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电子组装中“枕头”缺陷的解决方案

时间:2014-05-30 08:48:19 来源:鼎华科技 点击: 2475次

电子组装中枕头缺陷的解决方案

枕头缺陷可以通过严格的工艺控制和优质的焊接材料来解决。

电子制造业一直忙于迎接RoHS符合和无铅焊接,以及产品持续的多功能化和小型化发展带来的挑战。超细间距和面阵列器件的广泛应用给印刷工艺及助焊剂技术带来了各种挑战,例如此类器件间距和尺寸的减小带来的枕头缺陷(HIPhead-in-pillow)就是一个新问题。

供应问题
由供应问题(supply issues)所造成的枕头缺陷问题可以在BGACSPPoP封装器件在产线组装之前被确定,这包括在制造、器件包装、运输/存储过程中焊球的氧化问题。产品制造商或组装者很难进行控制,但是必须了解并采取预防性措施,以尽量减少这类问题的产生。

一种不为人所共知的,由制造过程所产生的银熔析(silver segregation)现象可能是产生枕头缺陷的原因。银熔析是指焊料内的含银金属化合物在焊球冷却过程中迁移到焊球外表面的现象。在一些案例中,焊球表面的银含量测试结果高达35%。焊球表层的高含量银层会在元件焊接过程中改变整个浸润和回流的动态过程。银熔析会导致焊球的熔化不良,使得焊球不能与焊膏的主体部分熔接在一起。银熔析的机理目前我们还没有完全掌握,但可以从对冷却过程的控制入手进行研究。

另一个与供应相关的问题是封装上焊球的氧化。焊球的氧化主要发生在器件的储存过程中,其中包括恒温恒湿(MSL)箱和惰性气体干燥箱储存、烘烤和器件在线等环节。惰性气体和恒温/恒湿存储大多数情况下是可控的,能够防止氧化和/或氢氧化物的产生。器件的烘烤过程可能而且通常会使焊球发生氧化。

工艺问题
由组装生产线设置而产生的枕头缺陷被归结为工艺问题。其中包括印刷机设置、贴片设置和回流焊接等。如果焊膏印刷机没有被设置好,那么印刷工艺就无法有效运作。与焊膏特性不相关的印刷问题包括:定位不良、不完善或不正确的印刷机参数设置和较差的钢网设计。在印刷过程中电路板放置不当也会造成不良的或不一致的脱模率。定位不良会导致印刷偏移出焊盘或抽出(pump-out)其重要。印刷机设置的最后一个重要方面与电路板的支撑和电路板与钢网之间的衬垫(gasketing)有关。为了防止这一点,确保电路板跟钢网之间没有间隙是很重要的。在某些情况下,会要求采用专用的真空板支撑,从而获得最佳的衬垫和定位作用。

在所有的工艺问题中,钢网设计可能是最重要的。不良的钢网开孔会导致焊膏沉积不足,这会造成元件跟焊膏接触不良或者没有足够的助焊剂来消除焊球表面/焊膏内的氧化物。面积比以及脱模率在这里起着巨大的作用。虽然钢网可以使焊膏量有一定增加,但这通常是焊膏本身造成的差别。把钢网的具体参数输入到焊膏测量系统,该系统就可以计算出焊膏的理论沉积量,然后通过测量实际的焊膏量并计算得出一个百分比(脱模率)。

确保高的脱模率
不一致或低的脱模率会降低焊盘上的总的焊膏沉积量,因此,可能导致了助焊剂的润湿不足,并因此造成枕头缺陷的发生。脱模率(图2)成为目前非常值得我们用科学方法加以研究的一个项目(从统计学角度)。此外,还有一些变量会影响脱模率,如钢网类型、环境条件和焊膏本身的特性等。室内温度有时包括湿度也会影响脱模率,因为当焊膏的温度变高时会导致其粘度降低;对于水洗类焊膏来说,湿度同样会有影响,可能会导致冷塌陷的发生。

测量脱模率可以成为确保获得最大焊膏量的有效途径,但脱模率只能在变量已被纳入考虑后测量。正是焊膏沉积量的变化才能显示出缺陷率的变化。过多变化的后果是导致超细间距的器件缺陷等级上升的原因之一。

针对所有应用不会有一个单一的答案,因此必须检查每一个焊膏印刷的工艺过程。只有这样,才能定义出脱模率的上、下规格界限。每个单一过程会有一个不同的脱模率下限,且必须通过试验来确定。例如,要定义出影响焊膏高度的变量,在实际印刷过程中需要排除由于外界变化所出现的所有其它因素。较为常见的一些变化因素是跟电路板和刮刀有关。由于焊膏脱模过程中对这些基本特性进行了改进,焊膏高度的变化就可以被减少到最小,缺陷等级也将下降。

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回流
大多数的枕头缺陷产生在回流焊接工序,而这是一个平衡的过程。一个好的温度曲线是介于太少跟太多的中间点。回流过程中,器件受热变形时一侧,或者对应的另一侧(普林格尔效应,Pringle effect”马铃薯片,potato chip”)甚至角部或中心区域会抬高。仔细阅读元件制造商的推荐资料并确保其回流温度不超过最大工艺能力的限制是非常重要的,这也是为什么OEM打电话说当他们更换了一种焊膏后发现枕头缺陷减少了的原因所在;经过推荐使用较低的峰值温度并检查器件的资料,他们发现多年来一直用过高的温度在生产。

通常情况下,回流温度曲线的设置可以为现有焊料和器件提供了最大可能的温度拉升范围,但是针对枕头缺陷的预防可能需要进行调整。除此之外,一些次要的目标是好的润湿、固态金属间化合物的形成、均匀焊点以及细小而紧密的晶体结构(图4)。所有这些都是通过回流过程控制来实现的。

回流过程中有四部分可以调节,以减少枕头缺陷。它们是升温斜率、液态时间(TAL)、峰值温度和降温速率。每一部分对最终的焊点结构都有着不同的影响,而且每一个因素都很重要。

枕头和葡萄缺陷:关联缺陷
分成四个部分的回流过程的第一步是升温斜率,它对金属间化合物的形成具有很重要的作用。升温斜率,也就是从室温到峰值温度的过程,应注意的几个原因如下:升温斜率决定助焊剂的铺展与挥发,就像有一只黑手操纵着枕头、葡萄缺陷及氧化物的形成。一个缓慢的升温过程可以使更多溶剂挥发出来,或放气,这样可以使助焊剂更贴近所接触的区域,减少溅锡和塌陷,也提供了足够的时间使助焊剂的溶剂尽量全部挥发,从而减少空洞以及保持电路板的温差(ΔT)小于10C。然而,这个额外的时间可能对一些易受影响的要点问题产生不利影响,特别是造成器件可焊端与基板镀层,以及焊料合金本身的氧化。

形成枕头和葡萄缺陷的另一个原因是回流时间的延长使助焊剂消耗过多。不完全结合或葡萄缺陷(图5)是助焊剂消耗过多的另一个副产品,并且数量不断增加。回流过程中当锡粉的外表面已经失去了助焊剂的保护并且没有熔进焊膏的主体时,葡萄现象就会发生,这就产生了一个不光滑的表面,类似于葡萄。当助焊剂消耗过多发生在BGACSP上的时候,它看起来就是一个枕头缺陷。

在有表面葡萄现象的焊点切片中可以看到,其湿润性、金属间化合物层以及张力强度等都没有受到影响,并且电气性能得以维持。这表明,葡萄现象仅仅只是表观的。然而,制造商仍然应该尽量避免葡萄现象的发生,因为质检人员通常会把这误判为不正常的焊点,如冷焊或者其它缺陷,而且视觉检测设备也会把此类焊点误判成缺陷焊点并进行报告。

翘曲
归结于供应商的另一个主要问题是BGA元器件的完好性(integrity)。在产品制造的回流焊接过程中,元器件的完好性不足会使元器件发生翘曲,而这是造成枕头缺陷的主要原因之一。如果BGA在焊接过程中开始变形,焊球就会与焊膏失去接触,从而不能浸润到整块焊锡。元器件的封装设计、材质和完好性都可能造成器件的翘曲。新的封装器件在应用到生产之前,应该进行内部验证测试,以了解其在生产过程中的潜在翘曲问题。

液态时间(TAL)和峰值温度对枕头缺陷有同类影响。将液态时间(TAL)和峰值温度合并成总热量输入比较合理,因为可以用更长的液态时间和较低的峰值温度,也可以用更高的峰值和较短的液态时间。正因为如此,他们可以一起在回流过程中发挥着最为关键的作用。关键点是热量!热量是形成金属间化合物和均匀焊点的关键,再加上适当的助焊剂活化作用。也正是这种热量输入使得BGACSP封装发生翘曲,从而导致了枕头缺陷的发生。

冷却是防止不良焊点的最后一步,这是因为冷却速率控制着焊点中金属晶格结构的形成。越小、越紧密的晶格结构,焊点的强度会越高。由于焊点断裂时会沿着晶格的水平方向延伸,因此晶格结构越长、越大、越稀疏,则越容易开裂。焊点是否致密可以通过视觉检查焊料回流焊后焊点表面的光洁度来判断。

物料问题
由于焊膏或者助焊剂性能不佳所造成的枕头缺陷被列为物料问题。其中包括标准开孔的脱模率低、浸润力不足(助焊剂)、低的抗氧化性和活性等。解决枕头缺陷的关键是让每个焊球能与焊接材料充分接触并一直维持着接触,主要是与焊膏的接触。如果焊膏本身性能就很差或脱模率不一致,我们又如何知道哪些焊球未与焊膏接触呢?低的面积比可以解决很大的脱模问题,尤其是当钢网没有做电抛光或是非电铸(E-Fab)的,你必须使焊接材料与工艺过程及钢网设计配套。

焊膏的另一问题是助焊剂的作用过程。分三个部分:活化、抗氧化性及延长钢网/粘性寿命。高活性是一个明智的选择,因为这是助焊剂中的有用部分,可以去除焊球及焊料中的氧化物。抗氧化性,例如助焊剂中高含量的松香,是很有效的,可以防止合金形成新的氧化物,这意味着将有更大的活性来防止器件的氧化。此外,抗氧化性也增加了粘性,这对于防止枕头缺陷的产生是非常有帮助的。如果焊膏一直维持着粘性,即使器件翘曲,焊膏也会延伸并保持连续性,因而在回流时焊膏和器件会始终维持一个整体并形成单一合金。

此外,还有一些额外的方法增加抗氧化性及活性,如氮气回流或增加助焊剂/焊膏浸蘸工艺。氮气回流可以预防在回流过程中增加氧化物的形成,但不会去除器件上已有的氧化物和氢氧化物。助焊剂或焊膏浸蘸是可行的选择,因为这直接在器件上增加了活性物质,而不是等着板子上的助焊剂来去除。此外,助焊剂和焊膏也可以用于后道的返工。当然,物料的解决方案可以同时克服供应问题及工艺问题,如使焊膏与工艺匹配。

材料测试
新的测试程序已经可以用于开发解决枕头缺陷的焊膏。一种使焊球溶入焊膏的新方法似乎值得进一步研究。看起来,如果助焊剂有足够的抗氧化性,即使是熔化的焊锡(图6)也能得到益处。在最近的测试中,在焊料熔化一段时间后,焊球能够很好地与其结合形成良好的焊点,并且在消除枕头缺陷的测试中也表现良好。

已被证明有用的其它测试包括:一个全面的粘力测试,其中不仅仅决定了峰值力,也包括粘性。粘性是在粘力变成“0”之前焊膏所延伸的总长度,换句话说,就是焊膏在断开之间所伸的长度。

这一点很重要,因为长久的粘性可以允许器件有更大程度的翘曲,同时仍保持着大部分焊膏在电路板上接触。

这将确保在焊膏液化时,两端焊膏仍保持着电气和物理接触。在电路板焊盘和焊球表面维持着接触是非常必要的。从技术上讲,如果这两个表面没有分离过,那就不会形成枕头缺陷。

结论
通过失效分析和实践证明,已确定有两个主要原因会造成枕头缺陷(HIP),就是润湿不良和翘曲。将整个组装线分开来分析,可以确定有以下三个方面造成了这些原因:供应,工艺和材料。

用户最难控制的就是供应链问题。器件制造商提供的BGACSP可能始终会有变形的倾向或没有适当的控制措施去减少焊球的氧化。因此,用户必须确保产品在生产装配过程中对制造工艺和控制过程都进行优化。

用统计学来审查和调节工艺过程有以下两个重要目标:首先,从外部针对工艺过程的每个部分(注意做到每个细节)进行分析,可以大幅度增加对工艺过程的理解。其次,利用这些数据来消除工艺过程本身的问题,同时简化流程的每一步,并消除冗余,增加流量,节省成本;同时,将缺陷降到最低化并且良率得到提升。印刷过程需要优化,因为这里可以追溯到大多数焊料问题,因此建立起成功优化的基础。一旦一致的印刷工艺得到保证,那么其它问题,如葡萄和枕头缺陷,就能通过优化回流参数或选择合适的焊膏来解决,而这类焊膏就是具有一个增强型的抗氧化性、更长的粘性寿命或者更佳的浸润性能。

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什么是枕头缺陷?

枕头现象是回流焊后球栅阵列(BGA)、芯片级封装(CSP)或层叠封装(PoP)的焊球与焊膏之间不能完全熔合形成焊点的一种缺陷。由于某些原因,印制电路板(PWB)上所印刷的焊膏和封装器件的焊球没有熔接到一起形成一个整体。乍一看,好像有一层膜在熔融焊料的表面,阻止了焊膏与封装焊球的结合。事实上,可能真是如此,因为在有些案例中,熔融焊料的表面好像有一层氧化膜;在其它情况下,似乎在冷却前,当翘曲恢复时,熔融焊料的表面已经足够冷并阻止其与焊球再次接触时进行融合。切片检查发现,它看起来就像一个头完全被压进了一个软的枕头中(图1)。

枕头缺陷正是如下原因造成的:浸润不良和器件的翘曲。这两个原因很难通过检查加以区分,但可以被识别出来,因为随机发生的枕头缺陷是由润湿不良造成的,而器件变形造成的缺陷则发生在边缘或中心位置。浸润不良或翘曲的原因可以被分成以下三个可能的因素:供应、工艺和材料问题。

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References:
[1] Jensen, T.S. (2008). The Graping Phenomenon: Improving Pb-Free SolderCoalescence Through Process and Material Optimization. Indium Corporation, 1676Lincoln Ave. Utica, NY 13502.
[2] Koki Company Ltd. (2006). Development of Anti-Hidden Pillow Defect Lead FreeSolder Paste. Koki Company Ltd, c/o Topline, 7331A Garden Grove Blvd., GardenokGrove, CA 92841.

关于作者:Mario Scalzo是铟泰公司高级技术支持工程师,CSMTPE6-六西格玛黑带。(本文于20104月在IPC APEX首次发表)

 

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