焊膏涂覆工艺选择对CCGA焊接的影响研究

Zjianeng

摘要: 首先从焊膏材料特性、涂覆形貌、贴片形貌、焊接形貌等方面, 对比研究了喷印和丝印两种焊膏涂覆工艺; 并通 过 CCGA 器件焊接对比分析了焊膏涂覆选择对焊点可靠性的影响。结果表明:焊膏材料特性包括粒径、合金含量和焊膏黏度 等对涂覆工艺的选择至关重要。在涂覆形貌上, 丝印焊膏因其颗粒度大, 助剂少, 相比喷印焊膏有更好的形貌稳定性。采用 KH-7700显微镜、X-ray 探测和金相剖切对焊接结果进行检验, 两种涂覆工艺及其材料均呈现良好的焊接形貌和均匀连续的 金属间化合物结构, 证明了两种焊膏涂覆工艺焊接 CCGA 器件的可靠性。

关键词: 焊膏涂覆工艺; 陶瓷柱栅阵列器件(CCGA); 可靠性因素分析;

近年来, 航天型号任务的高密度发射, 型号任务量激增, 进度急、周期短已经成为航天电子装联的行业现状, 提升产能、提效生产已经成为航天电子装联必须解决的课题。同时, 随着航天器电子产品日益向小型化、轻量化和高可靠方向发展, 装联 组装密度的提高,也对电子装联过程的精细化控制提出了越来越严格的要求。尤其对表贴器件而言, 以宇航产品用球栅阵列器件、陶瓷柱栅阵列器件(以下简称: CCGA) 等高密度、细间距器件为例, 因其装联密度越高, 器件间距和焊盘之间的间隙越小, 对焊膏涂覆工艺的选择提出了越来越高的要求。

传统的焊膏涂覆工艺是采用与印制板相匹配的钢网漏板, 并配以设备和刮刀实现焊膏涂覆。此种涂覆操作涂覆位置和厚度可控, 但是受刮刀形状选 择、力量控制以及掩膜、钢网选择等多种参数影响, 且钢网需要与印制板一一对应, 对于航天小批 量、多品种产品而言, 操作效率低且不可以重复使 用[1-2] 。

面临产能提升需求, 自动式焊膏喷印设备进入电子装联领域, 焊膏喷印工艺作为非接触焊膏涂覆工艺, 通过压力将焊料喷出实现焊膏涂覆。 相比于钢网印刷工艺, 焊膏喷印涂覆工艺作为焊膏印刷的 新兴力量, 将焊膏印刷的模板劣势有力补足, 其操作过程仅需要 Gerber 电子文件输入软件操作, 具有灵活性强、适用性广、可重复操作且无需钢网制定的优点[3-9] , 有效地拓展了焊膏在异形焊盘和微形焊盘领域的使用。

当前基于喷印焊膏涂覆工艺的研究多集中于喷印技术分析、 喷印参数研究, 对于喷印焊膏焊接性能的相关研究报道较少, 焊膏喷印工艺在高密度、细间距器件使用过程中缺少过程研究与验证实例。 鉴于此, 为评价喷印焊膏用于高密度、细间距器件的焊接可靠性, 本文以焊接陶瓷柱栅阵列器件 (CCGA)为实例, 通过材料特性、涂覆形貌、贴片形貌、焊接形貌分析等方面, 对比分析喷印与丝印焊膏的可靠性, 以期为后续推广喷印涂覆工艺在宇 航产品生产应用提供实例与理论参考。

1 试验设计

用焊膏均为有铅焊膏, 合金比例均为 Sn63 / Pb37, 熔点为 183 ℃, 其中丝印焊膏为常用尼宏半 田焊膏(颗粒度为 3 号粉); 喷印焊膏选择全自动喷 印机专用 AIM 焊膏(颗粒度为 5 号粉)。试验使用的设备主要包括9866SP丝印设备、 MY600全自动焊膏喷印机。试验使用的元器件为复旦微电子生产的CCGA 器件(封装为CF1140), 该器件焊柱结 构为焊线柱结构[10] , 焊柱成分为 Sn10 / Pb90。试验全过程采用 MY200 全自动散料贴片机进行贴片, 并采用真空气相焊接设备进行 CCGA 焊接。焊接完成后采用 KH-7700 高倍显微镜、X-ray检测对焊点 进行质量检验, 并采用高低温箱和振动台进行焊接可靠性验证。验证后进行金相分析, 采用 Inspect F50 扫描电镜和 EDS 能谱进行焊点形貌及元素成分检验。

2 焊膏分析

2.1 焊膏材料对比

研究试验选择的两种焊膏涂覆工艺分别对应不同颗粒尺寸和型号的焊膏, 两种焊膏在焊接试验前, 全部经赛宝试验室进行检测。经检测, 两种焊膏在塌落度、卤素含量、金属成分等方面均符合IPC J-STD-004B、IPC J-STD-005A 标准[11-12] 的要求, 相关颗粒度参数对比如表 1、图 1 所示。

表 1 焊膏指标

a 丝印焊膏

b 喷印焊膏

图 1 两种焊膏焊球球径尺寸对比图

从表1和图1可以看出, 两种焊膏在合金成分上保持一致, 符合 GB/T3131 - 2001 标准的要求, 但是在颗粒度和合金质量分数方面差异明显。其中, 丝印颗粒直径尺寸为 25~45 mm, 质量分数为 90.4% , 喷印颗粒直径尺寸为 15 ~ 25 mm, 且质量分数为 85.72% 。两种涂覆工艺对焊膏材料特性的选择差异主要源于涂覆设备的不同。丝印是采用传统的钢网、进行接触性压力印刷操作, 印刷窗口为焊盘窗口, 印刷厚度由钢网的厚度决定; 而喷印设 备则是需要通过设备内部内置的压力舱将焊料挤压 出, 属于非接触式焊膏涂覆, 焊膏采用喷射的方式 在焊盘上淀积, 喷印的厚度和体积完全是通过软件控制, 无需掩膜限制操作。 因此涂覆工艺的不同, 决定了所选择的焊膏材料的黏度和颗粒度均有特殊 要求。

2.2 焊膏形貌对比

为分析不同涂覆工艺的焊膏形貌, 试验过程对涂覆和器件贴片后进行对比分析, 图2和图3所示 分别为丝印和喷印焊膏涂覆后形貌以及 CCGA 器件贴片后形貌对比。从图2可以看出, 采用丝印涂覆 工艺完成的焊膏印刷呈现规则的梯形和矩形形貌, 焊膏定型性好且间距明显; 采用喷印涂覆工艺完成 的焊膏涂覆呈现椭球形和半球形, 形状规则, 焊膏本体光泽度高、间隙清晰。这是由于丝印是采用固定掩膜, 厚度及形状完全按照掩膜进行漏印, 形状规则, 厚度可控; 而喷印在喷射压力作用下, 单点 体积虽小, 但是叠加过程中因颗粒度小等问题存在整体塌落状态, 定型能力较弱, 厚度量化不明显, 喷印常规按照体积比例进行计算。本次 CCGA 焊接 对比的喷印量以丝网常规 0.18 mm 为依据[13] , 经计算选择为 140% 的体积可等比 0.18 mm 厚度。

图 3 所 示 为 相 同 贴 装 压 力 3． 5 N 作 用 下, CCGA 器件贴装后焊膏形貌。从图中可见两种焊膏 贴片后形貌呈现明显差别。丝印焊膏在贴片后形貌 保持良好, 焊膏间隙明显, 焊膏形变量小, 无明显 塌落; 而喷印焊膏定型性差, 形变量大, 塌落明显, 器件贴装后间隙小, 存在桥连风险。这是由于丝印焊膏内部颗粒度大(在25~ 45 mm 范围), 合金含量多, 焊料定型和支撑性好; 而喷印焊膏虽然坍 塌度和黏度符合 IPC 650标准要求, 但是由于助焊剂含量多、颗粒度小等问题, 需要控制喷印量来避 免发生桥连。

2.3 焊接形貌对比

为了验证两种焊膏的焊接可行性, 对经贴片并经检验合格的两块组装件采用真空气相焊接方法进 行焊接操作, 焊接曲线参照焊膏的推荐曲线进行设置, 同时兼顾考虑器件特征及相关标准, 焊接参数 详见表 2。 采用真空气相焊接方式, 通过阶梯注入气相液和抽真空方式, 调整气相液的气化量, 来调 节曲线升温趋势, 并确保曲线满足要求。

两块试验件在焊接后全部经 KH-7700 高倍成像显微镜(50 倍 ~ 400 倍)、X-ray 透射对焊点进行 检验, 结果如图 4 和图 5 所示。 经 KH-7700 检验, 两块试验件外围柱列焊点边界清晰, 柱列无缺失、 无偏斜短接形貌, 焊点无脱焊、无漏焊、无桥连现象; 焊柱间无可见多余物, 焊点处有明显润湿角形 成, 为合格焊点。

(a) 丝印焊膏涂覆后, 焊盘全景检验形貌

(b)丝印焊膏涂覆后, 显微镜侧视检验形貌

(c) 喷印焊膏喷印后, 焊盘全景检验形貌

(d) 喷印焊膏喷印后, 显微镜侧视检验形貌

图 2 焊膏涂覆形貌对比

(a) 器件贴片后, 丝印焊膏

(b) 器件贴片后, 喷印焊膏

图 3 贴片后焊膏形貌对比

表 2 焊接曲线参数设置

采用 X 射线光学探测仪检验, 两块组装件的焊 点形貌清晰, 轮廓完整, 焊点无锡桥, 焊点内最大气孔直径小于 0.15 mm, 且气孔总面积小于焊点总 面积的 15% , 为合格焊点。从图 4 和图 5 可以看出, 经KH-7700 和 X-ray检验两种焊膏涂覆工艺所焊接的CCGA 焊点均呈现良好的润湿形貌, 焊点形貌良好, 焊点阵列排布透光性好, 无桥连。根据 IPC-7095C 和 IPC-610E标准对阵列器件焊点外观检验的要求[14-15] , 两种焊 形貌均属于合格焊点。

2.4 可靠性验证

焊点可靠性验证包括振动试验、温度循环试验, 参考 ECSS-70-38C 标准[16] 的可靠性验证条件执行, 并在可靠性试验后进行显微剖切和金相分析。

(a) 丝印焊膏, 真空气相焊接后形貌

(b) 丝印焊膏真空气相焊接后局部放大图

(c) 喷印焊膏, 真空气相焊接后形貌

(d) 喷印焊膏真空气相焊接后局部放大图

图 4 真空气相焊接后焊点形貌检验示意

3 焊点组织分析

可靠性验证试验后, 经电性能测试组装件性能无异常, 并经目视检查未发现明显焊点缺陷, 因此需通过显微组织形貌分析对比研究两种焊膏涂覆方式形成的焊点可靠性。焊接过程中, 器件引脚、基板与焊料同时发生扩散与熔融过程, 进而在界面形成金属间化合物(IMC 层), IMC 层的形成可确保焊料、器件引脚与焊盘的有效连接。同时, 由于IMC层的成分、厚度取决于焊料选择、曲线设置、镀层等要素, 且 IMC层与原扩展本体(引脚、焊盘等)在力学性能、热性能等方面的差异, 因此IMC层的存在也会对焊 点的可靠性产生重要影响。因此, 要有效评估焊点 的可靠性必须通过微观检查焊点IMC的厚度和形貌, 以及元素分析进行统一评估。

(a)真空气相焊接后, 丝印焊膏

(b) 真空气相焊接后, 喷印焊膏

图 5 真空气相焊接后 X-ray 焊点检测形貌示意

3.1 IMC 层 SEM 形貌分析

图 6 给出了经可靠性试验验证后两种焊点的SEM照片。两种焊料焊接形成的 CCGA 焊点均在微观层面焊点处呈现明显的晶粒扩散和迁移形貌, 焊盘处的IMC呈现连续的岛状结构。从IMC层厚度分析可以看出, 丝印焊膏形成的IMC层厚度在 2. 0 ~ 4.0 mm; 喷印焊膏焊点 IMC 层厚度在2. 0 ~ 3.0 mm, 焊缝厚度均匀, 组织完好, 无可见裂纹。

界面处金属间化合物的形成是焊接良好的一个重要标志, 但是IMC过厚或过薄都会对焊点的可靠 性产生重要影响。刘旭明[17]研究表明, 当有铅焊中IMC厚度为 0． 5 mm 时, 其抗拉强度最大; 厚度在 0． 5 ~ 4． 0 mm 时抗拉强度较好, 并随着合金层厚度 的增加其抗拉强度呈下降趋势, 当合金层厚度大于4.0 mm 时, 过厚的IMC层将呈现韧性差的问题, 焊点脆性大, 将对焊点强度产生致命影响。本研究中两种焊膏涂覆工艺所形成的焊点IMC层厚度均在 有效范围内。也从侧面证明了焊料选择、焊料量以 及曲线设置的可行性。

3.2 IMC 层成分分析

可靠性试验验证后两种焊点的 EDX 分析图, 如图7 所示, 各相成分分析见表 3 所示。 本次研究的焊盘处理方式为铜焊盘热风整平镀锡工艺, 因 此, 在焊点位置主要形成了 Cu6Sn5 的合金相, 局 部含有 Cu3Sn 化合物。 这是由于采用共晶焊接焊料 时, Sn63 / Pb37 焊料中的 Sn 与焊盘中的 Cu 发生扩 散迁移, 焊料中的 Pb 不参与金属间化合物的形成, 因此 IMC 层, 即金属间合金化合物。 对照 SEM 的 形貌可以看出, 两种焊料形成的 IMC 层均为连续形 貌结构, 在 IMC 层上部分散出现不同的富铅相, 这 是焊料与焊盘间元素相互扩散形成良好合金层的有 力证据[18-19] 。 对比表 3 的成分分析结果, 发现两种 焊料焊接后在焊点与焊盘的连接处形成了不同的组 织成分, 其中喷印焊膏的合金相为单一合金相Cu6Sn5 , 而丝印焊膏的合金相呈现Cu6Sn5 和Cu3Sn 两种共存合金相, 以Cu6Sn5 为主。 对比Sn-Cu 相图可知, 在220 ℃焊接温度下, 焊料 Sn与焊盘 Cu将发生扩散迁移形成 Cu6Sn5 合金, 一般Cu的质量 分数在 40% 左右; 随着温度升高和焊接时间加长, Cu将继续溶解渗透到 Cu6Sn5中, 在合金层靠近焊 盘层处生成Cu3Sn合金相, Cu 的质量分数也由 40% 上升到 60% 左右。

闫海新等[20]研究表明焊接后的 Cu3Sn 合金相通 常不易检查, 在经历环境试验后 Cu3Sn 合金相才会 可见。 这是由于 IMC 生长可以分成两个阶段: 一是 焊接过程中液态钎料扩散形成合金层; 二是环境试验 中发生固态钎料扩散形成合金层。 对于 Cu 扩散而 言, 在焊接过程中 Cu 溶解到液态钎料中, 达到平衡 状态后, Cu6Sn5 合金即形成。 而在固相状态下的环 境试验中, Cu 焊盘与 Cu6Sn5 合金相的平衡态被破 坏, 在温度作用下 Cu 焊盘与 Cu6Sn5 合金相件的界 面上将固相扩散形成 Cu3Sn 合金相。 由于 Cu3Sn 合 金相的形成进而导致原有的 IMC 厚度增厚, IMC 层 的结构也变得复杂和不规则, 也导致了焊点脆性和敏 感性的增加。 本次研究中可靠性验证采用 200 次温循 (温度范围为-55 ~ 100 ℃)是可靠性加剧试验, 温循 温度作用存在促进 Cu3Sn 合金相生成的可能。

(a) 丝印焊膏焊点, 单个焊点形貌示意

(b) 丝印焊膏焊点, IMC 层厚度

(c)喷印焊膏, 单个焊点形貌示意

(d)喷印焊膏焊点, IMC 层厚度

图 6 经可靠性试验验证后两种焊点的 SEM 照片

(a)丝印焊膏 IMC 层, 局部区域点扫

(b)丝印焊膏 IMC 层, 局部区域点扫 EDX 能谱

(c)喷印焊膏 IMC 层, 局部区域点扫

(d)喷印焊膏 IMC 层, 局部区域点扫 EDX 能谱

图 7 可靠性试验验证后两种焊点的 EDX 分析

表 3 两种焊料的焊点不同位置的成分及相分析

4 结论

研究结果给出了实际装联操作下, 采用丝印和 喷印的焊膏涂覆工艺均可实现CCGA的高可靠焊接。研究发现虽然两种涂覆工艺所用的焊料成分和比例不同, 颗粒度、黏度方面也存在差异, 但在焊点可视形貌、空洞率等方面均无明显差异, 均为合 格焊点。在微观组织分析方面, 两种焊料除在成分 分析上存在一定差异外, 在IMC层形貌、厚度方面无明显差异。对于航天电子产品采用共晶焊料软钎 焊而言, 无论是丝印还是喷印焊膏, 焊点合金成分在加剧多次的温度循环后均有出现Cu3Sn 合金相的 可能性。研究过程采用实际焊接 CCGA 对喷印和丝印焊膏涂覆工艺实施进行焊点装联可靠性研究, 综合评价焊膏涂覆工艺的材料选择、工艺实施对焊点可靠性的影响, 这对扩展焊膏涂覆工艺使用, 提高 焊点可靠性具有重要的指导意义。

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