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需要快速散热的应用中的工艺、设计及材料因素对焊锡空洞的影响
录入时间:2019/3/18 22:43:16

 

作者:Ranjit PandherMatthew SiebenhuhnerGyan DuttMitch HoltzerT.W. MokAmit Patel,ALPHA 组装方案公司

摘要

在各种半导体封装和电路板组件中,焊锡空洞是个常见的现象。在使用表面贴装技术制造的组件中,焊锡空洞是个让人头疼的缺陷。空洞会干扰电信号,在需要散热时,空洞将成为隔热体,当空洞靠近焊盘表面层时,又会成为裂纹扩展和组件早期失效的根源。可接受的焊锡空洞水平会随着组件所处的最终应用环境的变化而变化。在必须迅速散热的应用环境中,像汽车和户外LED照明,必须通过控制空洞水平来优化这些元件的性能并延长它们的寿命。在这些热焊盘与电焊盘上的空洞水平越低,与PCB和其他各层的连接就越好。

影响焊锡空洞出现的频率与尺寸的因素有很多。本文把重点放在几个能够有效控制或者有可能可以减少空洞的工艺、设计和材料选择等关键问题上,以达到LED行业和最终市场的可接受标准的要求。说得更具体些,就是从应用的角度研究封装设计、回流温度曲线和焊锡膏中的助焊剂化学成分对形成焊锡空洞的影响。本文研究的这些案例是在铝金属芯PCB上的商用中等功率PLCC和高功率陶瓷LED封装,以及这些研究案例中在FR4PCB上用到的BGA、D-Pak和MLF。

引言

全世界可接受LED光源推动这项节能技术进入大量市场与最终应用,包括高功率照明市场。应用例子包括汽车外部的前照灯,道路/街道照明灯,工业用高顶棚灯,建筑和娱乐照明。因此,客户对维护效率、管理规定、安全性,以及降低整个系统/替换成本的期望对提升采用率非常重要。

对于这些高可靠性要求和使用寿命要求,具备良好的组件互连可靠性对解决上述问题至关重要。

在LED Level 1(芯片连接)和Level 2(把封装固定在电路板上)的焊锡互连的基本作用是:

l 在额定使用寿命期内可靠并高效地传输功率和信息。

l 热管理——在额定使用寿命期内迅速可靠地散热。

l 在封装和系统尺寸相同情况下,在更长时间内,持续发出更亮的光。

l 能够在更稳定的处理条件下进行处理加工,例如多次回流组装。

焊锡中的空洞是在焊接过程中由助焊剂产生的气体滞留在焊锡中形成的,这些空洞可能会引起各种电信号问题,在需要散热时可能会起到热阻的作用,而且它们还会成为裂纹扩展和组件早期失效的根源。图1是在厚的焊锡层中的大面积空洞。出现空洞的现象是一个复杂的机制;有许多因素会导致焊锡中形成不同程度的空洞。形成空洞的因素包括:助焊剂的化学成分,回流温度曲线,材料的体积,可焊接的焊盘表面层和元件焊盘(热属性和电属性)的设计。

图1:滞留在焊锡层中的气体形成空洞。

对于Level 1的LED芯片贴装组件,从易于处理和成本的角度看,使用传统的焊锡是它的优势。但是,对于高功率和超高功率的LED,热管理的重要性非常突出。在LED中的结合点的温度将随着驱动电流的增大而上升。因为在LED中驱动电流在非常高时散热效率下降,从而造成超过50%电输入功率以热量的形式耗散,在连接点中的温度上升,通过增加无辐射重组,减少光的输出,导致发光效率下降,额定使用寿命变短。因此,为了保持高功率LED封装的光转换效率和光输出,必须把热量从连接点中散发出去。高功率LED封装中构成热流路径的各个部分如图2所示。

图2:高功率LED里的传热路径。

此外,对于Level 1,使用焊锡基芯片来处理LED封装需要贴装到电路板上,而Level 2组装需要具备进行多次回流焊的能力。对同一个厚的焊锡层进行多次回流,这可能会提高空洞水平,从而影响Level 1焊锡的整体可靠性。

对于在电路板上Level 2封装组装件,开始逐步更多地把LED和各种传统的IC元件,例如BGA、D-Pak和MLF,集成起来,直接安装到同一块电路板上。对LED照明系统的要求远远超出通用照明的要求,需要提供更复杂的功能,例如控制、传感和调制功能。大面积空洞可能会造成电信号问题,或者因热循环/热疲劳产生裂缝,因而在第二层上需要更牢固、少空洞的互相连接。

实验步骤——设计案例

从设计的结构、尺寸到封装材料,比如陶瓷和塑料,在LED行业中使用的LED设计多种多样。这个实验的目的是观察三种不同结构形成空洞的效果,这些结构中最主要的差别是焊盘的几何尺寸。例如,2号焊盘设计的阳极和阴极是对称的,3号焊盘设计是大高宽比,中央热焊盘的总面积比阳极和阴极的面积略大,3号焊盘设计的中央热焊盘的总面积大很多。表2说明LED焊盘的总面积和结构。

组装材料和元件

基板

在这项研究中使用的基板是定制设计的铝芯电路板。这块PCB的具体情况见表1。

      表1:测试样本的具体情况。

LED元件

在这个研究中,我们选择了三种几何尺寸不同的商用大功率LED。LED的阳极、阴极和热焊盘尺寸的参数见表2。所有尺寸都以毫米为单位。选择这些LED的目的是模拟在高功率和超高功率LED组件中经常会选择的封装。

 

 

LED设计

阳级(毫米)

阴级(毫米)

热焊盘(毫米)

 LED A

1.35x3.2

1.35x3.2

N/A

 LED B

0.5x2.7

0.5x2.7

1.0x12.7

 LED C

1.2x0.67

1.2x0.67

1.77x2.80

表2:LED的焊盘尺寸(毫米)

焊锡膏

这项研究使用一种商用免洗焊锡膏,这种焊锡膏的合金是一种四型粒度的SAC基合金(粒度为38-20微米(至少80%在此粒度范围里))。

工艺和测试方法

设备与处理的详细情况

使用DEK Horizon 03iX印刷机印刷焊锡膏,使用厚度为4密尔的激光切割不锈钢模板,模板孔尺寸与焊盘尺寸的比为1比1。对所有焊锡膏使用的模板印刷参数见表3。

表3:印刷条件。

回流焊

在这项研究中使用的浸泡回流温度曲线如图2所示,温度变化见表4。

表4:在这项研究中使用的回流温度曲线。

图3:回流温度曲线的视图。

测试方法

为衡量和量化改变焊锡膏和不同LED焊盘设计的空洞性能,把经过组装和回流的电路板载入X光分析单元,并且通过编程来量化每个空洞的面积占焊盘总面积的百分比和在封装下面的空洞数量。

结果和讨论

结果

这项研究的结果如图4所示。

图4:不同LED封装设计的空洞百分比。

表5:LED设计中热焊盘与电焊盘的尺寸差别。

根据实验结果可以看到,焊盘设计对确定封装的空洞水平的影响非常明显。对于选定的封装中,物理焊盘面积差别最大和不对称设计,产生空洞水平最高。对于特定的LED封装,这会直接关系到涂布的焊锡总体积。表5说明确定设计的焊盘的尺寸变化情况。众所周知,在同一块电路板上的焊锡体积不同,通过调整回流温度曲线设置来平衡助焊剂成分的活化作用与蒸发作用会变得非常困难。焊锡体积较少时活化剂的消耗速度要比焊锡体积较大的要快一些,而且当焊锡体积较大,也需要非常长的浸泡温度曲线来消除掉助焊剂系统中的稀释剂、溶剂。

实验步骤——处理案例[1]

为了优化空洞水平,最常用的做法是调整回流曲线。在第一组实验中,采用各种不同的回流温度曲线,观察不同的焊锡膏配方对空洞水平的影响。回流温度曲线的变化包括改变预热浸泡时间和处在液相线之上的时长。使用同一台有七个温区的对流焊炉在不使用氮气的情况下产生所有的回流温度曲线。使用内部开发的测试样本、0.062厚的FR4层压板,表面层是OSP/铜的焊盘。测试的样本包括BGA、D-Pak和MLF器件。

测试方法

使用Nikon Metrix XT V1602-D X光机测量空洞。在每一种情况中,改变温度曲线都会影响观察到的空洞水平。

改变预热温度曲线

我们使用两条预热设置不同的回流温度曲线进行测试。第一条温度曲线是常见的直斜坡温度曲线,在使用这条温度曲线时,测试样本的表面温度以接近每秒+1.5°C的速率升高到245°C的峰值温度。第二条温度曲线的温度以稍微快一些的速率(+ 1.56°C /秒)升高到约160°C,然后让组件在温度160°C到184°C之间“浸泡”约60秒,接着以中等速率(0.96°C /秒)升高到240°C的峰值温度。

结果和讨论

结果

如图5所示,在BGA 256器件上使用一种焊锡膏时这两种回流温度曲线的效果。焊锡膏的合金和BGA的焊锡球都是用SAC 305合金制作。

讨论

使用浸泡温度曲线的结果是超过30%的265 BGA的I-O没有空洞。使用直坡度上升温度曲线时,没有空洞的I-O不到10%。

5:形成空洞的结果。

使用浸泡温度曲线没有空洞面积超过8%的BGA焊点,而使用直斜坡温度曲线的结果是超过10%焊点的空洞面积在12%到16%之间。与温度快速上升到峰值温度相比,有一定预热浸泡时间和在浸泡后温度以比较慢的速率上升至峰值温度,可以显著减少BGA元件中的空洞。

延长停留在液相线温度之上时间

另一个经过证明的可以减少空洞的回流温度曲线调整方法是延长停留在液相线温度之上的时间。这种方法对像MLF、DPAK、TO-252和其他底部终端元件(BTC)这类表面积很大的元件特别有效。

要验证延长停留在液相线温度之上的时间的效果,可以用摄像机拍摄在模拟回流焊中形成空洞的过程。

测试方法

把焊锡膏涂布在一个大的金属化表面上。将一片玻璃放在涂布的焊锡膏上。用摄像机拍摄焊锡膏在经历回流温度曲线过程中的图像。在回流温度曲线达到关键温度时拍摄的图像可以解释空洞的形成和消除。

结果与讨论

结果

我们可以很容易观察到有机溶剂在蒸发/沸腾时形成的气泡。在合金到达液相线温度之前,这种排气现象可以解释为在用浸泡预热温度曲线替代直线斜坡预热温度曲线时,空洞减少。形成溶剂的大量气体在焊锡球熔化之前被赶出来,凝结成液相;参见图6。

图6:在直线斜坡温度曲线达到155°C期间排气。

在温度曲线的下一个阶段,空洞明显改变;参见图7。

图7:焊锡达到液相温度时呈现大量空洞的照片。

在155°C时,空洞不是更小,而是出现空洞的频率很高,这时在元件和电路板之间的焊锡中有相当大的气泡。如果让焊锡冷凝,气泡将留在大块的焊锡里。如图7所示,当元件、焊锡、电路板堆叠起来,当温度高于焊锡的液相线温度时,从回流模拟器输入的热量产生的布朗运动力的作用,使这些蒸汽气泡移动。如果这些气泡到达顶部元件的外缘,气体就会释放出来,空洞消失。空洞一旦消失,就不会有新的气体滞留在焊锡中(只要在堆叠中的铜的峰值温度仍然保持在242°C以下)。这就是为什么延长停留在液相线温度之上的时间可以大幅度减少在底部终端元件下面的空洞数量。从图8中可以看到这个结果。

图8:延长停留在液相线温度以上的时间后空洞减少。

讨论

调整回流温度曲线是一种非常简单用来减少空洞的方法。使用浸泡预热温度曲线可以减少在BGA器件中的空洞。保持峰值温度低于241°C可以减少在BGA和BTC元件中的空洞。延长停留在液相线之上温度的时间也可以很好地减少BTC中的空洞。

实验步骤——助焊剂化学成分方面的案例

图9中可以看到这样的例子。下面的例子考察两种焊锡膏的化学成分和它们在相同工艺和条件下对空洞形成的影响。

图9:焊锡膏的助焊剂的化学成分与空洞的关系。

组装材料与元件

基板

在这项研究中使用的基板是一块定制设计的铝芯印刷电路板。下面的表6说明这块基板的具体参数。

表6:测试样本的详细情况。

这项研究选择一种商用陶瓷LED。这个LED的详细信息如图10所示。

图10:商用陶瓷LED封装。

焊锡膏

这项研究使用两种商用免洗Lumet焊锡膏。用碾成粉状的材料配成焊锡膏A,得到低空洞水平,而焊锡膏B是作为标准焊锡膏。

工艺和测试方法

设备的加工细节

使用DEK Horizon 03iX印刷机印刷焊锡膏,使用4毫米厚的激光切割不锈钢模板,模板孔尺寸与焊盘尺寸的比率是1比1。所有焊锡膏的模板印刷参数见表7。

 

 

SMT参数

印刷条件

印刷速度

1英寸/秒

印刷压力

1.5Ibs/每英寸叶片

模板转移焊锡膏的速度

0.02英寸/秒

模板厚度

5密尔

表7:印刷条件。

回流焊

使用来自工艺案例学到的知识生成一条浸泡回流温度曲线,这条温度曲线的浸泡温度180-200°C,时长为90秒,峰值温度为255°C,在液相线温度之上停留时间(TAL)80秒,图11就是这条温度曲线。

图11:回流温度曲线视图。

测试方法

为了测量和量化形成空洞的性能,使用X光分析单元进行编程来量化每个空洞的面积占焊盘总面积的百分比和封装下面的空洞数量。图12是这项研究的封装底部区域的X光图像。

图12:焊接的陶瓷基LED封装的X光图像。

结果与讨论

结果

这项研究的结果如图13和表8所示。

图13:焊锡膏A与焊锡膏B的X光空洞图像。

 

焊锡膏

样本尺寸(N)

空洞平均数

空洞总面积占焊盘总面积的百分比(%)

焊锡膏 A

N=72

57

10

焊锡膏 B

N=72

92

19

表8:空洞尺寸和出现频率。

讨论

在相同的处理条件下,焊锡膏A的空洞百分率确实更好。焊锡膏A产生的物理空洞数量比焊锡膏B低40%,空洞占焊盘总面积的平均百分比为10%,比焊锡膏B的19%低9个点。从结果中可以看到,这两种焊锡膏的各种有用的成分有或没有影响空洞形成方向。作为通用的指南,充分理解在提供低空洞的焊锡膏和其他可能会受到影响的焊锡膏特性之间进行取舍,这是非常重要的。这个决定将取决于特定应用或客户要求的可接受的空洞标准。

结论

对于电子器件的功能和长期耐用性,空洞是一个需要特别关注的问题。靠近或者就在表面贴装元件(SMT元件)输入/输出端(I/O)的表面或者电路板基板表面上的空洞,很可能是裂纹扩展的根源,这会提高出现现场故障的可能性。此外,空洞是非常好的隔热体,这会造成经常用在LED封装中的散热片和热焊盘出现热问题。

影响空洞出现频率和空洞大小的因素很多。这项研究展示了几种设计、工艺及助焊剂化学特性对形成空洞的影响。

现在,很多因素推动LED设计在不断改进。特别是焊盘设计会同时影响LED封装的热、电、机械等特性。

焊盘对称性的影响将直接关系到焊锡的总体积,这可能会影响焊锡形成空洞的性能。

调整回流温度曲线是减少空洞的一种非常简单有效的方法。使用浸泡预热温度曲线可以减少在BGA器件中的空洞。

延长停留在液相线温度之上的时间也可以减少在BTC中的空洞。

焊锡膏的化学特性也会对空洞产生明显的影响。

编辑手记:本文最早发表于2017年SMAT国际会议论文集

参考文献

1. M. Holtzer, T.W. Mok, “Methods of Reducing or Eliminating Voids in BGA and BTC Devices” SMTA Penang – MY March 2016.

Matthew Siebenhuhneris an applications engineer for Argomax and die attach solutions at Alpha Assembly Solutions.

Gyan Duttis global portfolio manager for die attach, and technical marketing manager for LED at Alpha Assembly Solutions.

Mitch Holtzeris the director of Americas Reclaim Business of Alpha Assembly Solutions.

T.W. Mokis an applications engineering manager for Asia-Pacific at Alpha Assembly Solutions.

Ranjit Pandheris the R&D manager for LED and semiconductor soldering products at Alpha Assembly Solutions.

Amit Patel is no longer with the company.

作者简介:


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