BGA脱落的原因在哪里? [复制链接]

我想请教一下各位,我有一次在投入中发现BGA无故脱落,后来我也查证了我的porfile也没问题,我想请问一下各位原因在哪里?

嘿嘿,就这么点信息要分析原因,除非是神仙.你需要提供炉温曲线(需要指出BGA的那条),脱落的BGA的照片和PCB上的照片.

大哥,我没办法把porfile给你呀

pcb是化金板吗？

是雙面制程嗎﹐

影响Sn-Ag-Cu焊料可靠性的因素
作者:青木 雄一，田中 浩和，片柳 宽子，技术开发总部，爱斯佩克(ESPEC)环境测试技术中心

　　无铅焊接的焊点可靠性问题受到特别重视。采取高低温温度冲击试验和高温试验，可评估Sn-Ag-Cu焊点强度。通过分析Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料的性能，可以研究引起焊点强度下降的因素。主要分析方法包括：使用SEM观察焊点结构变化；使用EPMA完成焊点界面合金层的元素分析。本研究通过对焊点结构变化包括在Ag3Sn网格结构变化的分析，揭示出结构退化、焊点强度下降与可靠性测试结构和合金界面层内反常成长之间的关系。
　　试验方法
　　可靠性测试所使用的焊料和为可靠性测试条件见表1和表2。被选来用作分析的对比样品是Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，该焊料各个方面都具有比较好的性能，另一种对比样品是Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料，其熔点较低。元件引脚采取了2种类型电镀：电镀Sn-Pb(Sn-10Pb)和电镀Pd(钯)。
　　评估PCB板上设计了带有100个引脚QFP封装的菊花链。试验仪器使用ESPEC(

www.espec.cn

) 的高低温温度冲击试验箱TSA-101S-W和高温试验箱PHH-201。作为评估焊点强度的标准，采用了标准的共晶焊料：Sn-Pb焊料。测试焊点强度的方法：以45°角，将恒定拉力（速度：20mm/min）加到PCB板焊点上，测量PCB板焊点断裂时的最大拉力，即为焊点强度。


　　


　　试验结果和需考虑的问题
　　焊点强度
　　图1表明了焊点强度测试结果。结果表明：无论高低温温度冲击试验还是高温试验，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi对镀Sn-Pb元件引脚的焊点来讲，经过一定时间后，焊点强度明显下降；而针对镀Pd元件引脚焊点强度，焊点强度差别不大，基本不受焊料种类影响。
　　图2表明了经过焊点强度测试后的拉断状态。结果表明：经过高低温温度冲击试验和高温试验，大部分被拉断的样品主要发生在元件引脚（Lead）和焊料界面处。但是，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料，在用于镀Sn-Pb工艺元件引脚时，断裂偶尔会发生在焊盘（Land）和焊料之间。
　　焊点强度测量可协助我们认识这些测试（高温和高低温温度冲击试验）与发生镀Sn-Pb与Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi间焊点强度下降之间的因果关系，发生了分离。






　　Sn-Ag-Cu焊料焊接后的焊点结构
　　针对镀Sn-Pb元件引脚，我们使用SEM观察Sn-3.5Ag-0.75Cu 和 Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料的微观结构。图3展示了对比测试之前和测试之后的微观结构的变化。可以看出，在初始Sn-Ag无铅焊料里，Ag3Sn颗粒形成了网状结构，并将Sn包在里面，但是在超过一定时间后，与初始态相比，在两个测试里，这种Ag3Sn网状结构又开始断裂，变为明显的Ag3Sn粒状。虽然高温试验，Ag3Sn不易转变为粒状，但是，有报道称，在高低温温度冲击试验时，这种网状微观结构转变为粒状结构。在我们测试结果中，焊点断裂是从特定界面上发生的，而且Ag3Sn粒度是微小的。



　　焊点界面合金层的生长
　　我们分析了焊料和铜焊盘之间界面处的焊点。就像Sn-Pb共晶焊料那样，Sn-Ag-Cu无铅焊料焊点形成了一个Sn和Cu的合金层。使用EPMA方法，得到了图4所展示的合金层分析结果。我们发现了2种合金层：Cu6Sn5和Cu3Sn，我们认为这是由于可靠性测试导致了合金层生长。




    合金层生长对焊点可靠性影响很大。正是这个原因，我们测量了合金层厚度，并研究了合金层在经过一段时间后的变化。研究发现，合金层厚度与时间之间并没有一定的生长规律。图5表明了这种不均允生长。液相凝结过程影响合金层生长，并导致生长的不均匀性。因此，我们采取了测量合金层图象过程厚度平均值，图6列出了测量结果。高低温温度冲击试验所用时间通过打点图表示，1小时1个循环。
　　对于镀Pd元件引脚来讲，合金层生长与时间平方根成粗略的线形比例关系，可以认为属于扩散控制。然而，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料与镀Sn-Pb元件引脚的焊点合金层形成是很明显的，报道的这种生长是基于某一熔点的，该熔点接近于Sn、Pb、和Bi三元成份的共晶点)。可是，Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料也表现出相对加速生长的现象，对镀Sn-Pb元件引脚来讲，Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料合金层生长的趋势更明显。
　　在高低温温度冲击试验过程中，焊点变形应力是引起焊点强度降低的因素之一。这种类型应力可以触发测试过程的断路，但是，既然整个高温试验过程没有机械应力，那么，这种测试过程中断路可能性是很小的，尽管有报道说机械应力是由于诸如振动因素造成的。







　　焊点界面的元素分布
　　如图6所示，高温试验是影响镀Sn-Pb元件引脚焊点合金层的生长的一个因素。为研究有关在镀Sn-Pb元件引脚和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料之间焊点界面反应层的明显生长因素，我们对Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料也采取了EPMA分析方法，用于比较初始态状况和在125°C高温下、经过2000小时测试后的状况。图7和图8表示出了这些测试分析结果。
　　图7表明，Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料初始状况，合金层薄且Pb是均匀分布在整个合金层内的。但图8表明，在经过2000小时高温试验之后，合金层表现出明显地生长，而且在Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi部分内的Pb在界面合金层形成了一个高浓度区（富Pb层）。正如合金层是一种Sn和化学物质一样，富Pb层的形成可能是由于周围Sn的富集而引起合金层生长。虽然Bi的添加只有3%，只有少量，但是，正如图7和图8所示的那样，Pb被认为形成了高浓度层。结果，形成了一种类似于低熔点Sn-Pb-Bi共晶化合物，该化合物可以认为是由高温试验时形成液相而产生的合金相的明显生长。既然Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料中不含Bi，那么界面合金层中的富Pb层就不会受到影响。有关焊点可靠性，界面Bi的存在能阻碍应力的释放，而使界面处应力升高，进一步导致焊点强度的下降。






　　通过高低温温度冲击试验和高温试验，分析影响Sn-Ag无铅焊料焊点可靠性的因素，可以看出，高温试验时，Ag3Sn网状结构稍有下降，向粒状Ag3Sn相的变化成为很明显的证据。然而，焊接强度不受影响；采用高温试验，进行界面合金层加速生长试验。对镀Pd元件引脚来讲，合金层生长与时间平方根成粗略的线形比例关系，生长在某一扩散控制速率下发生。然而，对镀Sn-Pb元件引脚来讲，无论高低温温度冲击试验还是高温试验，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料焊点合金层都发生了明显的生长，形成的化合物能明显降低焊点强度。
 
　　术语
　　·EPMA（electron probe microanalyzer 电子探针微量分析）
　　将一束电子束直接打到样品上，从而产生一种元素的具有恒定波长的特征X射线，可通过分析这些X射线完成元素分析，进而，根据使用波长传播性质，可进一步完成高灵敏的分析。
　　·Diffusion-controlling 扩散控制
　　一种通过控制物质扩散条件，约束化学反应的速率的过程。
　　·Concentration layer 富集层(浓缩层)
　　本报告中，该术语被用来表示由诸如颗粒或金属扩散因素而引起的单个元素的高浓度扩散层。

http://www.emchinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=1887

认证适合260℃温度焊接的封装器件
作者:Terence Collier, CV Inc.

　　在无铅焊接工艺下，较高的焊接温度已经制约了半导体器件的封装。然而，建立与工艺要求相匹配的特定认证策略则可减轻其对较高可靠性的要求。
　　2000年之前，大多数设计和认定的商用器件的回流焊接温度一般是183℃~200℃（PbSn合金的共晶温度），新世纪到来时，该温度却要变为260℃——产生了60℃的温差。对于产品和封装人员来讲，在此温度下，仍要保证产品的性能，的确是一个棘手的问题。成本管理人员也不情愿推动无铅技术向前发展，除非无铅技术是大势所趋。能有足够时间成功完成转变，保持竞争优势且不必支出一大笔成本的无铅技术指日可待吗？

　　无铅转换对封装的材料和设备的影响
　　对封装制造商而言，当前重点工作就是评估目前的材料装置（铸模设备、芯片粘附设备、引线抛光设备等），以便确定260°C时的产品的性能。不论器件的封装类型如何，形成金属间化合物（IMC）和降低湿度灵敏等级（MSL），这两个方面的问题变得更加重要。尽管铸造化合物和层压上的“次品”或缺陷时有出现，供应商却可以指出这些原材料是满足所要求的标准规范的。
　　有数据表明，对芯片级封装（CSP）的敏感度而言，MSL可降低2个级别。随着MSL的降低，对模块组和小薄型四边扁平封装器件（TQFP）的要求更高（在无铅评估实施之前很多器件被登记为MSL级别3或4）。处于湿度第3等级的器件，在拆开包装的有效期限内，可保证制造业在流水线上的使用量。MSL的变化增加了供应商和顾客的成本费用，更高MSL器件也给IMC的生成提供了机会。
　　较高的MSL缩短了开包使用的有效期限，并提高了材料使用前需烘烤的可能性。烘烤有利于IMC的生成，试验证实，在CSP和BGA封装上用标准的锡球做剪切试验，经过烘烤后锡球剪切力有所下降（且有掉球）。因此，需在组装工艺过程的不同阶段大力控制，以保证产品的可靠性，特别是在金层上。
　　替代锡膏的最优化选择方案，可通过DOE试验的结论来初步预知。在无现成替代品可用时，材料的选择同样需要类似SnPb焊料的熔点温度，并能阻止含金IMC化合物的形成，且用起来比较经济、安全和实用。SnCu和SnCuAg合金熔点大约为220°C，且比其他合金稍便宜些、其可用性强、不含铅危害成分、焊点可靠性测试良好。与传统的SnPb和大多数可供选择的无铅焊锡及其处理品相比，SnCuAg更易形成合金。


　　封装的设计及性能
　　SnAgCu焊料中的银有助于防止金分散到焊点，这点很重要，因为金作为阻挡层被广泛应用在处理引脚表面、多层层压板和印制电路板上。过量的金与锡或铅接触易导致有害的IMC化合物的形成，这些化合物反过来导致电路阻抗的改变，降低焊点的结合力并形成龟裂。金/含金的IMC化合物也可能迁移并离开阻挡层分界面，使其下面的金属部分暴露在外，并导致另外的IMC化合物的生成。
　　含金的封装，如CSP、BGA、模块组、镀NiPaAu的引脚易形成含金的IMC化合物。由于IMC能引起封装初始的阻抗，电特性（机械特性）的改变将影响产品性能，并降低可靠性。因为阻抗值越高，在产品运行过程中高频射频器件受外界影响越显著，进而导致器件使用寿命结束。在查找根本原因时，没有经验的产品或可靠性工程师会错误的判断为集成电路不工作所致，这样将导致不必要的项目延迟和成本的超支。
　　IMC化合物在适当的低温下(~125℃)开始增长，在稍高的温度下(~150℃)增长加快。封装体在此温度范围内反复受热、MSL烘烤、测试及SMT回流。由于含金阻挡层直接与锡球接触，CSP/BGA封装的性能很容易受IMC问题的影响，导致在分界面开裂，球从封装体脱落，球剪切力降低，器件性能参数和功能的改变等，这成为常见的缺陷（图一）。图二显示了首先在125℃下经4小时的加热，随后再在150℃下经 4小时的加热之后的裂变图。回流阶段，较高的温度同样会导致封装在初始阶段出现问题。



图1 BGA 封装切片



图2 分界面锡球的裂变（125℃加热4小时，随后在150℃加热4小时）





　　大多数“准”无铅材料（铸造化合物、芯片粘附材料、层压板等）并没有为承受260℃的高温而设计。MSL从一级到三级性能的下降是很普遍的，替代材料无法保证其原有的MSL，不适应MSL 2a（表一）或以上级别的PCB组装厂只得采用经验做法，来确保元器件不超过拆开包装后的使用期限，且通过购买额外的设备来完成元器件的烘烤工艺。



表一 湿度灵敏等级




　　进行封装设计时，IMC化合物的形成和MSL的降级仅仅是需要考虑的两个问题。任何一个都存在潜在的不利因素，抑制最佳硅片的优势发挥、产量提高策略和成本节省方案。故可靠性小组需确定合适的验证测试方法来暴露这种风险，以便判断设计是否符合短期、中期和长期的性能标准。


　　用于无铅工艺的封装认证
　　无铅认证策略需具备特定的可靠性目标以确保器件封装是否满足顾客的最低要求。随着无铅技术的崛起，选择适当的认证测试很有必要。如果数据能通过类似法（QBS）处理，则这样的认证测试同样很有见解。QBS需对无铅材料（铸模化合物、芯片粘附材料、层压板等）并行研究。也包括对金属间的相互作用的细微研究。温度循环（TC）和热冲击（TS）为探讨QBS的价值创造了良机。
　　为节省时间，在TS和TC共存的场所里，常用TS来认证传统的SnPb焊锡。可靠性测试管理者凭10年来已验证的性能和操作数据，忽略TC，从而使项目周期缩短数周，继而也缩短了TS的时间。图3显示了BGA在125°C经过24小时的界面图。



图3 经过24小时125°C后的BGA界面层




　　但TC不应该排除在无铅材料的测试之外，因为它是评估焊点长期可靠性及IMC生长速度的必备工具。
　　在TC测试过程中，接近150°C的累计时间能较好模拟IMC的生长。TS则能较好评估温度在机械变化行为（如膨胀系数）影响。在无铅合金的体系中，评估IMC的形成需进行详细的分析，需与SnPb材料共同验证10年才可能完成。要获取新的可靠性结论，各种工艺过程和组装能力的数据收集是必需的。
　　例如，有些数据已证实IMC在锡球到分界面处的孔之间的生长。与金镀层接触的SnPb锡球部分导致10％的锡材料污染，在125°C过9个小时后造成部分锡球相应损坏。同样，在150°C经过24小时后，100%的接触面被污染，所有锡球被破坏。这些结论表明：如果认证测试设计不周全，各种缺陷将应运而生。
　　把CSP或BGA球尺寸当作变量，球与焊盘的接触面积则与D2成比例，同时体积与D3成比例(面积=πD2 而 体积=1/6πD3)。图4演示了球尺寸从0.3mm到0.6mm（±0.05 mm公差）时导致结合面接触面积改变了7倍，剪切力受影响并产生空洞等等。相同的球尺寸的变化也导致锡球体积和质量改变了18倍，影响了IMC形成，剪切力及空洞的产生。



图4 锡球在0.3mm和0.6mm的视觉比较




　　回顾SnAu相图表，不足4%的金（对锡来讲）的微小含量可导致有毒害的AuSn4金属间化合物的形成。对锡球来讲，电镀工艺的变化，金属层的公差控制不好，即便是直径很小的改变，很容易导致长期可靠性不好和财力的浪费，除非全面完成的认证得到实施。
　　在半导体制造商纷纷阐述他们在向无铅材料过渡的策略时，还是有很多变数需要考虑。要突出对中长期可靠性的影响，则认证应反映出真实环境的模拟情况，如反复烘烤，灼烧，多次回流等，同样也要突出MSL和IMC生长的影响。比如，
　　● 在放置到测试座之前需弄清楚电镀层/球合金组成。认证测试很有可能导致IMC化合物的形成。
　　● 在认证小的、高密度集成电路时，温度应作为一个考量因素。器件和测试产生的组合热能可能导致误判。
　　● 烘烤时间可用来提升回流的性能，优化时间和温度到最佳模式供顾客使用。
　　深刻理解新型无铅材料的交互作用，对产品的认证和开发起很大作用。在新型封装设计（含认证旧封装设计）的变化过程中，理解有铅及无铅材料的交互作用将很有必要，这将有助于改进准时交货时间，提升工艺过程和持续增加产量。

http://www.emchinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=1658

倒装芯片结构中不流动底部填充工艺参数
作者:Pericles A. Kondos,博士； Peter Borgesen,博士 环球仪器SMT实验室

　　倒装芯片的传统装配方法是在芯片贴装前把液态的焊剂涂在衬底上，或者把凸块浸在焊膏的液态薄膜中。然后对装配件进行回流，并且把适当的密封剂填充到硅片下面。但是，当毛细作用力在圆片和衬底之间产生拖曳力时，免清洗溶剂残渣会损坏密封剂的湿度和流动性，对封装可靠性造成负面影响。而密封剂同样需要后固化，这样会就会使产量下降。
　　在贴装圆片前，预淀积一种不流动的化合溶剂和填充剂不仅可以消除免清洗焊剂中的残渣所带来的可靠性问题，同时还可以通过减少或消除密封剂的后固化时间而提高产量。尽管在热循环测试中它们的性能还是低于传统的有毛细管的流动底部填料，但是由于典型的不流动底部填充剂和锡连接之间的热膨胀系数有更高的不匹配性，销售商正在做快速改进。当前提供的产品已经比2001年广泛使用的传统底部填充剂的性能好很多了。
　　然而，为了得到可靠的不流动底部填充剂工艺，必须先解决几个问题——底部填充剂的配置，芯片的贴装以及装配回流：
　　• 涂布填充剂时必须充分覆盖电连接区域，不要在底部填充剂中形成过多的气泡。
　　• 芯片贴装的力度必须足够大，这样才能把底部填充剂挤出来，形成锡球与基板的连接。
　　• 必须优化回流方案，在开始固化底部填料前就回流锡球，同时不要把底部填料暴露在过高的温度下。
　　环球仪器公司的SMT实验室用从许多家著名销售商那里得到的不流动底部填充剂来建立一系列倒装芯片装配方法，从中检测流程问题并且提出最佳的参数。装配是交叉分段的，用X射线显微镜分析了焊锡和突起问题，用声学扫描显微镜分析了芯片以及衬底中的气泡和分层问题。
　　•涂料
　　涂料时必须形成独立的焊料团，使其具有恰当的体积以及形状而使得所有的凸块能够在回流时能被熔化，在这之后形成合适的焊条。气泡要尽可能的少，并且体积要尽量的小。当设计涂料流程时，首先应该注意根据密封剂的黏度来优化设置，这包括涂料喷管口和板子之间的距离。如果喷管不够干净会阻止材料从喷管出来，使板子上涂到的密封剂比预期体积小，这个问题对于高黏度的焊料将更为突出。另一个由黏度带来的问题就是当喷针收回时粘稠的液体可能形成尾巴，所以在尾部断掉前移去针会在板子的其他地方涂上一串密封剂。为了避免这种情况，对于黏性材料，收针的距离应该长一些而且回收速度必须慢一些，不过这将增加涂料时间。
　　最简单的涂布方法就是在中心处滴一滴。因为涂料头不移动，所以采用更高的流速可以提高涂料的速度，并且可以使针尖和基板之间保持相对大的距离。针尖只需要在这流程最后收回即可。但是这种方法易使装配件中产生气泡，并且不能用于大圆片，因为焊料无法到达边缘处的凸块。
　　当然可以设计其他方法，例如“区域填充”法。这种方式可能会需要涂料头走过一条较长的路径，但是会得到更好的涂布效果。涂料头同样只需要在最后抬起来即可。用其他方法——如交叉法，“X”形法，或者星状涂布法，总路径可以更短，但是当使用在喷嘴收回时易于形成尾巴的焊料时，所能节省时间就要打一个折扣了，因为它们的收针速度必须变减慢。
　　但是区域填充法不能用于大圆片，因为材料容易涂的太薄并且收缩成更加紧密的形态。薄膜甚至可能破碎成小片，结果造成更大的气泡。
　　其他的方法同样可能形成大的气泡。图1就显示了一个500 mil（14毫米）suqare的硅片中的气泡。这种涂布方式结合了小区域填充法和交叉法，最后使X的臂部一直延伸到圆片的边沿处。这种方法产生了几种没有气泡的组装件，但某些情况下薄膜会破裂而形成很大的气泡。另一方面，当一团单独焊料被涂布到靠近中心的位置时，即使用量再多，也无法达到到边缘处的凸块，因此也就不能很好的焊接。



图1. 由于涂布方式不同而造成大圆片下的气泡

　　
　　•贴装
　　当硅片被贴装到基板上时，最先和其中心区域附近下方的密封剂连接。随着硅片向下移动，下面的焊剂液体将被挤出去。随着焊剂的移动，当焊剂填充焊锡掩模空隙时将渡过或穿过焊锡凸块，印制线路板（PCB）印记以及其他一些表面物体。这一过程或多或少将沿着顺流的方向产生一些气泡，特别是在凸块背向焊剂流动的方向。
　　图2 显示了凸块附近的气泡；这是一张硅片放在光滑玻璃平面上的俯视图。这些颗粒状的表面图像是由密封装剂中的固体颗粒引起的，它们要在更高的温度下才能熔解。位于中心凸块附近的气泡（呈三角形分布）和凸块本身的尺寸相当；其大小可以用周围凸块的线长来估算，大约等于10mil（0.254mm）。周围的凸块边缘有类似相互分离的气泡，我们能看到它们从圆角中上升（图片上比较模糊）；还可以看到左边较低边沿的一个边角凸块处的气泡一半在圆片上而另一半在外面。大多数分离气泡的后面都有一个更小的气泡，靠近各自的凸块。这种情况是每一个装贴件中的典型现象，无法避免。不过，器件制造商们也许能通过减小硅片面积和基板表面图形的不规则性来抑制这些气泡。
 


图2. 凸块附近密封剂中的贴装气泡

　
　　
　　一旦焊料到达圆片的边缘，就会打湿这一侧并且慢慢爬行延伸形成圆角。在此期间，硅片必须固定好，因为它容易跟随流动的液体漂移，造成后面硅片贴装错误。
　　密封剂的黏度是决定圆片固定时间的主要因素。拍摄的焊料打湿圆片一侧的过程表明焊料停止明显移动需要的时间大约在0.1秒~大于1秒之间变化，视不同的密封剂而定。
　　硅片不但要在贴装头撤回以前固定一定时间，而且在固定期间必须用一定力度将其往下压，把密封剂挤出来，使密封剂充满硅片下所有的空间。特别的，当遇到个别暴露的底垫时，密封剂必须流经每个凸块和底垫形成的侧墙之间的狭窄空间，只给凸块留下空间。并且，即使暴露底垫已被流经沟槽的密封剂所取代（这些沟槽使密封剂能更自由的移动），还是必须施加适当的贴装力。
　　压力的另一个作用就是把衬底上的凸块压到基板上并且部分的铸造它们。这可以使很多凸块能在回流前尽量靠紧它们的底垫，同时有助于在使用不流动密封剂时避免电学开路。当回流一个传统焊接器件时，由于没有底部填充剂阻止硅片断裂，表面张力会将硅片向下拉，从而释放足够的力使最初几个凸块熔化并且打湿底垫。最终这使所有的凸块和衬垫连接起来从而确保了这一部分的电连接。
　　与之相反，密封剂的回流阻挡了硅片的下移。如果密封剂已经开始聚合，这种阻挡效果更加强烈，因为聚合作用将会使材料稍微变厚一些。因此，施加足够的贴装力使尽量多的凸块靠近相应的衬垫以克服密封剂的阻挡作用很重要。
　　密封剂还可以阻挡芯片横向运动，即使是程度小一些，也会减小器件在回流过程中的自适应效应。这意味着使用回流密封剂时精确贴装也非常重要。
　　为确保电连续性所需的力随着密封剂的黏度而变化，更高黏度的液体就需要更强的力。例如，使用最黏的焊料装贴一个有88个凸块的硅时，800g的装贴力能产生稳定的优良效果。但当装配两个开路芯片时，贴装力就减到了500g。另一方面，过大的贴装力不仅有损坏硅片的危险还会引起基板弯曲，力释放后基板又将弹回。这样铸造到表面的一定数目的凸块可能已不再存在，同时还有可能甚至引起硅片与基板间的相对移动。
　　• 回流
　　因为几个工艺同时进行，回流被认为是回流密封剂优化中最复杂的流程。并且焊料和基板各自的要求有些冲突。例如，回流时焊料必须保持为液态，才能避免结核并且不会使硅片断裂。然而板子从回流炉中出来时必须进行固化，即使不能完全也要充分的加以修复。有一些焊料对回流条件的变化相当敏感，如果温度很快变得很高将会导致开路，如果加热速率太高问题会更严重。
　　几种被测试的密封剂或多或少需要运用传统的SMT法（图 3，曲线标注为“标准的”）。如果其它表面贴装器件同时被贴装，这样做有很大好处。另外，由于这些焊料开始聚合很慢，被认为对回流条件的变化最不敏感。不过，所有这些材料都需要在回流后进行后固化，一般需要30到40分钟，有时时间更长。
 


图3. 三种不同类型的回流条件

　
　　在另一种极端情况下，一些密封剂和传统回流的浸泡阶段不兼容。然而，在稳步过渡到回流条件后，在相对低的温度下放几分钟，焊料能达到最佳效果。后烘阶段使这一方法看起来像是传统SMT法的镜像（图 3，曲线标注为“标准的”）。这些材料不需要后固化——因为后固化已经被移到了回流炉中进行。
　　介于两种极端情况之间的整个范围被称为“中间态”（这个范围在了图3中作了描述）。它们浸泡阶段很短的或者完全没有（有时候浸泡是在比通常情况更低的温度下进行的），在回流炉中没有后固化阶段。它们中的有些焊料需要进行不同时间的后固化，而另一些则在回流中设计了足够的后固化时间。
　　剩下的两组焊料开始固化得更快，因此对回流轮廓的变化更加敏感。图4显示了材料很早就开始凝聚的一种情况，从而阻止了这一凸块打湿它的衬垫。但是从凸块的形状可以清楚的知道，其它的焊块已经断裂了，并且熔化的锡被压进了底垫试图形成连接。我们还可以看到一层焊料膜把凸块从底垫上分割开来了。有时候，焊料形成的连接形状不规则（如图5），表明密封剂在锡还是液态时就已经开始凝聚了。
　　没有后固化的焊料的一个问题是，精确工艺条件对固化程度的影响。既然在断裂前和装配冷却（甚至在出炉之前）之间短暂的间隔内，必须对焊料进行完全的固化，冷却速率的微小变化都可能会大大影响固化程度。这一效应在装配件完成回流时将变得难以辨识，但在这之后会影响可靠性——没有充分固化的材料会降低质量。使用相似的回流条件而需要后固化的密封剂受冷却速率的影响会小得多。
 


图4. 由于密封剂开始凝聚而没能形成连接

　




图5. 快速（没有后固化）回流密封剂不规则形状连接的X射线图

　　

　　气泡在回流的过程中既可以产生也可以消失。当锡连接断裂时，焊料进一步被挤压出来，易于使气泡仍然停留在凸块周围的后部。一旦这些气泡到达圆角，由于焊料仍然完全是液体的，气泡就可以跑到液体材料的表面或者溶解在其中。因此，圆角能产生无气泡的回流。另一方面，在圆片下面或在中心凸块附近的气泡在破裂的过程中不太可能到达圆角处。它们消失的唯一途径就是溶解到液态密封剂中，事实上我们也的确通过玻璃板观察到气泡溶解到一滴密封剂中。气泡的溶解得益于初生成的小气泡以及温度的升高，但是随着焊料变厚以及由于焊料凝聚产生的水分或者基板中的水分扩撒到仍然存在的气泡中，气泡的溶解就变慢了。
　　这个行为显示了传统回流的另一个优点。高温下相对长时间的浸泡为气泡的溶解提供了理想的条件。最后需要强调的是要确保板子足够干燥。否则，即使在前面的回流循环过程中所有汇集的的气泡都已经溶解掉了，还是会形成新的气泡。
　　•结论
　　使用适当的板子，优化的涂布过程，贴装过程以及回流条件，用没有过多气泡的回流密封剂有可能实现100％的电连接。这将会降低任何一种底部填充剂的效力。某些焊料只能忍受很窄的工艺范围，而另一些却不那么敏感。
　　随着我们对装配参数的了解，在其限度内继续改进材料技术，特别是热系数匹配材料、回流密封剂，在很多情况下可以取代传统的有毛细管的底部填充剂，简化装配流程并且节省成本。

http://www.emchinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=2053

谢谢各位的指教，我会试一下的．

哇，很详尽呢，望楼上继续发扬

一个成功实现无铅组装的实例（II）
作者:Ronald Lasky和Timothy Jensen，Indium公司

　　WEEE法规将如期实行，这意味着从2006年7月1日开始，卖到欧盟的所有电子产品都必须实现无铅化组装。目前已有制造商成功开发出了无铅组装工艺，实现了无铅组装并生产出了数百万的无铅化产品。位于美国佛罗里达州的Motorola公司开发出来的一个“免洗”无铅工艺就是一个成功案例。
　　工艺过程的建立
　　以下是Motorola公司开发一个无铅工艺的主要过程。所讨论的焊膏的选择和工艺的建立，适合于所有上述PWB和元器件引脚表面处理。Motorola挑选了数家焊膏供应商的产品进行评估，最终选择了Indium公司（

www.indium.com

）的无铅焊膏进行无铅工艺的开发和产品制造。


　　● 设定评估标准
　　该工艺过程开发的成功的评估标准是：
　　a) 在t=0时，所有焊膏印刷体积必须一致；搁置1和4小时之后，焊膏印刷体积的变化应小于+/-20%。
　　b) 焊膏粘度必须通过IPC-650和Sanyo TCM 3000设定的测试标准。
　　c) 在板子回流“工艺窗口”内，即峰值温度229-245oC， 液相线以上时间（TAL，times above liquidus）60-80秒，达到可接受的润湿和焊接性能。
　　d) 焊接质量评估包括：通过可视检查、润湿和焊接测试。
　　e）进行必须通过表面绝缘电阻（SIR）测试。测试采用IPC/J-STD-004和Motorola自己更严格的测试样本(IPC-B-25)。
　　f) 通过包括跌落测试、液液温度冲击、剪切力测试等可靠性测试。
　　Motorola测试了来自8家供应商的25种焊膏，并且使用了标准的Sn/Pb焊膏作为对比试验。该无铅项目的完成一共用了3年的时间，费用超过一百万美元。
　　● 焊膏的钢网印刷评估
　　采用gage重复性和再现性(Gage R&R)，设计DOE试验，以测量钢网印刷焊膏体积的一致性。在时间=0（新鲜搅拌焊膏）、1和4小时焊膏搁置时间时，进行测量。对0.3mm (12 mil)SMD焊盘总共进行5种焊膏印刷试验，对比控制焊膏为SnPb焊膏，结果显示所有焊膏印刷体积都在大约+/- 20% 2σ下进行一致性控制，这种控制被认为在应用上是可接受的。
　　搁置1小时后，很明显有些焊膏就不可接受了，其中有的平均印刷体积减少大约35%。Motorola做了类似的众多试验，并将试验结果同焊膏供应商分享，以协助他们改善焊膏，开发出更好的新焊膏产品。
　　● 焊膏粘度试验
　　为了测试粘度，被印刷焊膏分别留置0、1、2、4和8小时后，采用IPC/J-STD-005规定的粘度测试流程，使用了直径为5mm测试探针。测试结果表明对比样品或两种无铅焊膏之间没有明显区别，对大多数被评估的无铅焊膏均得到同样的结果。
　　元件贴装后还进行了振动测试，并通过目见检确认测试结果。测试中，元件被故意贴偏，从而评估焊膏是否能将元件拉回正确的位置。对大多数被评估测试焊膏来讲，测试结果是肯定的。与用于对比的Sn/Pb焊膏控制方法来讲，长时间的粘附性和粘度这两个指标与对比样品均没有明显的不同。


　　● 回流曲线开发
　　在整个无铅工艺开发过程中，回流曲线的开发是最重要的。控制参数有峰值温度Tp、液相线时间TAL和焊膏种类。评价标准是焊接性能和焊点质量。由于该部分工作最需要投入，为减少参与测试的焊膏种类，再次之前进行了大量的筛选试验，因此，只有8种焊膏进入回流DOE试验（供应商A：焊膏1-3号；供应商B：焊膏1-3号；供应商C：焊膏1和2号）。




　　图2为一个全因素2x3 DOE试验方案。该DOE非常严格，为了得到优良的回流性能，其Tp只有229℃，TAL只有60秒。Tp仅高于焊料熔点12℃，甚至比通常共晶Sn/Pb焊料的温度设置还要严格。图6为使用的“斜坡状峰”回流曲线，在热风回流环境中，从P1到P9，焊膏性能必须要得到较好的发挥。


　　DOE评估结果是，只有一种焊膏（铟公司的NC-SMQ230），能够在9种回流温度下提供良好的焊接和焊点，满足所设立的无铅焊膏的评估准则。Motorola最终选择了图3所示为这种焊膏的回流曲线。在+/-5℃的典型的回流工艺温度变化范围内，这种焊膏满足所有P1-P9情况的回流温度设置。与其它参与评估焊膏相比，该焊膏具有良好的焊接性能，焊接效果如图4所示。我们相信，大多数无铅焊膏焊接差的原因是由于助焊剂不能保护无铅焊料粉末颗粒免受热风回流焊接过程中空气对其氧化的影响。
　　焊接质量与焊脚质量的结果是一致的（图5），并且焊接效果和SnPb焊料焊接效果几乎一致。差的焊点上锡不足，影响焊点区域可靠性，采用高倍放大镜测量焊料和PWB焊盘之间界面，发现NC-SMQ 230焊膏在界面处形成了均匀的金属间化合物（图6）。
　　● 表面绝缘电阻（SIR）测试
　　焊膏回流焊接后，必须通过SIR测试。Motorola开发了一种比IPC/J-STD-004推荐的更严格的测试，将温度、湿度、J-STD-004电阻要求与IPC-B-25规定的梳形测试样品结合起来进行测试。带有B25梳形图的测试PWB如图7所示。NC-SMQ 230通过了IPC和Motorola公司SIR的双重测试要求。
　　● 机械可靠性测试

　　可靠性测试包括跌落、剪切、液-液温度冲击和加速寿命循环（ALT）测试，这些测试都在真实产品上进行（本测试是蜂窝电话）。跌落试验包括：6个机械平面的1.5米跌落在一个硬表面上；2小时垂直和水平振动；48小时热冲击（-40到+80℃）。该测试步骤重复3次，随后所有样品均通过百分之百的焊点开裂分析。NC-SMQ 230焊膏的测试结果非常可嘉，与SnPb焊接工艺相比，此焊膏对焊接的焊点很少有明显开裂。
　　剪切测试是在选定的元件上完成的，样品首先要经过450个液-液温度冲击（-55到+125℃）循环。选定的用于测试的元件如图8所示，剪切测试的结果显示，NC-SMQ 230焊膏与传统SnPb的测试结果是相似的，在统计上并没有明显差别。
　　其它需要考虑的因素
　　在工艺开发之外，需要工艺工程师和管理人员优先考虑的其它几个无铅装联问题有：
　　● 缺陷
　　在大部分制造工艺里，常遇到各种缺陷，这里介绍2个重要缺陷，这些缺陷在工艺开发中经常出现，需要考虑如何解决。


　　在SnPb焊料组装工艺中，工艺无源元件的“立碑”是一个经常出现的缺陷。较高的表面张力和无铅焊料较高的熔点使“立碑”问题变得更加突出。图9示出了“立碑”的机理。元件一边的焊膏熔化比另一边早，是造成这一缺陷的通常原因。另外PWB焊盘上过多焊膏或元件贴装不对称也是造成“立碑”的原因。在本工艺开发中，当无源PWB焊盘含有盲孔，使得“立碑”现象尤其明显（图10）。这种现象可能是由于含孔焊盘传热更快，造成焊盘上温度较低的原因造成的。
　　修改钢网开口设计，减少焊膏印刷量，可有效减轻这种缺陷问题，具体钢网开口设计如图11所示。随后的工作还显示，在低于液态温度10°C时滞留一小段时间也可以减少“立碑”现象。
　　BGA和CSP焊点空洞现象，在常规SnPb焊膏组装过程中，也是通常发生的缺陷。空洞是由于回流焊接过程中焊膏助焊剂产生的气体无法释放出来造成的。氧化的焊球、焊盘表面和焊料粉末也会加剧空洞的形成。
　　无铅化会带来一些产生空洞的新的机制，比如使用一些Sn/Pb配方焊球的BGA。当无铅焊料和置有Sn/Pb焊球的BGA一起焊接时，焊球在低于焊膏熔点35℃下先熔化，在整个焊球处于熔融液态期间，焊膏却仍是固态，含有助焊剂产生的气体浸入熔融焊球，产生大量空洞。设计一个DOE试验，用于测量回流曲线温度斜率对空洞数量形成和总体积的影响，使用回流曲线温度斜率分别为0.5、0.8和1.5℃/s。试验表明斜率越高，空洞减少的越明显（图12）。尽管温度曲线斜率对空洞数量的产生无影响但是，空洞的体积比较明显地减小，结果仍然会满足规范要求。


　　● 无铅化过渡中的物流管理问题
　　无铅过渡需要确保有铅无铅焊膏、PWB、元器件避免发生参混。每一个电子装联厂商都应设立一个无铅化过渡物流管理团队，建立统一的规章制度。


　　● 统计过程控制（SPC）
　　在组装工艺过程中，统计过程控制（SPC）对保证高成品率非常有益，它为持续改进提供了数据。SPC对Sn/Pb工艺过程的控制非常有用，而在无铅工艺过程中，它是无铅化成功的关键。原因是工艺窗口变窄，尤其是要在回流焊接过程中避免对元器件和PWB的破坏。


　　包括Motorola在内的许多公司，做了大量的工作，已经成功实现了无铅工艺。这些工作显示，成功实施无铅化电子组装，回流工艺的控制至关重要。选择正确的无铅锡膏，才能获得良好的焊接和焊点质量。基于这些实践产生的评估工具软件，如Indium的AuditCoachTM，可以帮助用户评估目前工厂的组装工艺技能和实践的现状。但是，无铅工艺严厉的组装要求下，第一流的工程师，世界级的基本工艺技能，仍然是最终产品达到高成品率的关键。

http://www.emchinamag.com/Cstmf/BCsy/AtcShow.asp?AID=2049

是锡铅的