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應對電子裝配中枕頭現象的桃戰
2010-12-06
自電子製造業採用無鉛技術以來,枕頭現象已成為一個比較普遍的失效模式,並得到廣泛關注。枕頭現象是由於球柵陣列(BGA)、芯片級封裝(CSP)乃至堆?封裝(PoP)的焊點沒有完全潤濕,出現工藝異常,包括焊膏和BGA焊料球在再流焊後,沒有實現坍塌。在橫截面圖上會發現好像是人頭枕在軟枕頭上。導致枕頭現象主要有兩方面的因素:一是潤濕不良,二是PWB或封裝翹起。潤濕不良是由於多種因素所致,如像:焊料球氧化;再流溫度曲線不合適;或者是助焊劑作用不佳。本文重點論述了潤濕不良的幾種因素或枕頭缺陷(供給、工藝和材料)所帶來的

簡介


  雖然,電子製造業已經適應無鉛焊接中消費電子設備功能性和小型化的發展趨勢的挑戰,但是,隨?超精細間距和面積陣列元件使用的與日劇增,對印刷性能和助焊劑技術將是一個挑戰,越來越小的面積陣列元件會帶來新的問題,比如枕頭現象。


枕頭現象定義


  枕頭現象是常見於球柵陣列(BGA),芯片級封裝(CSP),以及堆?封裝(PoP)元件的一種失效模式。出於某種原因,PCB上印刷的錫膏和封裝的焊球沒有形成一個整體。初看的話,它就像一層薄膜覆蓋在熔融焊料的表面,阻止錫膏與錫球的融合。事實上,在某種情況下,好像熔融焊料的表面有一層氧化膜。還有一種情況,即:在回流過程中,如果使用的組件或PWB板容易變形,使得球體與錫膏分開,在回流階段,錫膏與錫球熔化,但彼此不接觸。冷卻時,當熱變形消退,熔融焊料上的氧化層將阻止它們接觸。最終形成分開的焊點,類似枕頭形狀的焊接。從橫截面來看,就像頭靠在柔軟的枕頭上。


枕頭現象的失效有兩個主要的原因:


(1)極差的潤濕能力;


(2)PCB或封裝元件的彎曲變形。

  經審查,能夠辨別出這兩個原因,因為隨機的枕頭現象都是由極差的潤濕所造成,而彎曲變形會導致邊緣或中心的缺陷。極差的潤濕或彎曲變形歸納起來源自三個方面的問題:供應問題、工藝問題和材料問題。


  極差的潤濕能力源自很多方面,如錫球氧化或被污染,不恰當的回流曲線(因為無鉛的較高爐溫曲線而使BGA錫球過早氧化),或者極差的去氧化能力。


枕頭現象研究


  本文將從三個方面闡述枕頭現象缺陷:供應問題,材料問題和工藝問題。

  


  經過深入討論這些導致枕頭現象缺陷的問題之後,提出了消除枕頭現象的方案。現實生活中的許多例子可以說明解答枕頭現象。


供應問題


  供應問題也會導致枕頭缺陷,這類問題通常發生在將BGA,CSP或PoP封裝投入到組裝線上進行生產之前。這類問題包括在半導體的生產、包裝以及運輸和儲存過程中錫球的氧化。製造廠家或產品組裝廠家不能輕而易舉地控制這些問題,但他們必須知道並採取預防措施以減少問題的產生。


  另一種可能的情況,是眾所周知的枕頭現象的成因,即銀的隔離。Ag的隔離是在冷卻時,焊球的IMC中超負荷的Ag從焊料中遷移到焊球的表面。許多測試已經測出球表面的Ag含量高達35%。表面的高銀含量改變了整個潤濕性能以及回流階段元件的貼裝能力。銀的隔離將導致球體的熔融不適當,以至於不能與錫膏的主體焊料很好地熔合。銀隔離的成因並不是眾所周知,而是由於在冷卻過程中供應商控制不當所致。


  另一個可能的因素是球體的氧化。氧化的原因源於元器件的存儲,其中包括潮濕敏感度等級(MSL)和惰性氣體干燥箱存儲、烘烤工藝和元件的在線上時間。惰性氣體和濕度等級是主要的可用於控制的存儲因素,其可以防止氧化和/或氫氧效應。元件的烘干工藝可以並將會使焊料球氧化層增厚。


工藝問題

  由於組裝生產線導致的枕頭現象被歸類為工藝問題。這類問題包括印刷機設置、貼片機設置和再流。如果印刷參數設置不當,那麼,就不能有效地實施印刷工藝。印刷問題有印刷漏印、印刷偏移或印刷機設置不當或模板設計不妥,這些問題與錫膏特性無關。印刷過程中PCB設置不當也會導致轉移效率差。對位不良也是導致在印刷時焊盤周邊被塗上焊料或焊盤內無焊料的原因,這是印刷機設置方面存在的另一個問題。PCB設置不當就不容易識別大尺寸或標準尺寸的元件,不過,在焊膏沉積的面積比低於0.66時,板子的設置也是至關重要的。為了避免出現這種情況,重要的是要確保網板與PCB之間沒有空隙。在某些情況下,使用專用真空支撐塊可以達到最佳的密封和對位。


  鋼網設計也是工藝問題中需要注意的。極小的開口設計會導致錫印刷量不足,以至阻礙了元件與錫膏接觸,甚至沒有足夠的助焊劑去去除錫球以及錫膏中的氧化物。就像轉移效率一樣,面積比在此也起到了巨大的作用。雖然,在塗覆焊膏過程中鋼網可稍微增加施加焊膏量,但是,通常焊膏自身也會出現差異的。不一致或比較少的轉移效率會降低焊盤上錫膏的印刷量,因此,有可能降低助焊劑的潤濕能力,造成枕頭現象。在一開始就將模板送入焊膏測試設備中,設備可以計算應沉積的焊膏理論量,然後,通過測量焊膏的實際沉積量創建百分比(轉移效率)。


確保高轉移效率


  轉移效率(見圖1所示)的不一致或下降都會減少焊盤上總焊膏的沉積量,因此,有可能降低助焊劑的潤濕性,從而導致枕頭缺陷。轉移效率是我們現在跟蹤的一些科學數據(統計數據)。影響轉移效率的一些變量是網板的類型,氣候環境和錫膏本身。在室溫時,有時濕度也會影響轉移效率,因為當錫膏變暖時粘度會下降,同時也會導致錫膏的粘力下降。濕度同樣會影響到水洗錫膏,以至於有可能誘發冷坍塌。

圖1 應刷虛度與體積的轉移速度


  測量轉移速率可能是確保回程焊膏量最大的有效方法,不過,一旦在考慮到變量時,就要測量轉移速率。沉積焊膏的變化可以說明缺陷的程度。過分變化的結果有可能體現出來的就是超細間距缺陷的程度。因為沒有哪一個方案是針對所有應用的,我們必須對每種焊膏印刷工藝進行考察。那麼,你只有確定轉移速率的上下限極限值。對於轉移速率,每種工藝都有容許的不同下限極限值,這些極限值都是通過測試而確立的。例如:掌握焊膏高度的變量,排除由於實際印刷工藝這類其它原因以外而導致的變化必須產生。對於變化的一些較為常見的原因與板支撐塊和刮板有關。在改善了焊膏沉積工藝的基本特性的控制情況下,焊膏高度的變化將會使最低缺陷程度下降。

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