：測試頭浸入0.2mm，焊料推擠測試頭D：開始潤濕，接觸角為90度E：最大的潤濕F：測試頭與焊料分離點G：原始位置潤濕能力可以定義為B到D的時間間隔曲線比較潤濕性觀測點較好的潤濕性焊料球焊料球有兩種表現(xiàn)形式：小焊球（microball）和錫珠（solderbead）焊料球原因原始焊粉氧化焊接時焊粉氧化塌落印刷時焊膏從模板上遺漏焊膏印刷太多錫珠與焊膏量的關(guān)系對策控制焊膏質(zhì)量（氧化、吸水）減少焊膏印刷量控制焊膏印刷對位精度合理設(shè)計焊盤的布局減少升溫速度和預(yù)熱停留時間焊料球的測試—IPC評判標(biāo)準(zhǔn)）焊料球的測試——結(jié)果回流焊－曲線溫度時間回流焊－曲線解釋01

①段：預(yù)熱基板及器件。在此段吸收熱量過多，故溫度一般設(shè)計得高一點，但這段溫度低于焊劑的揮發(fā)點，上升溫度斜率一般在2-3

C/s。否則溫度上升過快，易引起飛濺甚至引起小器件的豎立（豎碑效應(yīng)）或一頭翹起。

②段：焊劑揮發(fā)干燥階段。溫度一般在140

C-160

C。在此段內(nèi)主要將焊劑揮發(fā)掉，并且揮發(fā)不能太快，還要有足夠的時間讓其揮發(fā)完。故要有較長的平坦段，其寬度應(yīng)在60-120s之間。因此溫度設(shè)計往往低于前溫區(qū)，只需要少數(shù)的能量來供給揮發(fā)焊劑所消耗的能量就行了。

③段：凈化階段。將少量剩余焊劑清除掉，溫度在焊錫熔點以前要使焊劑基本揮發(fā)完，否則在焊錫熔化過程中會引起錫珠飛濺。

④段：焊錫熔化擴(kuò)散潤濕期。溫度在焊錫熔點以上，溫度曲線的尖峰應(yīng)高出焊錫熔點20-50

C，一般尖峰溫度不超過240

C，否則，大部分基材的板子承受不了這樣高的溫度。③④兩段的溫度上升不宜過快，其斜率為1-4

C/s。過快易引起元器件熱應(yīng)力變化過大，造成機(jī)械損傷元器件，或使元器件位移（元件漂?。?。

⑤段：冷卻固化。要求控制冷卻速度，避免冷卻過快而使元器件熱應(yīng)力變化太快，機(jī)械損傷元器件，甚至器件破碎，這種情況對陶瓷封裝器件尤其嚴(yán)重。

⑥段：自然冷卻段。溫度曲線必須根據(jù)印制電路板基材、焊膏特性，特別是焊劑揮發(fā)點溫度、焊錫熔點溫度來設(shè)定；并根據(jù)器件的密集程度、板子大小等與吸熱量有關(guān)的因素來考慮基板的傳輸速度。

溫度曲線的測量

為了得到所需要的溫度曲線，必須根據(jù)印刷電路板工藝要求的溫度曲線反復(fù)調(diào)試出一個理想的基礎(chǔ)曲線，然后根據(jù)實際情況，對曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在溫度調(diào)節(jié)過程中，要考慮前面對后面的累計影響?；鍌鬏斔俣纫矊囟惹€有影響：速度慢、溫度就高，曲線寬度拉長；反之，傳輸速度快，曲線溫度低，寬度也窄。

溫度曲線的敏感性高可靠性表面絕緣電阻電子遷移腐蝕離子殘留表面絕緣電阻（SIR）衡量焊劑殘留物對可靠性的影響。指基板表面兩個導(dǎo)體之間的電化學(xué)過程SIR的測試電子遷移

金屬元素（Sn、Ag、Cu等）在偏壓的作用下由陰極向陽極的細(xì)絲狀生長。焊劑殘留物在高濕度下產(chǎn)生離子，會導(dǎo)致電流的泄漏而發(fā)生枝晶生長。枝晶生長枝晶生長會顯著降低SIR直徑生長最終導(dǎo)致短路枝晶腐蝕無腐蝕腐蝕黑斑測試方法銅鏡腐蝕法離子污殘留污染焊后的電路板浸入去離子水或者異丙醇中，將所得的溶液通過離子圖譜系統(tǒng)來測定，然后轉(zhuǎn)換成NaCl（g/

cm2

）的參量。一般規(guī)定RMA型的焊膏要小于：3.1g/

cm2

好的檢測性殘留物在線探針測試殘留物殘留物的水平與焊膏中焊劑載體固含量（不揮發(fā)物質(zhì)）相關(guān)。殘留物顏色要淺。殘留物膜要透明而硬度適中。白色殘留物問題互連焊料表面乳白色（帶藍(lán)色）的污濁物或者是綠油表面的一層粘性很強(qiáng)的薄膜。焊膏的副產(chǎn)品——錫和鉛的金屬鹽。這些鹽呈惰性、而且不溶于水，比較穩(wěn)定。這些殘留物的性能和數(shù)量取決于焊接和清洗的工藝條件。色殘留是焊劑殘留物和濕氣反應(yīng)而導(dǎo)致的。

形成機(jī)制焊劑中的活性劑一般是含有鹵數(shù)的有機(jī)化合物和有機(jī)酸，它們和焊料以及被焊表面的Sn、Pb、Cu、Zn等金屬氧化物反應(yīng)，生成不溶于水的金屬鹽。

熱暴露的增加會導(dǎo)致焊料和板子的表面可見的殘留物增加，從而氧化物增加，于是在焊劑發(fā)揮活性的過程中形成的金屬鹽也增加。而水溶性的殘留物又因為蒸發(fā)而減少，于是金屬鹽周圍沒有水溶性的殘留物，容易黏附在焊料和板子上。

水溶性焊膏容易發(fā)生對策預(yù)熱或者浸漬對于白色殘留物的形成很重要。焊膏中粉末的表面積是液態(tài)熔池的數(shù)量級倍，則氧化物的形成也會增加。應(yīng)該避免在140℃左右停留時間過長。對于63Sn37Pb焊料，應(yīng)該避免大于230℃，停留時間大于75s。清洗時要選用48℃的水溶液溫度，而不要超過60℃。焊接后應(yīng)該很快地清洗，理想狀態(tài)是小于30分鐘，不要超過8小時。因為即使在室溫，在活性殘留物的存在下，金屬鹽也能形成，而水溶性殘留部分也會蒸發(fā)。

在線探針測試性探針粘附殘留物膜開裂散開焊膏應(yīng)用常見問題及解決印刷：

焊膏刮掉 焊膏過剩 毛刺翹起 溢流 沉積不足 焊膏發(fā)干焊接：

橋接 焊料球 錫珠 立碑 潤濕性差焊膏刮掉刮板壓力太大，將頂部焊膏刮掉焊膏粘刀調(diào)整刮刀壓力焊膏過多刮刀壓力太小，焊膏殘留太多調(diào)整刮刀壓力毛刺翹起模板分離速度太快調(diào)整模板分離速度溢流焊膏流變性差減小刮刀壓力檢測對位是否精確確保模板張力以及使用接觸印刷使模板開孔小于焊盤尺寸確保印刷溫度增加模板底面的擦拭頻率控制刮刀速度以不破壞觸變性焊料沉積不足模板開孔部分堵塞減小模板分離速度減小刮板壓力，如果壓力過大，過多的顆粒進(jìn)入到一個孔里，脫模的時候摩擦加大，使得焊膏被帶走粘刀不斷印刷過程中焊膏揮發(fā)太快導(dǎo)致粒度上升印刷溫度太高使用新鮮焊膏調(diào)整印刷參數(shù)使得焊膏在刮刀提起來之前與模板“潤濕”控制溫度低于25度焊膏發(fā)干控制焊膏的印刷溫度不要太高使用新鮮焊膏使用質(zhì)量更好（“保濕”性好）的焊膏橋接的產(chǎn)生原因焊膏過多（第146張幻燈片）焊膏溢流（見148）焊膏塌落（見94）元器件或者焊膏放置錯位貼片向下過度焊料抽芯橋接—錯位橋元件貼放錯位以及焊膏沉積錯位橋接—貼片橋接—抽芯在熱風(fēng)對流的焊接中，由于銅焊盤面積大，導(dǎo)熱率高，所以散熱快。IC塊體散熱也快，所以其溫度高低如圖所示。引腳最先到達(dá)焊料熔融溫度，從而焊料堆積到引腳周圍而隨引腳上升，最終在引腳的根部與相鄰的焊料相連。抽芯現(xiàn)象抽芯對策錫珠焊膏跑到芯片底部而形成小球。原因前面以述（第116張幻燈片）錫珠示意圖及對策減小模板厚度或者開孔尺寸以減少焊膏沉積量焊料小球立碑示意圖T1：元件自重力T2：左邊底部焊料的表面張力T3：右邊焊料的粘附力T4