半导体元器件封装技术

SMT工艺技术基础：半导体元器件封装技术

摘要：摘要：SMT工艺控制的主要目的就是有一个良好的焊接效果。工艺控制水平是影响焊接的关键因素，设计和材料则直接影响焊接效果 ...

摘要：SMT工艺控制的主要目的就是有一个良好的焊接效果。工艺控制水平是影响焊接的关键因素，设计和材料则直接影响焊接效果。本文主要涉及焊接材料的相关知识，如PCB的表面材料及其处理工艺，元器件的引脚材料等。

焊接与2个表面

焊接是用熔融的填充金属使结合点表面润湿且在两个金属部件之间形成冶金的键合，填充金属的熔点要低于450度。英文名字叫做Soldering，意为“用在接触处熔化的非铁填充金属(诸如黄铜和钎焊料之类，其熔点低于基体金属的熔点)来焊接金属”。对于较高温度熔点的填充金属，焊接工艺被规类为硬铅焊。

每每谈到焊接工艺，尤其在选择Flux时，我们首先要考虑两个表面：管脚表面和焊盘表面。

一般很少有人去关心管脚表面的材料究竟是什么样一种东西，因为大部分元器件都是供应商大批量生产和供货的，元器件的焊接部位采用什么样的表面处理工艺大部分由元器件制造商来决定，而PCB组装厂很难对其进行严格的控制。而且，针对不同的PCB组装厂来定制元器件管脚表面的处理工艺是不划算的，当然除了特殊情况。因此，对于SMT工艺工程师和来料检测人员来讲，应该把关注的重点放在元器件的可焊性上，尤其是来料检测人员必须确保元器件的可焊性。

而PCB就完全不一样了，因为每一个产品的PCB都是量身定作的，设计人员和工艺工程师可以决定让PCB制造厂采用哪种合适的材料和PCB表面处理工艺，并对焊盘的可焊性进行严格要求和控制。更为重要的是，为了把PCB组装缺陷降到最低，设计人员必须明确规定采用那些可焊性好的材料来处理焊盘表面，以及他们的具体的技术规格；是来料检测人员则要对来料的可焊性进行严格检查。

常用的几种焊接金属

1、裸铜

经过化学清洗的裸铜是最容易焊接的一种材料，即使采用非常柔和的助焊剂；而且裸铜的处理工艺简单经济。但是裸铜很容易氧化和失去光泽，从而导致可焊性急剧下降，除非在回流焊炉中有强劲的Flux（松香基）保护铜表面。如果生产中用到了裸铜表面，在使用和储藏（储藏时间要尽量短）当中必须注意裸铜的可焊性！裸铜不能储存在含有硫的环境中，如纸、纸板、印刷品，因为硫很容易使铜生锈。

2、金

在元器件管脚（或引线）和插拔用的金手指中经常会看到金的存在，如今PCB焊盘也大量采用了镀金工艺。金的可焊性非常好，在回流焊接时它可以迅速溶于焊锡中，各种研究表明，镀金管脚上的金（厚度为50uinch）会在2秒内溶于锡铅共晶合金中。但是金价格昂贵，而且金会影响焊点的属性，过多的金会使焊点钝化、脆化。金镀层厚度要适当，而且要密（金呈多孔性），否则金下面的镍会被氧化，从而影响可焊性。

3、Kovar铁镍钴合金

双列直插封装及其相关集成电路的引线大都采用Kovar，但是Kovar很难焊接，因为它润湿性差，对于这种表面，多采用含有机酸的Flux或特制的酸清洗剂。

4、银

银曾经一度在电子工业流行，但是现在已经没有人采用银来作元器件引线表面和其他终端表面了，原因是银迁移现象的发生。20世纪50年代后期人们发现了银迁移现象，并在2 0世纪60年代初对这一现象进行了深入研究，研究结果建议尽量避开银的使用。银的可焊性不亚于裸铜。

5、浸锡

浸锡就是通过化学方法在裸铜表面沉积一层锡薄膜。刚经过浸锡处理的表面可焊性非常好，但是这种局面是暂时的，浸锡表面会迅速恶化并变得比裸铜表面难焊的多，同时锡在高温环境中很容易氧化。

6、锡铅

锡铅（共晶合金）被广泛应用于元器件管脚和PCB焊盘，它可以有效保护材料的可焊性。锡铅表面的处理工艺有电镀、热风整平等。经过合适处理的锡铅表面具有优良的可焊性和很长的保存寿命。

常见的PCB表面处理工艺

这里的“表面”指的是PCB上为电子元器件或其他系统到PCB的电路之间提供电气连接的连接点，如焊盘或接触式连接的连接点。

裸铜本身的可焊性很好，但是暴露在空气中很容易氧化，而且容易受到污染。这也是P CB必须要进行表面处理的原因。

1、HASL

在穿孔器件占主导地位的场合，波峰焊是最好的焊接方法。采用热风整平（HASL，Ho t-air solder leveling）表面处理技术足以满足波峰焊的工艺要求，当然对于结点强度（尤其是接触式连接）要求较高的场合，多采用电镀镍/金的方法。HASL是在世界范围内主要应用的表面处理技术，但是有三个主要动力推动着电子工业不得不考虑HASL的替代技术：成本、新的工艺需求和无铅化需要。

从成本的观点来看，许多电子元件诸如移动通信和个人计算机正变成平民化的消费品。以成本或更低的价格销售，才能在激烈的竞争环境中立于不败之地。

组装技术发展到SMT以后， PCB焊盘在组装过程中要求采用丝网印刷和回流焊接工艺。在SMA场合，PCB表面处理工艺最初依然沿用了HASL技术，但是随着SMT器件的不断缩小，焊盘和网板开孔也在随之变小，HASL技术的弊端逐渐暴露了出来。HASL技术处理过的焊盘不够平整，共面性不能满足细间距焊盘的工艺要求。

环境的关注通常集中在潜在的铅对环境的影响。

2、有机可焊性保护层（OSP）

OSP的保护机理

故名思意，有机可焊性保护层（OSP, Organic solderability preservative）是一种有机涂层，用来防止铜在焊接以前氧化，也就是保护PCB焊盘的可焊性不受破坏。目前广泛使用的两种OSP都属于含氮有机化合物，即连三氮茚（Benzotriazoles）和咪唑有机结晶碱（Imidazoles）。它们都能够很好的附着在裸铜表面，而且都很专一―――只情有独钟于铜，而不会吸附在绝缘涂层上，比如阻焊膜。

连三氮茚会在铜表面形成一层分子薄膜，在组装过程中，当达到一定的温度时，这层薄膜将被熔掉，尤其是在回流焊过程中，OSP比较容易挥发掉。咪唑有机结晶碱在铜表面形成的保护薄膜比连三氮茚更厚，在组装过程中可以承受更多的热量周期的冲击。

OSP涂附工艺

OSP涂附过程见表1。

清洗: 在OSP之前，首先要做的准备工作就是把铜表面清洗干净。其目的主要是去除铜表面的有机或无机残留物，确保蚀刻均匀。

微蚀刻（Microetch）：通过腐蚀铜表面，新鲜明亮的铜便露出来了，这样有助于与OS P的结合。可以借助适当的腐蚀剂进行蚀刻，如过硫化钠（sodium persulphate），过氧化硫酸（peroxide/sulfuric acid）等。

Conditioner：可选步骤，根据不同的情况或要求来决定要不要进行这些处理。

OSP：然后涂OSP溶液，具体温度和时间根据具体的设备、溶液的特性和要求而定。

清洗残留物：完成上面的每一步化学处理以后，都必须清洗掉多余的化学残留物或其他无用成分。一般清洗一到两次足夷。物极必反，过分的清洗反倒会引起产品氧化或失去光泽等，这是我们不希望看到的。