超小元器件助焊剂工艺SMT组装探索
摘 要：传统SMT是应用印刷机与钢网将锡膏分配到每一个元件的焊点。本文通过阐述几种助焊剂贴装的可靠焊接方法，来倡导的元器件与PCB预镀焊锡或使用锡片，只印刷助焊剂到每一个元件的焊点，贴装元器件过回流焊，这种流程的工艺简单，可靠性会更高！
关键词：SMT、助焊剂、超小型元器件、预置锡片、可靠性
1 SMT组装危机
SMT是PCB表面贴装元器件的组装技术。元器件是电子组装发展的基础，元器件的变化推动组装设备与组装工艺的革新。随着半导体和微电子元器件尺寸小到毫微级，传统的SMT组装技术已经遇到严重的危机。美国学者D.O Popa在2004年就指出：若按摩尔定律继续进行的话，会在2010年以后的十年中发生“电子组装危机”。他还指出：组装和封装复杂电子系统的成本将占到整个系统制造成本的60%-90%。SMT微电子组装技术的变革已经迫在眉睫，将会在2022年前出现蜕变，我们回顾一下SMT组装技术几十年的历史。
第一代SMT起始于 60年代美国军方，发展于 70年代后半期日本，从片状元器件、组装工艺和支撑材料的成熟，以及自动化设备大量研发出来，为SMT的发展奠定基础，80年代SMT逐步代替通孔插件技术（THT）。
第二代SMT实现细间距元器件的高速组装。90年代，随着I/O端子数的增多，器件的封装形式也将由QFP快速地向球栅阵列式封装形式过渡，BGA、CSP成为封装技术的主流，片式元器件0402大量应用，SMT实现了高速组装。
第三代SMT小型元器件超高速组装，21世纪随着手机由功能机向智能机发展，SMT实现了小型片式元件0201、01005与 CSP、QFN、POP、3D超细间距封装等器件的超高速组装。2015年超小型元器件03015（0.3 * 0.15 mm）已经量产如图1所示，其贴片工艺倍受关注，锡膏印刷工艺将是最大的挑战。日本JEITA电子组装技术委员会预测，到2020年贴装片式元件将实用0201尺寸（0.2 mm *0.1 mm）量产。芯片按摩尔定律发展如图2所示，芯片不断缩小，引发PWB、SMT与芯片封装三大行业不断渗透，系统级芯片封装SOC（system on chip）与系统级封装SIP（system in package）已经应用到iphone7与iwatch上面。
超小型元器件的组装对焊锡膏、钢网与印刷机的要求已经临近极限，3D打印锡膏应用成本又非常高。锡膏、钢网与印刷机已经很难全面满足各种焊点对焊锡分配的要求，SMT面临组装工艺的危机，变革的技术方向在哪里？
图1一根头发与03015元件比较 图2芯片封装发展
2 锡膏印刷工艺瓶颈
2.1合金焊料粉大小
锡膏中合金粉末形状大部分为球形颗粒，球直径大小一般在30-200 um之间。大颗粒锡粉影响漏印，而颗粒太细表面积又增大，被氧化的程度会增高。合金粉末的形状、粒度和表面氧化程度对焊膏性能的影响很大，见图3。
随着元器件的不断的变小，对合金粉颗粒会要求越来越小，4号、5号合金粉已经大量应用，然而粒度减小带来的是合金粉末氧化的几率增大和焊料球的增多，焊膏抗冷、热坍塌的能力变差，桥连现象将更严重。
5号粉再小的合金粉不宜采用，大批量制造球直径<15 μm颗粒焊粉会非常困难，这样对焊膏中的助焊剂的保护性、活性、印刷时的工艺性也会要求更苛刻。
2.2 钢网厚度
随着元器件焊点不断小型化，要求钢网越来越薄，已使用钢网最薄的是0.08mm，当钢网的厚度过薄(如<70 μm)将导致梆网时张力不够，稳定性变差，使用寿命变短，焊膏印刷定位质量更差。采用nm级微晶的FG钢网材料，也是一种有限的改善办法，不能从根本上解决问题。技术上依据IPC—7525钢网开口尺寸的指南的要求。
1）三球定律：至少有三个最大直径的锡球能垂直排在模板的厚度方向上，至少有三个最大直径的锡球能水平排在模板的宽度方向上。
2）宽厚比：开口宽度与模板厚度的比率大于1.5（W／T﹥1.5）。
3) 面积比：开口面积与孔壁横截面积的比率大于0.66【W·T／2T(W+T) ﹥0.66】。
4) 若L<5W,则考虑宽厚比，否则考虑面积比。
减小焊料粉的粒度或减薄钢网的厚度，对锡膏的印刷释放是有限的改善，这样3D打印锡膏成为解决焊膏印刷工艺的理想思路，也同样面临材料与技术的瓶颈。
2.3 印刷机精度
印刷机的刮刀速度、压力与脱模速度等是保证焊锡膏印刷的参数，印刷机的印刷精度和重复精度是衡量可靠性的重要参数。除了进口MPM与DEK等设备外，国产印刷机有GKG等应用到iphone7的生产流程中，其他的还难以满足超小型焊点对印刷机的各项要求。
焊膏印刷时，焊膏在金属表面上的铺展所受的力是其面积的函数。显然，焊膏在微细的金属表面上润湿将明显受到影响，当焊盘尺寸W≤150μm时(相当于03015元件)，若焊膏印刷时偏位量δ≥20%XW时，如图4所示。回流时焊膏就很难全部缩回到焊盘区，从而造成桥连和焊料珠。针对该例，印膏印刷机的精度ε和重复性均应<20%×W，即ε<30μm。显然印刷机必须达到重复精度（6σ@±15μm）和印刷精度6σ@±25 μm，才能满足需要。
图4印刷机的精度和重复性要求
2.4 锡膏释放
对于超细钢网的开孔，锡膏印刷后钢网与PCB脱离，毛细作用成了阻碍锡膏从钢网开孔内漏印的主要阻力，而对大开孔的锡膏，毛细现象可以忽略不计。针对不同钢网开孔对焊膏释放的统计表明，毛细现象是造成超小焊点少焊料，致使焊点可靠性下降的主要原因。超细钢网的锡膏释放毛细现象，又成为锡膏印刷工艺的瓶颈。
3 预置焊锡工艺的发展
3.1 BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球锡膏工艺
BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球能够形成良好可靠的焊点，已经广泛应用20年了，如图5所示是2000年生产的Flip-Chip与CSP器件。随着电子产品微型化，BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球的球引脚间距的越来越减小，当间距小于一定值时，印刷锡膏技术己很难适应了。试验表明在采用焊膏贴装回流焊接时，回流焊接的最小引脚间距为300μm，而采用助焊剂贴装回流焊接时，可达100μm。故当引脚间距小于300μm时，锡膏回流焊接工艺已经超过极限了，而BGA、CSP与Flip-Chip预置锡球如果采用印刷助焊剂贴装回流焊接，最小球引脚间距的工艺限度可以达到50μm。故采用助焊剂贴装回流焊接是应对超细脚间距芯片的工艺方法。
图5 采用预置锡球的芯片
3.2 POP助焊剂贴装工艺
PoP （Package on Package）是利用SMT技术将一个零件贴装在另一个零件的上表面；Bottom 零件的上表面有类似于PCB上的焊盘用来贴装焊接Top零件，属于3D组装，主要是粘助焊剂、贴装再过回流焊接。2000年前3D堆叠技术大部分还只是应用在闪存及一些移动记忆卡中，如2000年Nokia 8210手机已结使用POP技术，在逻辑控制器上放置一枚内存(DRAM)，如图6所示。
PoP技术广泛应用，模糊了一级封装与二级装配之间的界线，大大提高逻辑运算功能和存储空间，为终端用户提供了自由选择器件组合。如图7所示，手机逻辑电路上下层芯片3D 装配，粘助焊剂贴装，无锡膏贴装过回流焊。对于超细间距芯片与Flip-Chip，采用助焊剂贴装回流焊接已经广泛应用，是SMT比较成熟的工艺流程。
图6 逻辑控制器上贴装内存(DRAM) 图7 PoP技术在手机上的应用
4预置成型锡片的工艺
4.1 预成型锡片概念
预置锡球在BGA上应用较早，在一些有特殊的焊接要求地方，需要加大焊锡量，需使用预制成型锡片（solder perform），如图8是预制标准片式锡片，与片式元件一样的包装、贴装、过回流焊。由于锡片工艺的简单、可靠性高，使用量逐年增加，已经引起了国产焊锡厂家的注意。
图8 标准锡片
图9不同形状的锡片
锡片有与锡膏相同的属性，相同合金的固态焊料SnPb或SAC305等，图9是根据不同的需要制作的不同形状锡片，按照形状有可分方形、圆形与不规则形状，根据焊点要求体积可精确计算，一般而言，锡片的尺寸占焊盘的尺寸比为80%-90% ，可选择盒装、料盘装或散装，也可手工贴片。锡片可分含1%～3%的助焊剂或无助焊剂两种。锡片也需要助焊剂，锡片表面镀助焊剂可助焊盘与元件去除氧化，有助于焊接。
4.2 预成型锡片在QFN应用
应用成型锡片工艺，先印刷锡膏，对锡膏量的要求是越少越好，仅作固定焊盘的作用，锡片尺寸一般为接地焊盘点的80%，锡片的厚度一般为钢网锡膏印刷厚度的50%～70%，免洗助焊剂重量比一般为1.5%，需要考虑免洗助焊剂兼容性。如图10预制锡片放置工艺，从下到上分别是PCB、锡膏、成型锡片与QFN元件，锡片贴放在印刷了锡膏的焊点上，再贴装QFN元件，贴装完成过回流焊不需另外调整炉温曲线。试验统计表明使用预制锡片，QFN器件解决了大面积焊接空洞问题。
图10 预制锡片贴在锡膏上面，而后再贴QFN
如图11是使用预制锡片QFN回流后气泡比例对比图，其中第一个图是没有使用锡片的QFN，
图11使用预制锡片QFN回流后气泡对比（使用锡片前气泡比例46%，使用后气泡比例5.2%）
5 元器件与PCB预置焊锡工艺
图12 电阻器的外型结构
由于锡膏工艺的制约，面对超小型元器件，传统的锡膏技术己很难适应了，而采用助焊剂贴装回流焊接时可达100μm，甚至50μm至更小，适应超小型元器件组装。PCBA全部采用助焊剂贴装回流焊接是发展趋势，这样就要求元器件或PCB采用焊锡预置方法，将焊锡电镀到元器件焊点或用预置成型锡片放置到焊点，印刷只用采用助焊剂，再贴装元器件过回流焊，形成良好可靠的焊点。
5.1 元器件预置锡球、锡片或镀锡（R、C、L、SOT、QFP、BGA、CSP）
5.1.1 元器件电镀预置焊锡
BGA预制锡球的技术已经非常成熟，超小型元器件也可以采用焊点预置锡球或锡片的工艺。这里仅以电阻器为例，分析电镀焊锡工艺。电阻的外型结构如图12，其中（1）是高铝陶瓷，它是片式电阻的基体；（2）是金属膜或碳膜电阻；(7)、(8)、(9)分别是包封玻璃，起到防潮的保护作用；(4)、(5)、(6)三层端焊头，最内层(4)为银钯（Ag-Pd）合金，厚度为0.5 mil，它与陶瓷基板有良好的结合力；中间层（5）为镍层，厚度为0.5~1 mil，它是防止在焊接期间银层的浸析；最外层（6）为端焊头，普通的电阻镀锡层只有1 mil。而电镀预置焊锡，厚度约10 mil，作为与焊盘焊接的锡，依据不同的尺寸的元件，电镀不同厚度。
5.1.2 元器件焊点焊接形态
预置锡片焊点的可靠性，以片式元器件焊点的理想焊接形态分析为例，从图13中可以看出，焊锡不是越多就越好，只需要形成良好的IMC合金层就好，标准的焊点对焊锡量需要的不多，它有两个焊点，分别在电极的外侧和内侧。外侧焊点又称主焊点，主焊点呈弯月面状，维持焊接强度；内焊点起到补强和焊接时自对中作用。由图13可知理想的焊盘长度为B=b1+T+b2，式中b1取值范围为0.05~0.3 mm，b2取值范围为0.25~1.3 mm。
图13 理想的焊接形态
5.2 PCB预置焊锡
5.2.1 PCB预置焊锡方法
PCB焊盘涂镀层的种类比较多，工艺也非常成熟，预置比较厚的焊锡，还是比较少，在日本PCB预置焊锡的工艺已经开始研究，国内还是刚刚起步。如图14所示大概的步骤是：
（1）通过化学发应,在焊盘表面形成一层粘性层；
（2）向PCB上喷洒锡粉，在粘性作用下在焊盘表面附着一层锡粉；
（3）向锡粉表面喷一层松香 ；
（4）过Reflow加热，在焊盘表面形成一层焊锡层。
图14 PCB上预置比较厚的焊锡
5.2.1 助焊剂贴装工艺
图15 电阻无锡膏贴装与过回流焊 图16 Flip- Chip无锡膏贴装与过回流焊
通过在PCB焊盘上形成一层厚厚的锡层 , 然后在贴装中只需要印刷助焊剂松香，起着粘着元件与帮助焊接的作用，贴装好后，直接过回流焊，如图15所示是片式电阻。如图16所示是Flip-Chip器件，在无锡膏工艺下，贴装、过回流焊的过程。Flip- Chip Process使用PCB预置焊锡的工艺，供给焊点焊锡，然后在贴装中只印刷或喷涂助焊剂松香，直接过回流焊，形成良好的焊点。PCB焊盘预置焊锡，焊接精度高，降低焊接工艺要求，可以应对各种元器件包括Fine Pitch脚间距为 65μm的器件,预制焊锡是一种突破性PCBA组装工艺。
6 结论— 预置焊锡工艺是发展的方向
采用焊膏贴装回流焊接时，回流焊接的最小引脚间距为300μm，而采用助焊剂贴装回流焊接时可达100μm，甚至更小。面对新型超小型元器件广泛应用，预计2022年，微小元件已经到了极限，贴片机贴装头的取放贴装将发生根本性变革，助焊剂工艺将全面替代锡膏工艺。采用焊锡预置方法，不需要锡膏与印刷工序，合格率大大提高，预置焊锡工艺不用锡膏作焊料，不必担心焊料的寿命。这种预置锡膏的PCB镀层储存几个月后生产没有发生不良反应。 助焊剂贴装回流工艺的优点：
(1)对OEM厂家SMT工艺要求降低；
(2)对锡膏印刷机的要求大大降低；
(3)对钢网开孔方式要求降低；
(4)可靠性增强，不会出现少锡、短路与锡珠现象；
(5)降低OEM厂家成本，只要购买相应的助焊剂，不用购买锡膏。
(6)满足军工企业高可靠性要求高，可以先行，带动行业发展。
我国有全世界最多的焊锡材料厂家，但是在预置焊锡、锡片与锡球材料上面，一直依靠国外厂家。如果一部分有能力的焊锡厂家，转型做预置焊锡、锡片与锡球，将是一个充满前景的产业，超小元器件预置锡的应用将会推动微电子焊接的革命，预制焊锡是一种突破性PCBA组装工艺。
