电子封装课件：焊膏应用

焊膏应用好的印刷性能

模板刮刀印刷工艺参数焊膏模板印刷示意图印刷的要点模板材料一般使用不锈钢刻蚀模板

化学蚀刻的不锈钢模板的制作是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、用销钉定位感光工具将图形曝光在金属箔两面、然后使用双面工艺同时从两面腐蚀金属箔。由于工艺是双面的，腐蚀剂穿过金属所产生的孔，或开口，不仅从顶面和底面，而且也水平地腐蚀。该技术的固有特性是形成刀锋、或沙漏形状。刻蚀模板经济便宜而广泛应用小于0.5mm间距就不适合，孔壁不光滑刻蚀模板电抛光是一种电解后端工艺，“抛光”孔壁，结果表面摩擦力减少，锡膏释放良好和空洞减少。它也可大大减少模板底面的清洁。电抛光是通过将金属箔接到电极上并把它浸入酸浴中来达到的。电流使腐蚀剂首先侵蚀孔的较粗糙表面，对孔壁的作用大于对金属箔顶面和底面的作用，结果得到“抛光”的效果。激光切割模板直接从客户的原始Gerber数据产生，无照相步骤。孔周围出现“扇贝状”的外形，造成孔壁粗糙。虽然这会增加表面摩擦力，但粗糙都是在垂直面的方向。模板的制作可以先通过化学腐蚀标准间距的元件，然后激光切割密间距的元件。这种“混合”或结合的模板，得到两种技术的优点，降低成本和更快的周转。整个模板可以电抛光，以提供光滑的孔壁和良好的锡膏释放。缺点是机器单个地切割出每一个孔。孔越多，费时费成本激光切割模板内壁比刻蚀的要光滑但是成本高小于0.4mm间距效果也不好，尤其对于BGA因为其表面也粗糙不平电铸成形模板

电铸成形，一种递增而不是递减的工艺，制作出一个镍金属模板，具有独特的密闭特性，减少锡桥和对模板底面清洁的需要。该工艺提供近乎完美的定位，没有几何形状的限制，具有内在梯形的光滑孔壁和低表面张力，改进锡膏释放。通过在一个要形成开孔的基板(或芯模)上显影光刻胶，然后逐个原子、逐层地在光刻胶周围电镀出模板。正如图五中所看到的，镍原子被光刻胶偏转，产生一个梯形结构。然后，当模板从基板取下，顶面变成接触面，产生密封效果电铸成型模板内表面最光滑适合于超细间距的印刷模板厚度

模板厚度取决于最小的尺寸与孔径间距比，推荐的使用厚度如下：刮刀橡胶或者不锈钢镀镍刮刀：剑形：施加压力小，适合低粘度焊膏

平形：角度容易调整，适合各种焊膏方形：施加压力大，适合高粘度焊膏刮刀问题焊膏涂覆-印刷焊膏涂覆—滴注焊膏涂覆—挤压接触印刷细间距推荐接触印刷，这是因为在模板和焊盘键没有间隙，不会导致焊膏的流出而弄脏焊盘周围，减少桥接的发生。不接触印刷当没有脱模速度的控制系统时，可以使用不接触印刷而形成很好形状的图形。容易导致焊膏溢出。要控制好刮刀速度和阶跃距离。脱模速度

一般说来较慢的脱模速度减小焊膏与模板孔壁的摩擦，可形成较光滑的图形。建议范围是0.1～0.5mm/s。 一般的机器是2步控制系统，很慢地与基板脱离，然后快速抬起。错位刮刀压力、速度等刮刀压力最好设置到要求的最低水平，以防止模板错位、刮刀的变形而使得焊剂的渗出以及焊膏溢露刮刀速度从焊膏角度来讲较快比较好，因为较快的速度和加大的机械应力会使焊膏触变性发挥完全。一般建议在40～100mm/s。清洗的频率取决于模板开口间距、焊膏性能等。要用专门的擦拭纸和溶液清洗，不可随意用酒精等擦洗或者浸泡。好的工作性能粘度模板搁置时间模板寿命粘附性抗塌落性粘度

粘度是指材料抗流动的能力，定义为剪切应力与剪切速率的比：

=

/

。焊膏是一种假塑性流体。剪切应力与剪切速率的关系为：

K，a为常数。若0<a<1,则为假塑性流体。若a>1,则为膨胀体。几种流体的动特性则

=

/

=K

a-1,于是log

＝A－mlog（－m）为剪切敏感因子粘度的变化（触变性能）焊膏粘度的变化焊膏粘度的测量锥板式旋转转筒式模板搁置时间定义为焊膏可以闲置在模板上不用搅和，而自己从较高粘度回复到具有可印刷的较低粘度而具有很好的印刷性，但是其触变性没有受到破坏的时间。细间距使用者对此比较关注。模板寿命焊膏在模板上连续印刷而保持适合的印刷性能的时间。影响它的主要因素是触变性和焊膏的挥发性。触变性不好（红线），粘度就一直下降，最后导致桥接等缺陷。溶剂挥发太快（绿线），导致粘度上升，粘附模板堵塞网孔。粘附性以及测试用两个参数衡量：粘附时间和粘附力。使得焊膏在模板上滚动并可粘固元器件。测试抗塌落性能三种形式的塌落：剪塌：不断连续的印刷中剪切应力导致塌落。冷塌：室温下的塌落。热塌：受热如预热或者回流焊中的塌落塌落细间距容易导致塌落塌落会导致桥连、锡珠等缺陷影响塌落的因素有很多：如焊剂载体成分、挥发性、粘度、沸点、触变剂、松香软化点、等热塌塌落的测试（IPC－TM650）测试结果观测塌落观测好的可焊性润湿性焊料球回流焊曲线润湿性液态焊料在对被焊表面（焊盘和元件引脚）铺展的能力。它是焊接的首要而且必要因素。被焊表面氧化、元器件老化、被焊表面除过锡等情况下要求更高。润湿性好坏常用润湿角来表征。润湿性和表面能（表面张力的值）有关。润湿平衡示意图A＝B＋CCosSA：固相表面张力B：固液界面张力C：液相表面张力S：接触角润湿状态润湿与焊接

焊接的好坏取决于被焊物是否能得到良好的润焊,所以焊点的品质也就决定于润湿性的好坏。基本上，焊锡能润焊铜垫或其他金属，而这些金属的表面不能被氧化物所覆盖或沾到其他杂质（如灰尘、有机化合物等),润湿不好都是被焊物表面不干净所造成有润湿不良和润湿不均。 润湿不好有润湿不良和润湿不均两种基本情况。润湿不良（non-wetting）锡无法全面的包覆被焊物表面,而让被表面的金属裸露,这情形特别容易在裸铜板发生，图中红色图形的裸铜布满整个焊锡面,其图形的外图主要是合金的内聚力所形成。严重的减低了焊点的耐久性和延展性，降低了焊点的导电性及导热性。润湿不均（dewetting）焊锡虽然全面覆盖整个被焊面,但是此时被焊金属与锡铅合金发生“金属共熔反应”，在焊接表面冷却的过程中,润湿性开始减小，而锡的内聚性开始增加,原本平整的锡面,因为二者张力不能平衡，所以会有一部分的液态锡被拉开,而固化成球状或珠状。此时焊锡面只有小量的锡铅合金真正的与被焊物表面达成金属于金属较厚的结合，至于那些较薄的锡面，肉眼看来是包覆整个裸铜面，但是在高能量的显微镜底下，还是常会发现肉眼看不到的润焊不良现象。

润湿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、蜡、脂等，这些污染物统称为杂质。埋藏的粒子：外来物质埋藏于焊接物表面也会影响润焊性。严重氧化膜：PCB焊锡面的氧化膜不能被助焊剂彻底清除。合金杂质：杂质破坏可焊性。对策外界污染：用溶剂清洗埋藏粒子：化学药品进行整面的蚀刻严重氧化膜：提高化学活性合金杂质：严格控制物质质量从焊膏角度看对策润湿性差一般出现在IC和QFP的引脚处，改变对策一般是提高焊剂载体活性。焊剂活性作用原理润湿性测量A：原始位置B：测试头刚接触焊料位置C：测试头浸入0.2mm，焊料推挤测试头D：开始润湿，接触角为90度E：最大的润湿F：测试头与焊料分离点G：原始位置润湿能力可以定义为B到D的时间间隔曲线比较润湿性观测点较好的润湿性焊料球焊料球有两种表现形式：小焊球（microball）和锡珠（solderbead）焊料球原因原始焊粉氧化焊接时焊粉氧化塌落印刷时焊膏从模板上遗漏焊膏印刷太多锡珠与焊膏量的关系对策控制焊膏质量（氧化、吸水）减少焊膏印刷量控制焊膏印刷对位精度合理设计焊盘的布局减少升温速度和预热停留时间焊料球的测试—IPC评判标准）焊料球的测试——结果回流焊－曲线温度时间回流焊－曲线解释01

①段：预热基板及器件。在此段吸收热量过多，故温度一般设计得高一点，但这段温度低于焊剂的挥发点，上升温度斜率一般在2-3

C/s。否则温度上升过快，易引起飞溅甚至引起小器件的竖立（竖碑效应）或一头翘起。

②段：焊剂挥发干燥阶段。温度一般在140

C-160

C。在此段内主要将焊剂挥发掉，并且挥发不能太快，还要有足够的时间让其挥发完。故要有较长的平坦段，其宽度应在60-120s之间。因此温度设计往往低于前温区，只需要少数的能量来供给挥发焊剂所消耗的能量就行了。

③段：净化阶段。将少量剩余焊剂清除掉，温度在焊锡熔点以前要使焊剂基本挥发完，否则在焊锡熔化过程中会引起锡珠飞溅。

④段：焊锡熔化扩散润湿期。温度在焊锡熔点以上，温度曲线的尖峰应高出焊锡熔点20-50

C，一般尖峰温度不超过240

C，否则，大部分基材的板子承受不了这样高的温度。③④两段的温度上升不宜过快，其斜率为1-4

C/s。过快易引起元器件热应力变化过大，造成机械损伤元器件，或使元器件位移（元件漂浮）。

⑤段：冷却固化。要求控制冷却速度，避免冷却过快而使元器件热应力变化太快，机械损伤元器件，甚至器件破碎，这种情况对陶瓷封装器件尤其严重。

⑥段：自然冷却段。温度曲线必须根据印制电路板基材、焊膏特性，特别是焊剂挥发点温度、焊锡熔点温度来设定；并根据器件的密集程度、板子大小等与吸热量有关的因素来考虑基板的传输速度。

温度曲线的测量

为了得到所需要的温度曲线，必须根据印刷电路板工艺要求的温度曲线反复调试出一个理想的基础曲线，然后根据实际情况，对曲线进行适当的调整。在温度调节过程中，要考虑前面对后面的累计影响。基板传输速度也对温度曲线有影响：速度慢、温度就高，曲线宽度拉长；反之，传输速度快，曲线温度低，宽度也窄。

温度曲线的敏感性高可靠性表面绝缘电阻电子迁移腐蚀离子残留表面绝缘电阻（SIR）衡量焊剂残留物对可靠性的影响。指基板表面两个导体之间的电化学过程SIR的测试电子迁移

金属元素（Sn、Ag、Cu等）在偏压的作用下由阴极向阳极的细丝状生长。焊剂残留物在高湿度下产生离子，会导致电流的泄漏而发生枝晶生长。枝晶生长枝晶生长会显著降低SIR直径生长最终导致短路枝晶腐蚀无腐蚀腐蚀黑斑测试方法铜镜腐蚀法离子污残留污染焊后的电路板浸入去离子水或者异丙醇中，将所得的溶液通过离子图谱系统来测定，然后转换成NaCl（g/

cm2

）的参量。一般规定RMA型的焊膏要小于：3.1g/

cm2

好的检测性残留物在线探针测试残留物残留物的水平与焊膏中焊剂载体固含量（不挥发物质）相关。残留物颜色要浅。残留物膜要透明而硬度适中。白色残留物问题互连焊料表面乳白色（带蓝色）的污浊物或者是绿油表面的一层粘性很强的薄膜。焊膏的副产品——锡和铅的金属盐。这些盐呈惰性、而且不溶于水，比较稳定。这些残留物的性能和数量取决于焊接和清洗的工艺条件。色残留是焊剂残留物和湿气反应而导致的。

形成机制焊剂中的活性剂一般是含有卤数的有机化合物和有机酸，它们和焊料以及被焊表面的Sn、Pb、Cu、Zn等金属氧化物反应，生成不溶于水的金属盐。

热暴露的增加会导致焊料和板子的表面可见的残留物增加，从而氧化物增加，于是在焊剂发挥活性的过程中形成的金属盐也增加。而水溶性的残留物又因为蒸发而减少，于是金属盐周围没有水溶性的残留物，容易黏附在焊料和板子上。

水溶性焊膏容易发生对策预热或者浸渍对于白色残留物的形成很重要。焊膏中粉末的表面积是液态熔池的数量级倍，则氧化物的形成也会增加。应该避免在140℃左右停留时间过长。对于63Sn37Pb焊料，应该避免大于230℃，停留时间大于75s。清洗时要选用48℃的水溶液温度，而不要超过60℃。焊接后应该很快地清洗，理想状态是小于30分钟，不要超过8小时。因为即使在室温，在活性残留物的存在下，金属盐也能形成，而水溶性残留部分也会蒸发。

在线探针测试性探针粘附残留物膜开裂散开焊膏应用常见问题及解决印刷：

焊膏刮掉 焊膏过剩 毛刺翘起 溢流 沉积不足 焊膏发干焊接：

桥接 焊料球 锡珠 立碑 润湿性差焊膏刮掉刮板压力太大，将顶部焊膏刮掉焊膏粘刀调整刮刀压力焊膏过多刮刀压力太小，焊膏残留太多调整刮刀压力毛刺翘起模板分离速度太快调整模板分离速度溢流焊膏流变性差减小刮刀压力检测对位是否精确确保模板张力以及使用接触印刷使模板开孔小于焊盘尺寸确保印刷温度增加模板底面的擦拭频率控制刮刀速度以不破坏触变性焊料沉积不足模板开孔部分堵塞减小模板分离速度减小刮板压力，如果压力过大，过多的颗粒进入到一个孔里，脱模的时候摩擦加大，使得焊膏被带走粘刀不断印刷过程中焊膏挥发太快导致粒度上升印刷温度太高使用新鲜焊膏调整印刷参数使得焊膏在刮刀提起来之前与模板“润湿”控制温度低于25度焊膏发干控制焊膏的印刷温度不要太高使用新鲜焊膏使用质量更好（“保湿”性好）的焊膏桥接的产生原因焊膏过多（第146张幻灯片）焊膏溢流（见148）焊膏塌落（见94）元器件或者焊膏放置错位贴片向下过度焊料抽芯桥接—错位桥元件贴放错位以及焊膏沉积错位桥接—贴片桥接—抽芯在热风对流的焊接中，由于铜焊盘面积大，导热率高，所以散热快。IC块体散热也快，所以其温度高低如图所示。引脚最先到达焊料熔融温度，从而焊料堆积到引脚周围而随引脚上升，最终在引脚的根部与相邻的焊料相连。抽芯现象抽芯对策锡珠焊膏跑到芯片底部而形成小球。原因前面以述（第116张幻灯片）锡珠示意图及对策减小模板厚度或者开孔尺寸以减少焊膏沉积量焊料小球立碑示意图T1：元件自重力T2：左边底部焊料的表面张力T3：右边焊料的粘附力T4