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2021-10-14

SMT锡膏焊剂清洗剂合明科技分享:表面组装技术之回流焊炉温度设置及焊点的切片金相检测

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:37

SMT锡膏焊剂清洗剂合明科技分享:

表面组装技术之回流焊炉温度设置及焊点的切片金相检测


合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商。精密电子清洗除焊后助焊剂、锡膏、焊膏、球焊膏、焊锡膏、锡渣等残留物。水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳. 先进封装包括倒装芯片、WLCSP晶圆级芯片封装、3D IC集成电路封装、SiP系统级封装、细间距封装等等。




摘 要:

 

随着电子元器件的小型化、高集成度的发展趋势下,SMT(表面组装技术)技术应运而生,SMT工艺的核心技术包括自动锡膏印刷、自动元器件贴装和回流焊三项技术。其中回流炉是SMT中的关键技术之一,回流炉参数设置好坏是影响焊接质量的关键,通过温度曲线的设置,焊接后的焊点进行切片分析、IMC层厚度检测,从而达到验证回流焊焊接曲线的目的。

 

随着电子技术的发展,回流焊已是SMT(表面组装技术)中的关键技术之一,回流炉参数设置好坏是影响焊接质量的关键;尤其是回流焊接中的温度参数至关重要。设定温度曲线的相关参数满足要求后,确定回流焊炉的工作温度,并对焊接后的焊点进行切片分析、IMC层厚度等检测,以确定焊接后产品的质量。

 

1 如何确定温度曲线

 

目前航天行业从可靠性考虑,电子产品的焊接大多以有铅焊料为主,选用免清洗有铅焊膏RMA-010-FP,焊膏粉成分63Sn37Pb,焊膏熔点为183℃,焊膏颗粒度为22~45μm,,黏度210Pa.s。

 

焊膏都有相应的温度曲线。根据回流焊的原理,一条温度曲线共分为5个部分 :

 

(1)升温区:将印制板由室温加热至100℃,但是加热速度不能太快,太快会导致助焊剂中的溶剂丧失。通常升温速度控制在<2℃/s。

 

(2)预热区:从100℃~150℃为预热区,目的是使PCB、元器件及焊膏充分预热,升温速度控制在<2℃/s,如果升温速度太快,一方面,元器件容易损坏并造成PCB变形。另一方面,焊膏中的溶剂挥发速度太快,易造成金属粉末溅出,产生锡球。

 

(3)快速升温区:从150℃~183℃为快速升温区,当温度升到150℃~160℃时,焊膏中的助焊剂开始迅速分解活化,如果时间过长会使助焊剂提前失效,影响液态焊料润湿性。理想升温速度为1.2℃~3.5℃/s。

 

(4)回流区:从183℃~183℃为回流区(大约需要60~90s),这一区域的温度设置的最高,焊料达到熔点变为液态,在回流焊区,焊接峰值温度一般比焊膏熔点温度高30℃~40℃。

 

(5)冷却区:从183℃~75℃,在这一区域内,焊膏中的铅锡粉末已经充分熔化并润湿被连接表面,应该用尽可能快的速度来进行冷却,这样将有助于得到光滑的焊点并有好的外形和低的接触角度。

 

由于一块印制板上大部分元器件为有铅器件,但个别进口器件是无铅器件,因此峰值温度比焊接有铅元件略微高 5℃左右 [4] 。用高温焊料将热电偶固定在器件晶振、SOJ、QFP引脚上,结合焊膏厂家推荐曲线和典型温度曲线来确定试验样品的焊接曲线。

 

(1)晶振器件引脚焊点最大升温斜率为1.3℃/s,预热区温度在100℃~150℃,停留80.2s,峰值温度为222.3℃,回流时间为 76.8s,冷却速率1.8℃/s。

 

(2)SOJ器件引脚焊点最大升温斜率为1.6℃/s,预热区温度在100℃~150℃停留73.8s,峰值温度为227.7℃,回流时间为77.1s,冷却速率2.1℃/s。

 

(3)QFP器件引脚焊点最大升温斜率为1.6℃/s,预热区温度在100℃~150℃停留68.1s,峰值温度为227℃,回流时间为77.1s,冷却速率1.9℃/s。

 

调试出的温度曲线满足升温区、预热区、回流区、冷却区的设定标准,按此温度曲线进行样品焊接。

 

焊接后的焊点经目测和放大镜检查焊点表面光滑、明亮。焊点表面无气孔或非结晶状态,无虚焊、假焊(冷焊)。焊点润湿良好,焊点与邻近的导电通路之间无拉丝、桥接等现象。

 

2 焊点金相分析

 

为了验证焊接曲线需开展焊点检测工作,我所委托一家具有材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务,并具有CNAS与CMA认可资质的专业实验室。其服务产品涉及:电子材料、电子元器件、CCL/PCB/PCBA、金属材料、塑胶材料等产品。服务行业涉及:印制电路、电子组装、计算机、航天等领域。

 

对试验印制电路板的焊点进行切片分析、IMC层厚度。切片金相分析用途广泛,通常主要用于焊点品质缺陷(锡裂、空洞、PCB 分层和焊点形状异常)分析和金属间化合物层(IMC)。以及在元器件键合接点及线路、PCB 焊盘表面镀层、PCBA及内层电路的综合性检查分析等。

 

切片分析其试验步骤为:

 

(1)在PWB板上截取样品;(2)器件做成切片(P1是SOJ元器件,P2是QFP元器件);(3)用研磨机將其研磨并拋光;(4)用电子显微镜选取切面图片測量分析(单位:μm)。如图试验样品切片分析运用的设备有乐可的真空冷镶机型号Q-290,Presi双盘研磨抛光机型号MINITECH263,蔡司的金相显微镜AXIO Imager.A2m。运用标准为检测标准:IPC-TM6502.1.1手动微切片法。

 

切片金相分析就是通过取样、镶嵌固定、定点切片、研磨抛光、切面微蚀、显微观察等一系列手段获得焊点横截面的金相结构的过程,并在显微镜下进行拍照。IPC-A-610F可接受1、2、3级任一焊料球的空洞等于或小于30%,IPC标准中却没有对 QFP、SOJ 的气泡(空洞)做相应的规定.检测结果: 样品空点率<10%。

 

检测金属间化合物(IMC)层厚度设备:Hitachi的扫描电子显微镜型号S-3400N。检测标准:GB/T 16594-2008微米级长度的扫描电镜测量方法。

金属间化合物(IMC)是在受热的条件下,融化的焊锡材料中的锡原子和焊盘或焊接元件(主要成分是铜原子)的接触界面原子相互扩散。

 

金属间化合物(IMC)层太薄(<0.5μm),是由于温度偏低且时间不足,造成焊接不充分,严重时会造成焊膏不熔。IMC层过厚(>4μm),是由于峰值温度过高或回流时间长,造成金属粉末严重氧化,影响焊点强度,严重时还会损坏元器件和印制板。从外观看,印制板会严重变色。

 

IMC层厚度检测先将样品切割、冷镶、研磨、抛光,样品表面经镀Pt 25s后,按照标准作业流程放入扫描电子显微镜样品检测位置进行放大观察。

 

IMC层厚度(单位:μm)检测结果:P1(SOJ元器件),L-S平均值2.01,R-S平均值3.61,L-X平均值2.33 ,R-X平均值2.35。,P2(QFP元器件),L-S平均值0.908,R-S平均值1.50,L-X平均值1.55,R-X平均值1.31。检测结果显示金属间化合物(IMC)层最薄在 0.5~4μm 之间时的抗拉是可接受的。

 

3 结语

 

有铅焊料和有铅器件、无铅器件的混和焊接,设置其回流焊温度曲线,并通过焊接后的印制板进行焊点切片分析、IMC层厚度检测,从而达到了验证回流焊焊接曲线。


来源作者:

陆政 舒慧 俞晓湖 蒋博男 潘明星

(上海航天电子技术研究所 上海卫星工程研究所)



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针对电子制程精密焊后清洗的不同要求,合明科技在水基清洗方面有比较丰富的经验,对于有着低表面张力、低离子残留、配合不同清洗工艺使用的情况,自主开发了较为完整的水基系列产品,精细化对应涵盖从半导体封测到PCBA组件终端,包括有水基和半水基清洗剂,碱性和中性的水基清洗剂等。具体表现在,在同等的清洗力的情况下,合明科技的兼容性较佳,兼容的材料更为广泛;在同等的兼容性下,合明科技的清洗剂清洗的锡膏种类更多(测试过的锡膏品种有ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO等品牌;测试过的焊料合金包括SAC305、SAC307、6337、925等不同成分),清洗速度更快,离子残留低、干净度更好。

 

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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,合明科技专注精密电子清洗技术20多年,是SMT贴装/DIP封装,功率半导体器件及芯片封装精密清洗工艺技术方案、产品、清洗设备提供商,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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