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超细间距发展趋势对锡膏的新要求

作者:吴晶 蒋乙秋来源:深圳市唯特偶新材料股份有限公司 浏览次数: 日期:2017-12-20 17:21:27

  随着电子产品向短、小、轻、薄的方向发展,引发封装器件向更小、更薄、更快、更方便和更可靠的结构趋势转变。在此市场发展趋势下,比0201器件更小的01005器件和0.35MM间距的芯片得到推广和应用,这意味着SMT组装的难度将大幅提高。焊盘尺寸和间距的微细化将使锡膏的下锡和焊接难度显著增加,现用4号粉锡膏在01005器件和0.35mm细间距的芯片印刷上将难以满足需求,如何提升品质和提高焊点的可靠性对焊锡膏应用性能提出了新的要求,新一代更细粉---5号粉无铅锡膏的选用将成为行业的趋势。
  本文主要通过对4号粉与5号粉无铅锡膏在高端智能手机和专用测试板上的印刷和焊接性能进行测试对比评估,通过各方面数据采集,分析其差异性,并确定了新一代5号粉锡膏能完全满足0.35mm超细间距芯片和01005焊盘设置的印刷要求和氮气氛围下的焊接要求 ,为未来在更细焊盘的焊接上选择更合适的焊膏和网板开孔提供参考。

1. 器件封装微形化趋势给焊接工艺带来的难点
1.1 小型化器件封装的发展趋势

CHIP元件(无源元件)及焊盘尺寸的变化(单位:mm)表1


  通过上表可以得知,当元件尺寸从0402转向01005时,焊盘面积将减少85%。


BGA元件(有源元件)间距及焊盘尺寸的变化(单位:mm)表2


  通过上表得知,当BGA间距从0.5转向0.3时,焊盘面积将减少50%。
 

 

1.2 焊盘尺寸缩小对应网板开孔要求
 

 

IPC-7525网板开孔要求
 
不同模板厚度在不同器件焊盘上得到的面积比和宽厚比(开孔比例1:1) 表3


不同模板厚度在不同BGA上得到的面积比和宽厚比(BGA圆形开孔) 表4


1.3 网板厚度与面积比(AR)成反比,因此当网板开孔缩小时,想得到标准的面积比必须减小网板厚度。
1.4 焊盘尺寸和间距越细,锡膏的印刷下锡难度就越高,下锡体积量成倍量级减少,
造成焊接难度增加。
1.5 缩小焊盘尺寸和引脚间距,想要获得标准的下锡面积比,只有通过减薄网板厚度来实现,但这样做会使锡膏下锡的体积量大大减少,毫无疑问,这对焊接将会造成影响;比如,目前使用4号粉锡膏生产组装密度比较高的高端智能手机产品,此产品上有多个0.4mm间距BGA和大型的结构件及平面框,采用0.1mm厚度的网板,0.4mm间距的BGA所得到的AR=0.625<0.66,这造成BGA印刷下锡不良而导致假焊或连锡,而采用0.08mm厚度的网板, 0.4mm间距的BGA所得到的AR=0.781≧0.66,可获得理想的下锡效果,但对于吃锡量较大的结构件和平面框却因为锡量不足而容易导致假焊,如何能有效的解决此两者的问题而又能提升焊接良率?5号粉锡膏的选用成为行业发展的趋势。
 
2. 锡膏粉径的差异对印刷和焊接的影响
2.1 4号粉与5号粉的粉径差异性


4号粉颗粒状态及粒径分布(标准粒径范围20-38UM) 表5
 
5号粉颗粒状态及粒径分布(标准粒径范围15-25UM) 表6

 

 

  采用显微颗粒图像分析仪锡粉粒径进行检测,发现4号粉的粉径90%分布在30-35UM,而5号粉的粉径92%分布在18-25UM,说明5号粉粉径比4号粉粉径要少10UM以上。
 

 

2.2 粉径颗粒对应网板开孔和焊接的关系


 

  五球定律:对于钢网的厚度一般不小于锡膏颗粒直径的四倍,最好是五倍。对于钢网的最小矩形开窗一般不小于锡膏颗粒五倍。对于最小圆形开窗一般不小于锡膏颗粒八倍。确保这样的关系,我们可以确保比较好的焊接质量。

 


锡粉颗粒与网板开孔的关系    表7


  从表7中可以看出,采用现常用的两种网板开孔方式,4号只能满足“三球定律 ”,而5号粉可满足“五球定律 ”,因此可获得良好的印刷和焊接质量。
 

 

2.3 4号粉和5号粉表面含氧量的差异
 

  从上表中可以看出,锡粉越细,表面含氧量越高,表明在焊接时需要更多的助焊膏来去除氧化。
2.4 不同粉径的下锡对比
  依据现行业智能手机产品比较通用的钢网开孔方式(0.4mm PITCH BGA开0.235mm,方型,倒角0.5R),采用0.08和0.1MM两种钢网进行印刷下锡对比。
2.4.1 印刷后锡膏成型效果对比

 

  由于粉细的原因,5号粉比4号粉锡点更均匀饱满,4号粉其下锡和成型性都要稍差。
2.4.2 4号粉和5号粉在0.08和0.1MM钢网的印刷数据对比

 

BGA和SIM卡器件   表8
 

 

  BGA下锡量可以看出,0.1mm钢网下锡量明显增多;SIM卡处(钢网局部加厚到0.1mm),与5号粉0.1mm钢网的下锡情况无明显差异。
 

CHIP和QFP器件  表9


  针对大的CHIP焊盘和QFP器件,两种锡膏在0.08mm钢网上印刷下锡差异性不明显,但是采用0.1MM的钢网,5号粉下锡更多一些;总体下锡量,0.1mm大于0.08mm。CPK值5号粉均大于4号粉。
2.5  4号粉与5号粉在0.2mm焊盘上(01005器件试验板)的印刷下锡对比

2.5.1 试验板 01005 CHIP焊盘和0.2MM BGA焊盘设计  表10
 

测试板焊盘设计  备注:1和2为OSP,3和4为镍金
 

 

2.5.2 印刷下锡成型对比
 

  4号粉在01005和0.2MM焊盘上下锡存在明显拉尖、少锡等缺陷;5号粉下锡均匀、饱满、成型良好。
2.5.3 印刷下锡的SPI(台湾TR7007D)数据对比分析  表11

 

  通过SPI的SPC数据分析,5号粉每一片板的CPK值都大于1.33,且印刷下锡的高度、面积和体积都很接近,说明5号粉在01005和0.2mm焊盘上的印刷下锡均匀性较好,可满足其印刷要求;而4号粉的印刷数据波动较大,且只有两片板的CPK值达到1.33以上,说明4号粉锡膏在01005和0.2mm焊盘上的印刷下锡稳定性和一致性较差。
2.3 4号粉与5号粉的焊接对比
2.3.1实际测试的回流焊炉温曲线数据(为了解其不同焊盘炉温误差,使用5条测试线)表12

 

2.3.2  测试板上的焊接对比
 

  4号粉锡膏在01005器件焊盘和0.2mm焊盘上大部分焊点焊接良好,有小部分焊点存在葡萄球现象,不符合IPC标准;而5号粉锡膏焊点完全处于冷焊,说明锡粉越细,在受高温时越容易氧化,无法满足在空气条件下的焊接要求。
 

  4号粉锡膏和5号粉锡膏在氮气条件下过炉,焊点都圆润光滑、平面光亮,且能完全润湿焊盘,无明显差异性。
2.3.2  应用焊接数据对比:在智能手机上的焊接数据对比---虚焊

 

  4号粉锡膏和5号粉锡膏都采用氮气回流焊焊接,氧化浓度范围控制在1500ppm。从对比数据看,使用5号粉锡膏的Z90机型,BGA芯片虚焊缺陷率明显低于4号粉锡膏。
2.3.3 在智能手机上的焊接数据对比---连锡

 

  从数据分析,5号粉锡膏芯片的连锡少,是因为5号粉印刷下锡比较均匀,且无拉尖、渗锡等不良,而4号粉在细间距印刷上更容易产生拉尖,从而连锡概率高,而0.4mm间距连接器元件,5号粉锡膏相比4号粉锡膏因其下锡量多而连锡概率高,所以针对0.4mm间距的结构件钢网开孔在宽度方面要适当内缩一些,比如按1:0.9开,长度方面采用内切外延的方式。
2.4 4号粉与5号粉的空洞对比

 

  4号粉和5号粉锡膏在BGA焊点中都存在微小空洞,一次回流和二次回流无明显差异,但都满足IPC-7095A标准。
 

  MIC、弹片这些大焊盘上空洞4号粉锡膏比5号粉锡膏较多一些,是因为5号粉锡膏活性强,填充更好一些。
2.5  焊点切片和SEM/EDS分析
0.2mm BGA焊盘切片和SEM/EDS图片

 

  4号粉与5号粉锡膏在氮气的条件下过炉,均生成连续、紧密的IMC层,厚度及成分均接近,且均满足行业要求。
总结:
  通过上述4号粉和5号粉在智能手机和测试板上的应用及实验数据对比得到以下结论:
  1、在大焊盘上印刷,4号粉锡膏与5号粉锡膏差异性不明显,但对于0.4mm间 距的结构件,因5号粉锡膏下锡性好,更容易导致焊接连锡,故网板开孔需要内缩处理。
  2、4号粉锡膏在0.08mm网板厚度下印刷无法满足01005器件和0.2mm焊盘的印刷要求;且在空气条件下无法满足01005和0.2mm焊盘的焊接要求。
  3、5号粉锡膏在0.08mm网板厚度下印刷下锡均匀、饱满,一致性好,成型性好,完全满足01005器件和0.2mm焊盘的印刷要求。
  4、锡粉越细,表面含氧量越高,在受高温时氧化更严重,接时测需要更多或更高的活性成分来帮助焊接。用5号粉制备的锡膏在空气下回流,在细间距(小于0.27mm焊盘)焊接时必须使用氮气,否则会出现葡萄球和冷焊现象,无法满足焊接要求。而4号粉锡膏在等于或大于0.25mm的焊盘上在空气下回流可满足焊接要求。
  5、0.4mm间距的BGA,在同样的制程条件下(回流焊使用氮气,氮气浓度800-1500ppm),5号粉锡膏的焊接良率要远高于4号粉锡膏。可适用于现0.4mm间距的产品上。
  6、4号粉和5号粉锡膏在BGA焊点上空洞差异不明显,但5号粉锡膏在大焊盘上空洞要小于4号粉锡膏。
  7、通过0.2mm BGA焊盘切片和SEM/EDS分析,5号粉锡膏在使用氮气的条件下的焊接效果:生成连续、紧密的IMC层,厚度及成分均接近,满足行业要求。
结束语:
  目前5号粉锡膏已在多家大型的智能手机厂小量应用,其良率要远高于4号粉锡膏,但是因各加工厂商考虑使用5号粉锡膏会增加焊料成本和必须使用氮气焊接的成本,所以只在一些高端的产品上小量使用,但未来随着01005器件和0.35mm封装芯片在各类电子产品上得到使用,4号粉锡膏将再难满足印刷和焊接要求,届时5号粉锡膏必将代替4号粉锡膏,成为首选的焊接材料。如何解决5号粉锡膏在空气条件下的焊接要求,成为各锡膏厂商需努力解决的难题,唯特偶WTO-LF4000A-BDE/5B无铅无卤锡膏现已解决在0.25mm焊盘上空气条件下的焊接要求。

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