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减少传感器和摄像头模块中的助焊剂飞溅
  2021-05-25      151

作者:Jasbir BathShantanu JoshiNoriyoshi Uchida

KOKI SOLDER(美国)公司,KOKI有限公司

摘要

随着电子技术在新技术领域的应用越来越多,当前正在开发助焊剂配方,以满足新的和现有的要求。 对于用于高级驾驶员辅助系统(ADAS)和物联网(IoT)应用的传感器和摄像头模块,需要无铅焊膏中的免清洗助焊剂配方,以减少回流期间的助焊剂飞溅

当前已经开发出一种特殊的助焊剂化学物质,有助于缓解焊锡、助焊剂的飞溅问题,而不必专门开发在空气回流焊环境中使用的回流温度曲线来调整飞溅问题。已开发出在Sn3Ag0.5Cu焊锡膏中使用的助焊剂化学材料,使焊剂残留层在回流焊时能覆盖熔化的焊料表面,防止焊料飞溅。

测试熔融焊锡的飞溅是在一块铜板上印刷焊锡膏,把另一块铜板放在测试工具上,略高于正在回流的焊锡膏,用各种回流温度曲线回流要评估的焊锡膏,测量助焊剂的飞溅情况。在使用传统的锡膏回流时,需要提高预热温度排出助焊剂中的挥发性成分以减少助焊剂飞溅,无论使用哪一种预热和回流配置,这种新开发的助焊剂焊膏都能够成功防止飞溅发生。本文将报告这项工作的结果。

引言

在用焊锡膏进行表面组装的过程中,助焊剂在回流过程中可以会出现飞溅。由于当产生气体时助焊剂的成分分散导致助焊剂飞溅,当焊膏中所含的助焊剂成分溶解、挥发并从焊料中排出时,就会发生助焊剂飞溅(图1)。

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图1:助焊剂飞溅的产生过程。

助焊剂飞溅会导致各种问题,例如当助焊剂附着在连接器的接触点时,会产生接触故障,同样地,当助焊剂附着在发光二极管(LED)、透镜和传感器元件上时,会发生亮度和识别错误。为了防止飞溅的助焊剂粘附到组件上,有些客户使用保护胶带来减少这种助焊剂附着。为减少这些缺陷,以及在这些日益增长的应用中减少对保护胶带的需求,越来越需要不会产生助焊剂飞溅的锡膏。

本文报告了有关确定助焊剂飞溅产生时间的测试,取决于回流曲线的飞溅发生条件,以及通过开发焊锡膏中的助焊剂来减少飞溅的各种对策。

实验

使用回流模拟器使用常规的无铅SnAgCu锡膏进行助焊剂飞溅

为了研究助焊剂飞溅问题,评估传统的Sn3Ag0.5Cu免清洗4型焊锡膏A在回流时的助焊剂飞溅。这个实验的测试工具是厚度为0.3毫米、尺寸为30毫米×30毫米铜板。印刷焊锡膏的模板孔直径是6.5毫米,模板厚度0.2毫米。使用回流模拟器检查飞溅的发生时间和飞溅的助焊剂总量(图2)。如图3所示,把分隔片放在铜板上,在铜板上印刷焊锡膏,然后,把玻璃板放在间隔片上,和焊锡膏的距离是2毫米,这样,就可以计算助焊剂飞溅的时间和数量。

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图2:使用回流模拟器评估飞溅的时序。

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图3:助焊剂飞溅到玻璃板上的评估方法。

在回流模拟器中,在回流过程中飞溅的助焊剂粘在玻璃板上,计算粘在玻璃板上的助焊剂飞溅总数。

使用回流焊炉通过调整回流温度曲线研究飞溅的出现

使用SnAgCu免清洗4型传统焊膏A研究回流温度曲线和助焊剂飞溅总数之间的关系。使用三条预热温度与不同时间的回流温度曲线A、B、C(图4)观察与它们对应的助焊剂飞溅数量。对于温度曲线A,需要在预热温度100-200℃下保持95秒。对于温度曲线B,需要在150-200℃预热温度下保持105秒。对于温度曲线C,需要在150-205°C预热温度下保持120秒,预热温度在180°C到205°C之间的时间是80秒。所有温度曲线都在大气环境中运行。此外,对于温度曲线B,还使用氮气环境(1000ppm O2)来评估不同回流环境中发生飞溅的变化。

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图4:使用的三条回流温度曲线。

在回流炉中改变模板厚度时发生的助焊剂飞溅

在空气回流环境中,在铜板上使用传统Sn3Ag0.5Cu免清洗4型焊膏A,用温度曲线B,研究不同模板厚度(0.1 毫米、0.15 毫米和0.2毫米)的助焊剂飞溅。模板孔直径6.5毫米。

使用回流炉和模拟器评估新开发的焊膏产品C的助焊剂飞溅

我们开发出一种新的焊膏产品C,可以减少助焊剂飞溅[1]。比较无铅4型Sn3Ag0.5Cu焊膏产品C和传统Sn3Ag0.5Cu免洗清4型焊膏产品A与产品B,在生产中使用的有八个热区的回流炉里,在空气回流环境中使用温度曲线A、B、C。此外,还使用回流模拟器比较焊膏产品C和常用的焊膏产品A的助焊剂飞溅表现。

焊膏产品C的额外测试

除了助焊剂的飞溅测试外,还对焊膏产品C进行了其他的测试,以了解它在生产中的总体印刷性能和回流性能。测试包括在公司测试工具上,在0.4毫米间距QFP焊盘上进行连续的锡膏印刷测试。

对0.4毫米间距QFP进行印刷评估,电路板焊盘的宽度是0.2毫米,长度是1.5毫米,焊盘之间的距离0.2 mm。激光切割模板的厚度0.12毫米。印刷机的生产速度40毫米/秒。在零印刷接触时间和200次印刷接触后再检查焊膏。

针对焊膏的熔融性能测试,在公司的测试工具(图5)上评估测试电路板上直径为0.25毫米CSP焊盘和0603纯锡涂层芯片的电阻元件,在空气环境中使用温度曲线A回流焊盘和电阻元件,测试板的表面层是ENIG表面层。对于回流焊、空洞的评估,评估在同一测试板上进行,测试对象为纯镀锡功率晶体管(BTC/QFN)、纯锡涂层6330电阻器和空气中1 mm间距的Sn3Ag0.5Cu BGA元件

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图5:使用公司的测试工具对焊膏产品C进行额外的测试。

结果与讨论

使用回流模拟设备测定发生助焊剂飞溅的时间

使用回流模拟器证明,在预热过程中很少发生助焊剂飞溅,飞溅主要发生在焊锡熔融后(图6)。

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图6:助焊剂飞溅主要在焊锡熔融后发生。

虽然助焊剂的成分(例如溶剂)在预热时就会挥发,但焊锡还没有熔融时,焊锡粉末之间还有空间。这些空间让预热时产生的气体很容易排出;因此很少发生助焊剂飞溅。与此相反,焊锡熔融后立即飞溅的助焊剂数量最大。焊锡膏熔融时,焊锡粉末融合在一起,这时进入熔融状态的助焊剂更多。这些助焊剂变成挥发物,被融合的焊锡粉末挤出。这会导致大量助焊剂发生飞溅(图6)。

因回流炉中的回流温度曲线不同而发生助焊剂飞溅

在回流炉中使用不同预热条件的回流温度曲线决定铜板上是否会发生助焊剂飞溅(图7)。它证明使用比较高的预热温度与较长的预热时间,以及氮气环境可以减少助焊剂飞溅。

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图7:由于回流温度曲线不同得到的助焊剂飞溅数量。

为了抑制飞溅的发生,有必要提高溶剂中的挥发性物质在预热时的挥发性,从而在预热时减少留在焊膏中的挥发性物质。但是,提高预热温度会导致助焊剂中的活性成分在预热时退化,增加焊锡粉末、元件端部和电路板表面层的再氧化,导致在焊接过程中产生缺陷。因此,必须在提高预热温度和增加焊接缺陷之间取得平衡。

改变回流温度曲线可以在一定程度上抑制焊膏的飞溅。但是,对于那些可能有多条组装生产线的客户,改变回流温度曲线是个问题。除了前面提到的提高预热温度会导致元件的终端、电路板的表面层和焊膏退化,还可能会引起基板和封装翘曲。

在回流炉中随模板厚度变化出现的助焊剂飞溅

在空气环境中使用常用的Sn3Ag0.5Cu免清洗4型焊膏A测试不同模板厚度的助焊剂飞溅数量,发现使用比较薄的模板可以减少助焊剂的飞溅数量,如图8所示。减少焊膏的数量有助于减少助焊剂飞溅,但焊锡数量的减少可能会导致焊点可靠性问题。

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图8:模板厚度的变化导致的助焊剂飞溅。

开发焊锡膏以减少助焊剂飞溅(使用焊膏产品C

根据上述研究结果开启开发焊膏的项目,这种焊膏甚至能够在比较低的预热温度和较短时间下也能抑制焊剂的飞溅。根据这些评估,为了抑制助焊剂飞溅,需要让助焊剂设计在焊锡熔融过程中也不会留下的挥发性物质。可以设计助焊剂中的像松香这样的树脂成分和添加剂,它们在回流期间挥发量比较少。但是,在挥发量最大的溶剂中,挥发量增加过多,即使在室温下也会出现不断的挥发的情况,导致像焊膏干燥、粘度增大等诸多问题,给印刷和组装带来各种挑战。

我们非常关注助焊剂残渣的表现,研究助焊剂残渣怎样做才能有助于抑制助焊剂飞溅,目前的方法是开发出一种助焊剂系统使用的新型焊膏材料(焊膏C)来抑制助焊剂飞溅。在回流过程中,这种焊膏产品会在熔融焊锡的表面留下一层助焊剂残留物,这样,即使当焊锡在熔融后(通过覆盖效应)排放气体时,也可以防止助焊剂飞溅,而不是抑制气体的产生(图9)。

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图9:通过焊膏产品C的助焊剂残渣的覆盖效应来减少助焊剂飞溅。

如图10所示,和传统的焊膏产品相比,即使在使用较低的预热温度和较短时间时,焊膏C的助焊剂飞溅受到抑制,这使它在各种不同回流焊条件下都能以较少的助焊剂飞溅进行焊接。

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图10:比较使用不同的回流温度曲线的焊膏产品C和传统的焊膏产品A与B的助焊剂残渣飞溅。

图11是来自回流模拟器的屏幕快照,使用焊膏产品C时没有出现助焊剂飞溅。图12是来自回流模拟器的屏幕快照,使用传统的免清洗4型焊膏产品A,和图11对比,焊膏产品A有出现助焊剂飞溅情况。

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图11:使用回流器,Sn3Ag0.5Cu免清洗4型焊膏产品C没有助焊剂飞溅。

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图12:使用回流器,Sn3Ag0.5Cu免清洗4型传统焊膏产品A和B出现助焊剂飞溅。

焊膏产品C的额外测试

除助焊剂飞溅测试外,还要对焊膏产品C进行各种不同的测试,评估它在电子制造与组装中的普遍可用性。

使用焊膏产品C表现出稳定的焊接特性,例如0.4毫米间距QFP电路板焊盘在200次印刷碰触后的可印刷性(图13),以及在0.25毫米直径的CSP电路板焊盘和0603芯片电阻元件上的良好熔融性能(图14)。除此之外,发现这种焊膏在焊接功率晶体管/BTC、6330芯片和BGA元件时具有低空洞表现(图15),可以把使用焊膏产品C作为通用焊膏产品使用。还发现它是组装传感器元件和摄像头模块的有效焊膏;这些应用领域有望在未来进一步扩大。

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图13:在0.4毫米间距QFP的电路板焊盘上的微间距印刷(左图:开始印刷;右图:200次印刷碰触后)。

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图14:在0.25毫米直径CSP电路板焊盘上的回流表现(左图)和在0603芯片元件上的回流表现(右图)。

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图15:焊接时形成的空洞比较少:功率三极管(左图),6330芯片(中图),1毫米间距BGA元件。

结论

本文讨论在焊接过程中的助焊剂飞溅机制,利用回流温度曲线来减少助焊剂飞溅的预防性措施,以及低飞溅发生的焊锡膏的开发。

在传统焊锡膏中的大部分助焊剂飞溅都是在焊锡膏熔融后立即发生。为了抑制助焊剂飞溅,提高预热温度和延长预热时间可以有效减少回流焊接时的挥发成分。但焊锡膏的熔融性能退化和工艺窗口缩小值得关注。本文的研究表明,针对助焊剂飞溅开发的膏体C可以通过助焊剂残渣的覆盖效应抑制焊剂飞溅,不必为抑制助焊剂飞溅选择不同的回流温度曲线,不同的温度曲线可能会导致各种其他的问题。

焊膏产品C还具有良好的总体印刷性能和焊接性能,可以在ADAS和物联网应用,以及其他应用中印刷和焊接传感器与摄像头模块。

References

参考文献

1. “Low-Splattering Solder Suppresses Occurrence of Flux Splatter,” productronica, AEI, 2017.

编辑手记:本文原来的标题是“为传感器和摄像头模块应用开发低助焊剂飞溅焊锡膏”,于2018年6月5日至7日在加拿大安大略省万棉市举行的电子产品赋能技术国际会议上发布。

作者简介:Jasbir Bath是Koki Solder(美国)公司在美国旧金山湾区的技术支持咨询工程师。Shantanu Joshi是Koki Solder(美国)公司在美国俄亥俄州辛辛那提的工程销售经理。Noriyoshi Uchida是Koki有限公司研发部的总经理助理,Koki公司的总部在日本东京

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