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实现低温焊接铝的表面处理
  2020-05-26      63

作者:Divyakant KadiwalaAVERATEK公司

摘要

大多数柔性电路是将金属铜图案层压到柔性的基板上,基板通常是不同厚度的聚酰亚胺薄膜。一种日益流行的满足低成本电路要求的方法是在聚酯基板上使用铝(Al-PET)。这种材料越来越受欢迎,在RFID标签、低成本LED照明和其他单层电路中得到广泛应用。但是,铝和PET都有自身的限制,需要经过特殊的加工处理才能用来制作电路。在低温下,不易在铝表面上焊接元件,而PET无法承受高温。焊接这些材料需要进行额外的表面处理,或者使用导电环氧树脂来连接元件。铝的表面处理包括化学镀镍浸金(ENIG)电镀,这是一种广泛的湿式化学技术,大规模采用这种技术的成本过高。

包括各向异性导电胶(ACP)在内的导电胶是焊接组件的另一种选择。但这会导致元件-基板界面在性能和可靠性方面不如传统的焊锡。即将推出的一种先进的表面处理技术,可以解决所有这些限制。一旦在铝表面使用传统的印刷技术,例如丝网印刷、模板印刷等,它在低温的对流烤箱中进行加热固化。这种表面处理方法是不导电的。为了固定元件,在贴放元件之前,需要在组件上焊接凸点或在处理过的焊盘上印刷焊料。铝电路将通过回流焊炉,这是在PCB组装中常见的做法。这在焊锡和焊盘上的铝之间形成真正的金属与金属的连接。这项工艺为大规模、低成本制造Al-PET电路铺平了道路。

Introduction

前言

铝是地壳中含量最丰富的金属。铝合金广泛用于制造汽车、飞机、自行车、建筑框架等。它在其他应用的范围也很广,包括电子连接器、包装罐和铝箔,甚至家庭用品。它在上述领域是首选的材料,在柔性电路领域,它是仅次于铜的材料。

与铜相比,铝有不少优点。铝要比铜轻,其重量不到铜的三分之一。铝的密度是2.7克/立方厘米,铜的密度是8.92克/立方厘米。铝在20°C下的电阻率是26.5nΩ·m,而铜在20°C下的电阻率是16.78nΩ·m。铝的导热系数是237瓦/(m·K),铜的导热系数是401瓦/(m·K)[1]。

尽管铝在导电性能和导热性能方面不如铜,但是,由于它的密度比较小,散热性能要比铜好。总的来说,铝的导电率是铜的68%,但重量只有铜的30%。这意味着铝裸线的重量是电阻相同的铜裸线的一半[2]。柔性电路中的铝走线也差不多。

此外,铝导体一般要比铜导体便宜。最近的一次调查表明,铝的价格要比铜低35%[1]。在同等重量的情况上,它比铜便宜,是铜的三分之一,在实际使用中,其价格相当于铜的六分之一。这是铝相对于铜的最大优势。表1是与柔性电路有关的两种金属特性的比较。

柔性电路和Al-PET基板

大多数柔性电路是把铜层压在聚酰亚胺基板上(Cu-PI)。这些由铜箔构成电路层压在聚酰亚胺薄膜上。改变铜和聚酰亚胺的厚度会产生不同的Cu-PI厚度组合,以适应最终产品的导电率和介电性能的要求。在印刷蚀刻工艺之后利用光刻形成走线。把元件焊接到基板上,制成最后的电路。合理选择的焊料可以很轻松地把元件焊接到铜走线上,不需要做任何特殊的表面处理。

在PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基板或Al-PET基板上使用铝来制造柔性电路的办法越来越流行。通过把不同厚度的铝箔层压到PET薄膜上来实现(图1)。

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不但是铝比铜便宜,PET也要比聚酰亚胺薄膜便宜很多。因此,降低材料成本是越来越多地使用Al-PET基板的主要动力,但是,鉴于加工方面的各种难题,它们的使用受到限制。

在铝基板上形成走线的工艺与在铜基板上的工艺相似。使用干薄膜或抗液剂进行光刻,接着再进行化学印刷与蚀刻,形成铝走线。但是,把元件焊接到铝上是个难题。与铜不同的是,很难把元件焊接到铝上。元件之所以很难焊接到铝上是因为存在一层薄薄的氧化铝。当裸露的铝金属暴露在空气中时,会自然形成一层氧化铝。由于大多数的柔性电路制造都是在空气中进行,所有的铝表面都会有一层氧化层。虽然这种天然氧化物的形成是自限制性,通过现有焊膏中所使用的助焊剂无法去掉这层氧化层。如果在焊膏中使用活性很高的助焊剂来解决氧化铝的问题,会腐蚀非常薄的铝层,这可能会导致可靠性的问题。

目前有两种办法可以把元件固定到Al-PET基板上:一种办法是锌酸盐和电镀工艺,另一种办法是使用导电环氧树脂。

使用锌酸盐和电镀表面层的Al-PET电路

铝焊盘经过特殊处理,可以清除氧化铝并防止氧化铝的形成。这些包括ENIG,镍钯或镍银镀层。 这些过程需要表面处理,称为锌酸盐处理[4]。锌酸盐处理的目的是清洁要镀镍或镀其他金属的铝表面。图2是锌酸盐处理工艺的例子。

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从图2可以看到,锌酸盐处理工艺涉及广泛的湿化学技术。停留时间随着每一种不同的铝合金而变化,从517分钟不等。此外,在可以焊接元件之前,在进行锌酸盐处理后,必须电镀表面层。这些处置会增加额外的成本,结果导致在柔性电路领域很难大规模采用Al-PET基板。

使用导电环氧树脂的Al-PET电路

Al-PET基板广泛用于制造射频识别(RFID)标签、智能标签和低端LED照明。这些电路图案使用卷式工艺进行印刷和蚀刻。使用包括各向异性导电焊膏(ACP)在内的银基导电环氧树脂,把元件通过卷式的办法固定到面板上。组装工艺从焊盘或芯片上的导电环氧树脂应用开始。然后,通过加热和加压迅速翻转芯片或者贴放到焊盘上。这可以固化环氧树脂并固定芯片。尽管在常规的RFID标签中使用的芯片数量非常少,但在生产智能标签的总成本中,它们占了很大的部分。这些智能标签要比RFID标签大,元件更多,每个智能标签需要的导电环氧树脂更多。

导电环氧树脂有它自身的难题。它们是用填满导电金属颗粒(通常是银)的环氧树脂胶粘剂制成。应用这些导电环氧树脂通常使用注射器涂敷,需要比较长的固化时间,存在储存期限的问题,电气性能不如传统的焊锡。此外,它们必须在专用的冷藏箱中低温储存,以控制环氧树脂的聚合作用。总的来说,它们非常昂贵,这限制了Al-PET基板的使用[5]。

使用先进的表面处理的Al-PET电路

现在已经开发出一种先进的表面处理的化学方法,作为一种表面处理的新的选择。它不需要对铝表面进行锌酸盐和电镀处理,就可以在铝表面上进行焊接。可以把它直接印刷到要组装元件的铝焊盘上。印刷的厚度由应用来决定。可以使用包括丝网印刷、模板印刷在内的任何传统的印刷技术。铝表面不需要做任何表面清洗或准备。一旦印刷了这种处理化合物,就必须对它进行热固化,使焊盘得到有效的处理、具有活性并可以焊接。固化的处理化合物不导电,为方便印刷焊膏腾出空间。

为了固定元件,需要把焊料通过印刷或电镀凸点放到被激活的焊盘上,然后再通过回流焊炉。这种化合物克服了氧化铝层的问题,可以在焊锡和焊盘上的铝之间形成真正的金属间连接。因此,它在电气属性和连接强度都要远高于银环氧树脂。此外,这种化合物可以在室温下储存,而且可以多次重复使用[5]。图3是使用这种表面处理的工艺概况。

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表面处理的固化温度:PET限制和焊料

这种表面处理必须在低于100℃的低温下进行固化。需要的停留时间从几秒钟到一分钟不等,这要取决于烤箱类型和气流。在PCB组装车间内使用传送带的回流焊炉可以固化印刷的表面处理。可以使用各种不同焊锡来连接经过表面处理的铝。不过,可以用在Al-PET基板上的焊锡类型受到PET薄膜的限制。表2列出了热稳定PET膜共有的关键特性。

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根据表2,PET薄膜的工作温度限制在150℃左右。PET薄膜可以在此温度下长时间加热,因此无法使用大多数熔点较比高的焊锡。但是,PET薄膜可以在短时间内承受比较高的温度。这就为用各种不同的低温焊锡把元件安装到Al-PET基板上打开大门。在熔点在138℃左右的各种助熔剂系统中,大部分焊锡是由41-42%的锡、57-57.6%的铋和0.4-2%的银组成。在回流过程中的最高温度大约是185℃,但时间很短。

使用表面处理的组装试验和相关的观察结果

电路板用10毫米铝箔层压在125毫米的PET薄膜上。蚀刻后的设计是一个智能标签,含有电阻、电容、LED、QFN、电池座和RFID芯片。这些元件的表面层是常见的镀镍、镀钯、镀金或镀锡。在处理过程中,设计了专用的夹具固定电路板。图4是智能标签设计的局部视图。

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试验在当地的PCB组装车间进行,试验包括两个步骤。第一步是把蚀刻的铝面板安装到固定夹具上,使用面积为737x737毫米2、厚度为50毫米的不锈钢模板印刷表面处理化合物。使用传送带的回流焊炉在85℃下固化表面处理化合物。第二步是在模板印刷焊锡时使用相同的夹具固定面板,贴装要安装的元件,然后把它送到回流焊炉处理。用来印刷焊膏的不锈钢模板,面积为737x737毫米2,厚度为100毫米。使用的焊锡是在市面上可以买到的无铅、低温、免清洗的锡/铋/银焊料,熔点是138°C。使用的回流周期是焊膏制造商推荐的。

通过剪切测试、X光检查,以及用铝形成的金属间化合物的横截面分析来确定由此得到的连接。

进行剪切测试测量焊锡连接的强度。他们还测试了各种不同的元件:电阻、电容器、芯片。这些测试是使用生产测力计完成的。剪切测试得到的值大于15牛顿/毫米2。焊锡-铝的连接强度如此大,常常会导致铝与PET之间出现缺陷。图5就是这类缺陷。

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使用X射线检查组装的电路板。这样做是为了更好地了解焊锡的润湿情况。经过X射线检查,元件的焊点表现良好,焊点中的孔洞保持在可接受的范围内,不到焊点面积的30%。关键参数是表面处理的厚度、焊锡的厚度、焊锡的回流温度曲线。图6是元件的X射线图像。

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针对包括电容器、电池座和QFN芯片在内的各种不同的元件进行横截面分析。这些分析让我们更好地了解焊锡的润湿情况,以及铝的金属间化合物的形成。图7是其中的一些横截面。

 

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我们可以看到,在大多数情况下焊料润湿并很好地实现与铝的连接,孔洞保持在可接受的范围内,这也可以在电容器和电池座焊盘的下面看到。通过进行能量扩展X射线光谱学(EDS)对其做进一步的检查。图8是这类电阻器焊盘的EDS。

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从EDS中可以看到,有证据表明,表面处理会导致银-铝(Ag-Al)间化合物的形成,其中含有一定的铋。

结论

表面处理技术经过证明可以实现铝的焊接。鉴于焊料会随着金属化合物和助焊剂而变化,它们各自拥有特定的回流温度曲线。可能需要额外的工作针对特定的应用来微调回流参数,以获得始终如一的润湿和好的焊点。大部分新的焊接应用需要这类工艺开发。总体看来,这项表面处理技术可能需要寻找大规模使用Al-PET基板的方法。这可能会彻底改变智能标签、RFID标签和单层铝电路的制造格局。

References

参考文献

1. Weast, R.C. Handbook of Chemistry and Physics: 66thEdition, CRC Press, 1985.

2. Anixter Inc. “Copper vs. Aluminum Conductors.”

3. Based on price listing on Market Insider in September 2018. Actual prices will vary on a daily basis.

4. MacDermid. “Metex 6811 Cyanide Free Liquid Zincate Datasheet.”

5. Averatek. “Mina: Facile Soldering to Aluminum for RFIDs.”

6. “Dielectric Constants at 20°C.”

7. Omnexus. “Glass Transition Temperature Values of Several Plastics.”

This paper was first presented at the IPC APEX EXPO 2019 Technical Conference and published in the 2019 Technical Conference Proceedings.

这篇论文最早在IPC APEX EXPO 2019技术会议上提出,并在2019年技术会议记要中发表。


作者简介:Divyakant Kadiwala是Averatek公司的制造总监。


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