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应对电子装配中枕头现象的桃战
2010-12-06
自电子制造业采用无铅技术以来,枕头现象已成为一个比较普遍的失效模式,并得到广泛关注。枕头现象是由于球栅阵列(BGA)、芯片级封装(CSP)乃至堆?封装(PoP)的焊点没有完全润湿,出现工艺异常,包括焊膏和BGA焊料球在再流焊后,没有实现坍塌。在横截面图上会发现好像是人头枕在软枕头上。导致枕头现象主要有两方面的因素:一是润湿不良,二是PWB或封装翘起。润湿不良是由于多种因素所致,如像:焊料球氧化;再流温度曲线不合适;或者是助焊剂作用不佳。本文重点论述了润湿不良的几种因素或枕头缺陷(供给、工艺和材料)所带来的

简介


  虽然,电子制造业已经适应无铅焊接中消费电子设备功能性和小型化的发展趋势的挑战,但是,随?超精细间距和面积阵列元件使用的与日剧增,对印刷性能和助焊剂技术将是一个挑战,越来越小的面积阵列元件会带来新的问题,比如枕头现象。


枕头现象定义


  枕头现象是常见于球栅阵列(BGA),芯片级封装(CSP),以及堆?封装(PoP)元件的一种失效模式。出于某种原因,PCB上印刷的锡膏和封装的焊球没有形成一个整体。初看的话,它就像一层薄膜覆蓋在熔融焊料的表面,阻止锡膏与锡球的融合。事实上,在某种情况下,好像熔融焊料的表面有一层氧化膜。还有一种情况,即:在回流过程中,如果使用的组件或PWB板容易变形,使得球体与锡膏分开,在回流阶段,锡膏与锡球熔化,但彼此不接触。冷却时,当热变形消退,熔融焊料上的氧化层将阻止它们接触。最终形成分开的焊点,类似枕头形状的焊接。从横截面来看,就像头靠在柔软的枕头上。


枕头现象的失效有两个主要的原因:


(1)极差的润湿能力;


(2)PCB或封装元件的弯曲变形。

  经审查,能够辨别出这两个原因,因为随机的枕头现象都是由极差的润湿所造成,而弯曲变形会导致边缘或中心的缺陷。极差的润湿或弯曲变形归纳起来源自三个方面的问题:供应问题、工艺问题和材料问题。


  极差的润湿能力源自很多方面,如锡球氧化或被污染,不恰当的回流曲线(因为无铅的较高炉温曲线而使BGA锡球过早氧化),或者极差的去氧化能力。


枕头现象研究


  本文将从三个方面阐述枕头现象缺陷:供应问题,材料问题和工艺问题。

  


  经过深入讨论这些导致枕头现象缺陷的问题之后,提出了消除枕头现象的方案。现实生活中的许多例子可以说明解答枕头现象。


供应问题


  供应问题也会导致枕头缺陷,这类问题通常发生在将BGA,CSP或PoP封装投入到组装线上进行生产之前。这类问题包括在半导体的生产、包装以及运输和储存过程中锡球的氧化。制造厂家或产品组装厂家不能轻而易举地控制这些问题,但他们必须知道并采取预防措施以减少问题的产生。


  另一种可能的情况,是众所周知的枕头现象的成因,即银的隔离。Ag的隔离是在冷却时,焊球的IMC中超负荷的Ag从焊料中迁移到焊球的表面。许多测试已经测出球表面的Ag含量高达35%。表面的高银含量改变了整个润湿性能以及回流阶段元件的贴装能力。银的隔离将导致球体的熔融不适当,以至于不能与锡膏的主体焊料很好地熔合。银隔离的成因并不是众所周知,而是由于在冷却过程中供应商控制不当所致。


  另一个可能的因素是球体的氧化。氧化的原因源于元器件的存储,其中包括潮湿敏感度等级(MSL)和惰性气体干燥箱存储、烘烤工艺和元件的在线上时间。惰性气体和湿度等级是主要的可用于控制的存储因素,其可以防止氧化和/或氢氧效应。元件的烘干工艺可以并将会使焊料球氧化层增厚。


工艺问题

  由于组装生产线导致的枕头现象被归类为工艺问题。这类问题包括印刷机设置、贴片机设置和再流。如果印刷参数设置不当,那么,就不能有效地实施印刷工艺。印刷问题有印刷漏印、印刷偏移或印刷机设置不当或模板设计不妥,这些问题与锡膏特性无关。印刷过程中PCB设置不当也会导致转移效率差。对位不良也是导致在印刷时焊盘周边被涂上焊料或焊盘内无焊料的原因,这是印刷机设置方面存在的另一个问题。PCB设置不当就不容易识别大尺寸或标准尺寸的元件,不过,在焊膏沉积的面积比低于0.66时,板子的设置也是至关重要的。为了避免出现这种情况,重要的是要确保网板与PCB之间没有空隙。在某些情况下,使用专用真空支撑块可以达到最佳的密封和对位。


  钢网设计也是工艺问题中需要注意的。极小的开口设计会导致锡印刷量不足,以至阻碍了元件与锡膏接触,甚至没有足够的助焊剂去去除锡球以及锡膏中的氧化物。就像转移效率一样,面积比在此也起到了巨大的作用。虽然,在涂覆焊膏过程中钢网可稍微增加施加焊膏量,但是,通常焊膏自身也会出现差异的。不一致或比较少的转移效率会降低焊盘上锡膏的印刷量,因此,有可能降低助焊剂的润湿能力,造成枕头现象。在一开始就将模板送入焊膏测试设备中,设备可以计算应沉积的焊膏理论量,然后,通过测量焊膏的实际沉积量创建百分比(转移效率)。


确保高转移效率


  转移效率(见图1所示)的不一致或下降都会减少焊盘上总焊膏的沉积量,因此,有可能降低助焊剂的润湿性,从而导致枕头缺陷。转移效率是我们现在跟踪的一些科学数据(统计数据)。影响转移效率的一些变量是网板的类型,气候环境和锡膏本身。在室温时,有时湿度也会影响转移效率,因为当锡膏变暖时粘度会下降,同时也会导致锡膏的粘力下降。湿度同样会影响到水洗锡膏,以至于有可能诱发冷坍塌。

图1 应刷虚度与体积的转移速度


  测量转移速率可能是确保回程焊膏量最大的有效方法,不过,一旦在考虑到变量时,就要测量转移速率。沉积焊膏的变化可以说明缺陷的程度。过分变化的结果有可能体现出来的就是超细间距缺陷的程度。因为没有哪一个方案是针对所有应用的,我们必须对每种焊膏印刷工艺进行考察。那么,你只有确定转移速率的上下限极限值。对于转移速率,每种工艺都有容许的不同下限极限值,这些极限值都是通过测试而确立的。例如:掌握焊膏高度的变量,排除由于实际印刷工艺这类其它原因以外而导致的变化必须产生。对于变化的一些较为常见的原因与板支撑块和刮板有关。在改善了焊膏沉积工艺的基本特性的控制情况下,焊膏高度的变化将会使最低缺陷程度下降。

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