焊球的形成機理及去除方式研究

(中國電子科技集團公司第二十四研究所,重慶 400060)

混合集成電路具有體積小、重量輕、可靠性高的特點,廣泛應(yīng)用于航空、航天系統(tǒng)中。高可靠的混合集成電路必須要經(jīng)歷一系列的嚴格篩選考核試驗,其中一項就是可作為100%篩選試驗的顆粒碰撞噪聲檢測(PIND)試驗[1],這是混合電路檢測中使用最廣泛的試驗項目之一,PIND是將混合電路安裝在有聲音耦合材料的換能器上,沖擊振動混合電路,它能有效地檢測混合電路中的松動顆粒。中華人民共和國國家軍用標準GJB 548B—2005方法5011中對吸附劑材料吸附粒子的機械牢固性試驗所用顆粒明確為三種(見圖1):

(a) 球狀焊料顆粒: 直徑 76.2 ～ 152.4 μm,2粒;

(b) 鋁條: 尺寸約為厚50.8 μm,寬127 μm,長254 μm,1 條。 可用一根直徑為 50.8 ～152.4 μm的鋁絲代替;

(c) 金絲: 直徑 25.4 μm、 長 0.4 ～ 0.5 mm,1根。

圖1中的兩個焊球的直徑都為100 μm左右,直徑與構(gòu)成焊膏的合金焊粉相當,它不同于SMT過程中常見的缺陷——錫珠,錫珠的直徑為0.2～0.4 mm,為焊球的20倍以上。另外的不同點是錫珠形成后絕大部分是固定不動的,而焊球是可移動的。就危害而言,錫珠會直接影響電子產(chǎn)品的外觀、造成電路短路[2]。焊球由于尺寸過小,不借助顯微鏡難以被發(fā)現(xiàn),不會直接影響電子產(chǎn)品的外觀。但是其作為一種微小可移動的金屬顆粒,同樣會造成電路短路,更會直接造成混合集成電路顆粒碰撞噪聲檢測(PIND)失效。

圖1 機械牢固性實驗顆粒Fig.1 Particles for mechanical robustness experiments

錫珠因其肉眼可見的尺寸和危害性早已引起人們的關(guān)注,作為回流焊工藝中常見的缺陷,已有很多文獻對其形成的原因及控制方式進行論述。但難以被肉眼發(fā)現(xiàn)的焊球卻沒有引起廣泛的重視,相關(guān)的文獻報告極少,本文針對工藝中常見的焊球問題展開研究,結(jié)合工藝實驗對焊球形成機理和吸附機理進行了探討,并提出了一種可有效去除焊球的方法。

1 焊球的形成機理

焊點周圍產(chǎn)生焊球的原因有多種,主要原因可以歸結(jié)為兩點,一是焊膏的合金焊粉表面氧化嚴重,助焊劑未能及時有效除去其上的氧化層,使得回流時個別焊粉顆粒未能與其他合金焊粉熔為一團,在焊膏收縮為焊點時沒有一同收縮,留在了原位置形成了獨立的焊球;另外一點原因是焊膏中助焊劑吸濕使焊膏在回流時發(fā)生飛濺,在焊點的周圍形成焊球。

電子電路互連與封裝協(xié)會標準IPC-TM-650測試方法手冊2.4.43給出了焊球測試的試驗方法和測試標準。圖2是該手冊給出的焊球測試標準,其中的圖2(a)給出了一種焊球測試的最佳結(jié)果,在圖片中幾乎看不到任何一顆焊球;圖2(b)顯示在焊點周圍存在一圈不連續(xù)的獨立焊球,這種結(jié)果不是最佳但也是合格的;圖2(c)中存在呈現(xiàn)團簇聚集的焊球,是不合格的;圖2(d)中的焊球在焊點周圍呈現(xiàn)連續(xù)的團簇分布,是最差的結(jié)果。該試驗從質(zhì)量上檢驗了在回流焊接過程中焊膏的濺落情況,目的是測定焊膏中焊粉的氧化程度和夾雜的水汽,評價焊膏回流的性能。圖2中與焊點形成同心圓的焊球,主要是焊粉氧化造成,遠離焊點的離散焊球是焊粉飛濺造成的。

根據(jù)IPC-TM-650中提供的方法設(shè)計了試驗,首先在0.2 mm厚的鋼板上打三個直徑為6.5 mm、中心點間距為15 mm的圓孔用作印刷鋼網(wǎng),將試驗用焊膏印刷至氧化鋁陶瓷基板上,燒焊以后在20倍或者更高倍數(shù)的顯微鏡下統(tǒng)計其形成的焊球數(shù)量,然后根據(jù)焊點個數(shù)計算其平均焊球數(shù)量,制成圖表。本文中所有的試驗皆按照該測試方法進行,而焊膏是根據(jù)不同的試驗?zāi)繕诉x擇相應(yīng)的焊膏。

圖2 IPC-TM-650 2.4.43方法中的焊球測試標準Fig.2 Solder ball test standards of IPC-TM-650 2.4.43

1.1 合金焊粉尺寸對焊膏焊球特性的影響

焊膏按照合金焊粉的尺寸大小來分類可分為六種類型,J-STD-006《焊錫合金成分和檢驗標準》中給出的分類標準如表1所示[3]。粉徑在25～45 μm之間的Type 3型焊膏在應(yīng)用中使用最為廣泛,但目前由于表面貼裝工藝正在逐漸向微型化、精細化方向發(fā)展,0201/01005封裝元件的大量使用,使得粉徑在20～38 μm之間的Type 4型焊膏及粉徑在15～25 μm之間的Type 5型焊膏的應(yīng)用也在逐漸增多,但更細粉徑的Type 6型焊膏鮮有應(yīng)用。

表1 J-STD-006粒度分布要求Tab.1 Particle size distribution requirements of J-STD-006 μm

為了結(jié)合實際應(yīng)用,研究焊粉尺寸對焊膏的焊球特性的影響,從粉徑尺寸在45～75 μm之間的Type 2型焊膏開始至Type 5型焊膏結(jié)束,四種粉徑的焊膏各選了一種用于對比試驗,為了避免其他因素給結(jié)果帶來的干擾,這四種粉徑的焊膏皆為同一廠家生產(chǎn)的同一系列含鉛焊膏,樣品編號分別由其粉徑類型Type 2～Type 5標識。試驗后焊球數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果見圖3。

圖3 不同類型焊膏的焊球數(shù)量Fig.3 Number of solder balls of different types of solder paste

圖3結(jié)果表明合金焊粉的尺寸越小越容易形成焊球,分析原因為構(gòu)成焊膏的合金焊粉的尺寸越小,其總體的表面積就越大,越容易被氧化,在燒焊的過程中更容易形成焊球。除此之外合金焊粉的尺寸越小,重量就越輕,就越難以抵御回流時焊膏中的水分汽化產(chǎn)生的外推力,因此更容易飛濺形成焊球。

1.2 鉛對焊膏焊球特性的影響

SnPb焊膏因技術(shù)成熟,具備其他焊料無法比擬的優(yōu)點,長期以來一直被廣泛地應(yīng)用于電氣電子產(chǎn)品中[4],但由于金屬Pb會對人體和環(huán)境帶來危害,因此現(xiàn)在無鉛焊膏正在逐步替代傳統(tǒng)的含鉛焊膏[5]。目前已成功開發(fā)并已廣泛使用的Sn-Ag-Cu無鉛焊膏,其主要性能已接近SnPb焊膏[7],但由于其合金組分的不同,這兩種焊膏熔點差別很大,SnPb焊膏的熔點在180℃左右,Sn-Ag-Cu無鉛焊膏的熔點在220℃左右。

研究鉛對焊膏焊球特性影響時,選擇了應(yīng)用最廣泛的Type3型焊膏為研究對象,從市場上選取了五種SnPb焊膏和五種Sn-Ag-Cu焊膏,分別對應(yīng)的編號為含鉛樣品1～含鉛樣品5、無鉛樣品1～無鉛樣品5,通過試驗對其焊球性能做了對比,圖4中對比結(jié)果顯示,含鉛焊膏的焊球特性整體優(yōu)于無鉛焊膏。

造成這種區(qū)別的原因是由于無鉛焊膏自身的熔點較高,燒焊時需要更高的焊接溫度,使其金屬焊粉更容易氧化。其次由于無鉛合金的潤濕性差,對焊劑的活性有更高的要求,回流時助焊劑更難以去除金屬焊粉上的氧化層。

圖4 有鉛焊膏與無鉛焊膏產(chǎn)生的焊球Fig.4 Solder balls produced by lead or lead-free solder paste

1.3 印刷后靜置時間對焊球的影響

焊膏的存放方式是密封冷藏保存,焊膏生產(chǎn)廠家推薦的保存溫度一般為0～15℃。溫度過高的話,焊劑會與合金焊料粉起化學(xué)反應(yīng),使焊膏粘度上升影響其印刷性;溫度過低(低于0℃),焊劑中的松香會產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象,使焊膏的性狀惡化。因此在焊膏使用時為了避免低溫狀態(tài)下的焊膏吸濕,都要在室溫下靜置足夠長的時間,讓焊膏回溫至室溫時,方可攪拌使用。

焊膏在使用過程中也會受環(huán)境的影響逐漸吸收水分,為此很多印刷設(shè)備都具有加裝恒溫恒濕器的功能,以便對此進行控制。但是焊膏在印刷后至燒焊前的這段時間內(nèi)完全受外界環(huán)境影響,難以得到有效控制。

選用圖4中最易產(chǎn)生焊球的三種含鉛焊膏(含鉛樣品1、含鉛樣品4、含鉛樣品5)及三種無鉛焊膏(無鉛樣品1、無鉛樣品2、無鉛樣品5)作為研究對象,分別對應(yīng)的樣品編號為焊膏1～焊膏6(見圖5,圖6、圖8中焊膏1～6樣品選取方式相同),通過試驗對比了印刷后不同靜置時間產(chǎn)生的焊球數(shù),圖中結(jié)果表明無論焊膏是否含鉛,隨著焊膏印刷后靜置時間的增加,其產(chǎn)生的焊球也會隨之增多。

造成該現(xiàn)象的主要原因是焊膏在印刷后靜置過程中逐漸吸收了環(huán)境中的水分,回流時水蒸氣造成焊膏飛濺。還有部分原因是靜置時間的增加也會造成焊膏中助焊劑的有效成分揮發(fā)量增多,引起助焊劑去氧化能力減弱,使得焊球更易形成。

圖5 印刷后靜置不同時間產(chǎn)生的焊球Fig.5 Solder balls generated at different time after printing

1.4 氮氣對焊球的影響

焊膏回流焊過程也是焊球產(chǎn)生的一個重要環(huán)節(jié),首先要確?；亓髑€設(shè)置合理,避免升溫速率過快,引起助焊劑自身汽化過程造成焊球飛濺;其次在回流過程中是否充氮氣也是極為關(guān)鍵的一個影響因素,圖6中是焊膏1～焊膏6樣品在不同氮氣回流條件時的焊球?qū)Ρ惹闆r,圖中結(jié)果表明充氮氣可有效降低焊膏產(chǎn)生的焊球數(shù)量。

原因是回流過程中充氮氣可有效避免焊膏氧化,降低金屬氧化度,在焊接時合金顆粒末結(jié)合阻力越低,焊膏越容易一同收縮,形成的焊球越少。

1.5 小結(jié)

焊球的產(chǎn)生主要是由焊膏吸濕飛濺和氧化造成,解決該問題可針對性地從這兩個方面入手,焊膏的粉徑、是否含鉛、印刷后靜止時間、是否充氮氣都因這兩個機理的作用對焊球的產(chǎn)生造成了影響。

圖6 氮氣對焊球產(chǎn)生的影響Fig.6 The effect of nitrogen on the solder balls

此外在工藝生產(chǎn)中焊膏印刷時及時擦拭印刷鋼網(wǎng)背面,也是控制焊球產(chǎn)生的尤為重要的環(huán)節(jié)。一旦印刷鋼網(wǎng)背面被焊膏沾污,印刷時這部分焊膏受力擠壓,會直接呈分散狀態(tài)沾污至基板上,分散的焊膏回流時自然就難以與其他焊膏一同形成焊點,更容易形成獨立的焊球。隨著噴印技術(shù)的發(fā)展,焊膏噴印也在被逐步采用,由于采用噴射的方式將焊膏點涂至基板上造成這種技術(shù)容易產(chǎn)生散點,這些分散的散點也會因相同原因在燒焊后形成焊球。

2 焊球產(chǎn)生后的去除

焊球產(chǎn)生之后,首先是包裹在助焊劑里的(圖7(a)),想要去除必須先將助焊劑清洗干凈,但并不表示助焊劑清洗完成后,焊球就會一同消失。圖7(b)是采用氣相工藝清洗后的樣品,可以清楚看到焊球并未消失,在50倍鏡下目檢這部分焊球,發(fā)現(xiàn)上面已無任何助焊劑殘留,采用細針碰觸,發(fā)現(xiàn)其在細針的推動下可以在基板上快速滾動,但不會脫離基板,因此推論其吸附機理為靜電吸附。想把這部分焊球去除下來,可以采用施加機械力的方式實現(xiàn)。

高壓氮氣槍吹洗電路表面,是一種可有效清理可動顆粒的方法[7]。將氣相清洗后的焊膏1～6樣品置于空氣中靜置12,24,48,60 h后,采用氮氣槍吹焊球。圖8中的結(jié)果顯示,靜置時間過短靜電力沒有得到釋放時,高壓氮氣對焊球的去除效果較差;隨著靜置時間的延長,基板上的靜電逐漸得到釋放,氮氣吹洗對焊球的去除效果逐漸提高;待靜置60 h后,基板靜電得到充分釋放后,采用氮氣槍已基本可以將焊球全部去除。

圖7 焊球?qū)嵨镎掌現(xiàn)ig.7 Photos of solder balls

圖8 靜電釋放不同時間后焊球的去除效果Fig.8 Removal of solder balls after static discharge for different time

3 結(jié)論

通過對焊球形成機理的分析和試驗驗證,論證了焊球形成的主要因素是焊膏吸濕及氧化,因這兩種機理的作用以下4點會對焊球的產(chǎn)生造成影響:

(1)合金粉徑越小的焊膏因整體表面積較大易氧化,容易產(chǎn)生焊球;

(2)無鉛焊膏因自身熔點高,合金潤濕性差,容易產(chǎn)生焊球;

(3)印刷完后焊膏靜置時間過久易吸濕,容易產(chǎn)生焊球;

(4)回流時充氮氣可以降低合金焊粉的氧化度,可抑制焊球的產(chǎn)生;

焊球產(chǎn)生以后需先將其上的助焊劑清洗干凈,方可采用施加機械力的方式去除,無助焊劑包裹的焊球在基板上的吸附機理為靜電吸附,待其上的靜電得到釋放后,可采用高壓氮氣槍吹洗的方式有效去除。