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超小元器件助焊剂工艺SMT组装探究
上传更新:2018-08-30

原创:计景春 唐 伟 -金沙js7799

 

戴 要:传统SMT是运用印刷机取钢网将锡膏分派到每个元件的焊点。本文经由过程论述几种助焊剂揭装的牢靠焊接要领,去提倡的元器件取PCB预镀焊锡或运用锡片,只印刷助焊剂到每个元件的焊点,揭装元器件过回流焊,这类流程的工艺简朴,可靠性会更高!

 

关键词:SMT、助焊剂、超小型元器件、预置锡片、可靠性

 

1 SMT组装危急
      SMT是PCB外面揭装元器件的组装手艺。元器件是电子组装生长的根蒂根基,元器件的转变鞭策组装装备取组装工艺的刷新。跟着半导体和微电子元器件尺寸小到毫微级,传统的SMT组装手艺曾经碰到严峻的危急。美国学者D.O Popa正在2004年便指出:若推拿我定律继承停止的话,会正在2010年今后的十年中发作“电子组装危急”。他借指出:组装和封装庞大电子系统的本钱将占到全部体系制造本钱的60%-90%。SMT微电子组装手艺的厘革曾经迫不及待,将会正在2022年前泛起演变,我们回忆一下SMT组装手艺几十年的汗青。
      第一代SMT肇端于 60年月美国军方,生长于 70年月后半期日本,从片状元器件、组装工艺和支持质料的成熟,和自动化装备大量研发出来,为SMT的生长奠基根蒂根基,80年月SMT逐渐替代通孔插件手艺(THT)。
      第二代SMT实现细间距元器件的高速组装。90年月,跟着I/O端子数的增加,器件的封装情势也将由QFP快速天背球栅阵列式封装情势过渡,BGA、CSP成为封装手艺的支流,片式元器件0402大量运用,SMT实现了高速组装。
     第三代SMT小型元器件超高速组装,21世纪跟着手机由功用机背智能机生长,SMT实现了小型片式元件0201、01005取 CSP、QFN、POP、3D超细间距封装等器件的超高速组装。2015年超小型元器件03015(0.3 * 0.15 mm)曾经量产如图1所示,其揭片工艺倍受存眷,锡膏印刷工艺将是最大的应战。日本JEITA电子组装技术委员会展望,到2020年贴装片式元件将适用0201尺寸(0.2 mm *0.1 mm)量产。芯片推拿我定律生长如图2所示,芯片络续缩小,激发PWB、SMT取芯片封装三大行业络续渗出,体系级芯片封装SOC(system on chip)取体系级封装SIP(system in package)曾经应用到iphone7取iwatch上面。
      超小型元器件的组装对焊锡膏、钢网取印刷机的要求曾经邻近极限,3D打印锡膏运用本钱又异常下。锡膏、钢网取印刷机曾经很易周全知足种种焊点对焊锡分派的要求,SMT面对组装工艺的危急,厘革的手艺偏向正在那里?

图1一根头发取03015元件对照

 

图2芯片封装生长

2 锡膏印刷工艺瓶颈
      2.1合金焊料粉巨细
      锡膏中合金粉末外形大部分为球形颗粒,球直径巨细一样平常正在30-200 um之间。大颗粒锡粉影响漏印,而颗粒太细表面积又增大,被氧化的水平会增高。合金粉末的外形、粒度和外面氧化水平对焊膏机能的影响很大,见图3。

图 3合金粉末颗粒外形散布

跟着元器件的络续的变小,对合金粉颗粒会要求愈来愈小,4号、5号合金粉曾经大量运用,但是粒度减小带来的是合金粉末氧化的几率增大和焊料球的增加,焊膏抗冷、热坍塌的才能变差,桥连征象将更严峻。
      5号粉再小的合金粉不宜接纳,大批量制造球直径<15 μm颗粒焊粉会异常难题,如许对焊膏中的助焊剂的保护性、活性、印刷时的工艺性也会要求更刻薄。
      2.2 钢网厚度
       跟着元器件焊点络续小型化,要求钢网愈来愈薄,已运用钢网最薄的是0.08mm,当钢网的厚度过薄(如<70 μm)将致使梆网时张力不敷,稳定性变差,使用寿命变短,焊膏印刷定位质量更差。接纳nm级微晶的FG钢网质料,也是一种有限的改进设施,不克不及从根本上解决问题。技术上根据IPC—7525钢网启齿尺寸的指南的要求。
1)三球定律:最少有三个最大直径的锡球能垂直排正在模板的厚度方向上,最少有三个最大直径的锡球能程度排正在模板的宽度方向上。
2)刻薄比:启齿宽度取模板厚度的比率大于1.5(W/T﹥1.5)。
3) 面积比:启齿面积取孔壁横截面积的比率大于0.66【W·T/2T(W+T) ﹥0.66】。
4) 若L<5W,则思索刻薄比,不然思索面积比。
减小焊料粉的粒度或减薄钢网的厚度,对锡膏的印刷开释是有限的改进,如许3D打印锡膏成为处理焊膏印刷工艺的幻想思绪,也一样面对质料取手艺的瓶颈。

2.3 印刷机精度
      印刷机的刮刀速度、压力取脱模速度等是包管焊锡膏印刷的参数,印刷机的印刷精度和反复精度是权衡可靠性的主要参数。除入口MPM取DEK等装备中,国产印刷机有GKG等应用到iphone7的生产流程中,其他的借难以知足超小型焊点对印刷机的各项要求。
      焊膏印刷时,焊膏正在金属表面上的铺展所受的力是其面积的函数。明显,焊膏正在微细的金属表面上润湿将显着遭到影响,当焊盘尺寸W≤150μm时(相当于03015元件),若焊膏印刷时偏位量δ≥20%XW时,如图4所示。回流时焊膏就很难悉数缩回到焊盘区,从而形成桥连和焊料珠。针对该例,印膏印刷机的精度ε和重复性均应<20%×W,即ε<30μm。明显印刷机必需到达反复精度(6σ@±15μm)和印刷精度6σ@±25 μm,才气知足需求。
 

图4印刷机的精度和重复性要求

2.4 锡膏开释
      关于超细钢网的开孔,锡膏印刷后钢网取PCB离开,毛细作用成了障碍锡膏从钢网开孔内漏印的重要阻力,而对大开孔的锡膏,毛细现象能够疏忽不计。针对差别钢网开孔对焊膏开释的统计注解,毛细现象是形成超小焊点少焊料,以致焊点可靠性下落的主要原因。超细钢网的锡膏开释毛细现象,又成为锡膏印刷工艺的瓶颈。

3 预置焊锡工艺的生长
      3.1 BGA、CSP取Flip-Chip预置锡球锡膏工艺
      BGA、CSP取Flip-Chip预置锡球可以或许构成优越牢靠的焊点,曾经普遍运用20年了,如图5所示是2000年消费的Flip-Chip取CSP器件。跟着电子产品微型化,BGA、CSP取Flip-Chip预置锡球的球引脚间距的愈来愈减小,当间距小于肯定值时,印刷锡膏手艺己很难顺应了。实验注解正在接纳焊膏贴装回流焊接时,回流焊接的最小引脚间距为300μm,而接纳助焊剂揭装回流焊接时,可达100μm。故当引脚间距小于300μm时,锡膏回流焊接工艺曾经凌驾极限了,而BGA、CSP取Flip-Chip预置锡球若是接纳印刷助焊剂揭装回流焊接,最小球引脚间距的工艺限度能够到达50μm。故接纳助焊剂揭装回流焊接是应对超细脚间距芯片的工艺要领。

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图5  接纳预置锡球的芯片

3.2 POP助焊剂揭装工艺
      PoP (Package on Package)是应用SMT手艺将一个零件揭装正在另一个零件的上外面;Bottom 零件的上外面有类似于PCB上的焊盘用来揭装焊接 零件,属于3D组装,重要是粘助焊剂、贴装再过回流焊接。2000年前3D堆叠手艺大部分借只是运用正在闪存及一些挪动影象卡中,如2000年Nokia 8210手机已结运用POP手艺,正在逻辑控制器上安排一枚内存(DRAM),如图6所示。
     PoP手艺普遍运用,恍惚了一级封装取二级装配之间的界限,大大进步逻辑运算功用和存储空间,为终端用户供应了自由选择器件组合。如图7所示,手机逻辑电路上基层芯片3D 装配,粘助焊剂揭装,无锡膏贴装过回流焊。关于超细间距芯片取Flip-Chip,接纳助焊剂揭装回流焊接曾经普遍运用,是SMT对照成熟的工艺流程。

 

图6 逻辑控制器上贴装内存(DRAM)

图7  PoP手艺正在手机上的运用

4预置成型锡片的工艺
      4.1 预成型锡片观点 预置锡球正在BGA上运用较早,正在一些有特别的焊接要求中央,需求加大焊锡量,需运用预制成型锡片(solder perform),如图8是预制尺度片式锡片,取片式元件一样的包装、贴装、过回流焊。因为锡片工艺的简朴、可靠性下,运用量逐年增添,曾经引发了国产焊锡厂家的注重。

图8  尺度锡片

 

图9差别外形的锡片

锡片有取锡膏雷同的属性,雷同合金的固态焊料SnPb或SAC305等,图9是凭据差别的需求建造的差别外形锡片,根据外形有可分方形、圆形取不规则外形,凭据焊点要求体积可准确盘算,一般而言,锡片的尺寸占焊盘的尺寸比为80%-90% ,可选择盒装、料盘装或散装,也可手工揭片。锡片可分含1%~3%的助焊剂或无助焊剂两种。锡片也需求助焊剂,锡片外面镀助焊剂可助焊盘取元件去除氧化,有助于焊接。

4.2 预成型锡片正在QFN运用
     运用成型锡片工艺,先印刷锡膏,对锡膏量的要求是越少越好,仅做流动焊盘的感化,锡片尺寸一样平常为接地焊清点的80%,锡片的厚度一样平常为钢网锡膏印刷厚度的50%~70%,免洗助焊剂重量比一样平常为1.5%,需求思索免洗助焊剂兼容性。如图10预制锡片安排工艺,从下到上分别是PCB、锡膏、成型锡片取QFN元件,锡片贴放正在印刷了锡膏的焊点上,再贴装QFN元件,揭装完成过回流焊不需别的调解炉温曲线。实验统计注解运用预制锡片,QFN器件处理了大面积焊接朴陋题目。

 

 

图10 预制锡片贴正在锡膏上面,然后再揭QFN

如图11是运用预制锡片QFN回流后气泡比例对照图,个中第一个图是没有运用锡片的QFN,

4066新金沙网址图11运用预制锡片QFN回流后气泡对照(运用锡片前气泡比例46%,运用后气泡比例5.2%)

5 元器件取PCB预置焊锡工艺

 

图12  电阻器的外型构造

因为锡膏工艺的制约,面临超小型元器件,传统的锡膏手艺己很难顺应了,而接纳助焊剂揭装回流焊接时可达100μm,以至50μm至更小,顺应超小型元器件组装。PCBA悉数接纳助焊剂揭装回流焊接是发展趋势,如许就要供元器件或PCB接纳焊锡预置要领,将焊锡电镀到元器件焊点或用预置成型锡片安排到焊点,印刷只用接纳助焊剂,再贴装元器件过回流焊,构成优越牢靠的焊点。

5.1 元器件预置锡球、锡片或镀锡(R、C、L、SOT、QFP、BGA、CSP)
      5.1.1 元器件电镀预置焊锡
      BGA预制锡球的手艺曾经异常成熟,超小型元器件也能够接纳焊点预置锡球或锡片的工艺。这里仅以电阻器为例,剖析电镀焊锡工艺。电阻的外型构造如图12,个中(1)是高铝陶瓷,它是片式电阻的基体;(2)是金属膜或碳膜电阻;(7)、(8)、(9)分别是包启玻璃,起到防潮的珍爱感化;(4)、(5)、(6)三层端焊头,最内层(4)为银钯(Ag-Pd)合金,厚度为0.5 mil,它取陶瓷基板有优越的联合力;中间层(5)为镍层,厚度为0.5~1 mil,它是防备正在焊接时期银层的浸析;最外层(6)为端焊头,一般的电阻镀锡层只要1 mil。而电镀预置焊锡,厚度约10 mil,作为取焊盘焊接的锡,根据差别的尺寸的元件,电镀差别厚度。

5.1.2 元器件焊点焊接形状
      预置锡片焊点的可靠性,以片式元器件焊点的幻想焊接形状剖析为例,从图13中能够看出,焊锡不是越多就越好,只需求构成优越的IMC合金层就好,尺度的焊点对焊锡量需求的不多,它有两个焊点,离别正在电极的外侧和内侧。外侧焊点又称主焊点,主焊点呈弯月面状,保持焊接强度;内焊点起到补强和焊接时自对中感化。由图13可知幻想的焊盘长度为B=b1+T+b2,式中b1与值局限为0.05~0.3 mm,b2与值局限为0.25~1.3 mm。

 

图13 幻想的焊接形状

5.2 PCB预置焊锡
      5.2.1 PCB预置焊锡要领
      PCB焊盘涂镀层的品种对照多,工艺也异常成熟,预置对照薄的焊锡,照样对照少,正在日本PCB预置焊锡的工艺曾经最先研讨,海内照样方才起步。如图14所示也许的步调是:
(1)经由过程化学发应,正在焊盘外面构成一层粘性层;
(2)背PCB上喷洒锡粉,正在粘性感化下正在焊盘外面附着一层锡粉;
(3)背锡粉外面喷一层松香 ;
(4)过Reflow加热,正在焊盘外面构成一层焊锡层。

图14  PCB上预置对照薄的焊锡

5.2.1 助焊剂揭装工艺

 

图15 电阻无锡膏贴装取过回流焊

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图16 Flip- Chip无锡膏贴装取过回流焊

经由过程正在PCB焊盘上构成一层厚厚的锡层 , 然后正在贴装中只需求印刷助焊剂松香,起着粘着元件取资助焊接的感化,贴装好后,间接过回流焊,如图15所示是片式电阻。如图16所示是Flip-Chip器件,正在无锡膏工艺下,贴装、过回流焊的历程。Flip- Chip Process运用PCB预置焊锡的工艺,供应焊点焊锡,然后正在贴装中只印刷或喷涂助焊剂松香,间接过回流焊,构成优越的焊点。PCB焊盘预置焊锡,焊接精度下,低落焊接工艺要求,能够应对种种元器件包孕Fine Pitch足间距为 65μm的器件,预制焊锡是一种突破性PCBA组装工艺。

6 结论— 预置焊锡工艺是生长的偏向
      接纳焊膏贴装回流焊接时,回流焊接的最小引脚间距为300μm,而接纳助焊剂揭装回流焊接时可达100μm,以至更小。面临新型超小型元器件普遍运用,估计2022年,细小元件曾经到了极限,贴片机贴装头的取放贴装将发作根本性厘革,助焊剂工艺将周全替换锡膏工艺。接纳焊锡预置要领,不需要锡膏取印刷工序,合格率大大进步,预置焊锡工艺不消锡膏作焊料,没必要忧郁焊料的寿命。这类预置锡膏的PCB镀层贮存几个月后生产没有发作不良反应。 助焊剂揭装回流工艺的长处:
(1)对OEM厂家SMT工艺要求低落;
(2)对锡膏印刷机的要求大大低落;
(3)对钢网开孔方式要求低落;
(4)可靠性加强,不会泛起少锡、短路取锡珠征象;
(5)低落OEM厂家本钱,只要购置响应的助焊剂,不消购置锡膏。
(6)知足军工企业下可靠性要求下,能够先行,动员行业生长。
      我国有全球最多的焊锡质料厂家,然则正在预置焊锡、锡片取锡球质料上面,一向依托外洋厂家。若是一部分有能力的焊锡厂家,转型做预置焊锡、锡片取锡球,将是一个布满远景的家当,超小元器件预置锡的运用将会鞭策微电子焊接的反动,预制焊锡是一种突破性PCBA组装工艺。

 

参考文献

1  樊融融.当代电子制造高密度安装手艺面对的应战及将来处理的路子   2015SMT 高端会议学术论文集

2  马鑫.外洋电子焊接质料产业化研发最新进展. 2015年中国焊锡质料研讨会讲演

3  龙绪明.胡少华.微电子组装取封装手艺范例 2015SMT 高端会议学术论文集

 

 

关键词:先艺电子,XianYi,金锡焊片,Au80Sn20焊片,Solder Preform,Solder Preforms,金锡Au80Sn20预成型焊片,铟银合金焊片,超薄气密封装焊料,200℃以上高温共晶合金焊片,240℃以下高温共晶合金焊片,220℃阁下的共晶合金焊片,锡银铜SAC305(Sn96.5Ag3.0Cu0.5)焊片,锡锑焊片,Sn90Sb10,Au50Cu50焊,Au80Cu20焊片,Au焊片,Au88Ge12焊片,Au99Sb1焊片,Sn96.5Ag3.5焊片,SAC405(Sn95.5Ag4.0Cu0.5)焊片,Sn95Ag5焊片,铜铝复合片,铜铝过渡片,预置金锡盖板,揭膜包装焊片,大功率LED芯片封装焊片生产厂家,纯铟焊片供应商,金属化光纤焊接质料,可伐合金盖板,气密性封装质料,太阳能芯片封装焊片,半导体芯片封装焊片,光电成像器件的盖板密封焊接

 

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