倒裝晶片的組裝的回流焊接工藝

在回流焊接爐中，倒裝晶片和其他元件要被焊接在基板上。在此過程中，如果加熱的溫度太高，或者時間太長 ，助焊劑便會在潤濕整個焊接面之前揮發(fā)或分解完，造成潤濕不良或其他焊接缺陷。另外，在復(fù)雜的混合裝配中 ，大的元件比小的元件溫度要低，造成每個焊點(diǎn)溫度的不均勻。元件焊球的不共面性在此也應(yīng)受到關(guān)注。錫鉛共 晶材料的焊球如果蘸取助焊劑的量恰當(dāng)，即使其只是剛好接觸到焊盤，在回流焊接過程中也會與焊盤焊接良好。 由于焊球大小的差異，假設(shè)基板平整沒有變形，則只有3個最大的焊球接觸到焊盤。實(shí)際情況是基板不會完全平 整，可能并不是3個較大的焊球接觸焊接面。我們注意到，在焊接過程中，由于焊球的“坍塌”，非常顯著地降 低了基板焊盤與元件之間的距離。正是因?yàn)檫@種“坍塌”，使得那些原本沒有和焊盤接觸的焊球也在此過程中焊 接完好，如圖1和圖2所示。但是那些太小的焊球盡管有這種補(bǔ)償作用仍然會存在接觸問題，引起電氣開路。在回 流爐中，焊點(diǎn)形成完整的坍塌連接是關(guān)鍵。

圖1 焊接之前 圖2 焊接之后

(1)回流環(huán)境的考慮

在空氣中回流焊接，形成電氣連接并非難事?！サ覀冏屑?xì)檢查會發(fā)現(xiàn)一些非常顯著的焊接缺陷。一些焊盤只 是部分的潤濕，很少焊點(diǎn)會形成完整的“坍塌”連接，甚至可以發(fā)現(xiàn)有些元件可能輕微的歪斜。對于無鉛焊接而 言，問題更嚴(yán)重。

倒裝晶片在氮?dú)庵谢亓骱附佑性S多優(yōu)點(diǎn)。在較低氧氣濃度下回流焊接，條件比較寬松，可以獲得很好的焊接良 率。由于減少了氧化，可以獲得更好的潤濕效果，同時工藝窗口也較寬。在氮?dú)饣亓鳝h(huán)境中熔融的焊料表面張力 較大，元件具有很好的自對中性，可控坍塌連接會更完整，焊接良率也會較高。對于無鉛焊接工藝，特別是當(dāng)基 板焊盤的表面處理方式是OSP時，推薦使用氮?dú)?，控制回流爐內(nèi)氧氣濃度在50 ppm左右。但是氮?dú)獾氖褂脮?dǎo)致 成本增加25％～50％。需要在良率和成本之間考慮平衡。如果在此情況下要考慮應(yīng)用空氣回流焊接，則推薦使用 DR（Direct－Ramp）形態(tài)的焊接溫度曲線。另外，一些小的元器件，如0201／0402在氮?dú)庵谢亓骱附訒a(chǎn)生較多 的立碑缺陷，這些都是需要我們綜合考慮的。

（2）回流焊接溫度曲線設(shè)置

對于混合裝配，在同一產(chǎn)品上既有助焊劑裝配又有錫膏裝配，所以焊接溫度曲線需要仔細(xì)的優(yōu)化。主要從這幾 個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置：升溫的速度、助焊劑活化溫度和時間、液相以上時間，以及回流最高溫度和冷卻速度。一 般來說，錫膏或助焊劑會針對以上參數(shù)推薦一個范圍給使用者，但這個范圍比較粗糙，由于我們工廠的產(chǎn)品千差 萬別，沒有一個所謂通用的“標(biāo)準(zhǔn)”焊接溫度曲線，需要對不同的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化參考的標(biāo)準(zhǔn)是焊接完成后 ，焊接不良率要最低，產(chǎn)品無明顯的翹曲變形，外觀沒有因溫度而造成的損傷，焊點(diǎn)形成完整并且足夠的焊接強(qiáng) 度，焊點(diǎn)光亮無氧化。對于一些復(fù)雜的裝配，電路板上既有小的倒裝晶片，又有較大的元件，如BGA或連接插座 等，由于熱容的差異，如果不仔細(xì)地優(yōu)化爐溫設(shè)置，有時板上的溫度差會高達(dá)15～20°C，造成基板嚴(yán)重翹曲變 形，焊點(diǎn)因?yàn)閼?yīng)力而開裂。基板的翹曲變形對倒裝晶片的裝配良率影響明顯，綜合元件焊球大小的差異，其影響 有時非常顯著。

回流溫度曲線形態(tài)有RSR（RampˉSoak－Ramp ）（如圖3所示）和DR（DirectRamp）兩種，根據(jù)錫膏和助焊劑 的特性而定。RSR在以下情況下被應(yīng)用得比較多：

·板上元件較多而且差異很大；

·需要減少焊點(diǎn)內(nèi)空洞；

·要求預(yù)熱溫度小于1.5°C/s時受限于產(chǎn)量和設(shè)備能力。

圖3 RSR形態(tài)的溫度曲線

DR溫度曲線（如圖4所示）有以下特點(diǎn)：

·可以有比較小的升溫速度（0.5～1.0°C/s）；

·適合厚度為1.6 mm或更薄的板上裝配小的CSP、BGA、芯片和片狀元件；

圖4 DR形態(tài)的溫度曲線

在元件封裝工藝中或電路板上元件較少而且都是相同元件時，趨向應(yīng)用DR形態(tài)的回流焊接溫度曲線，可以獲得 較高的產(chǎn)量，焊接品質(zhì)也可以滿足要求。但不同產(chǎn)晶需要優(yōu)化出對應(yīng)的溫度曲線，如圖5所示。怎樣進(jìn)行溫度曲 線的優(yōu)化呢？需要了解在焊接各個階段，如果焊接溫度設(shè)置不當(dāng)，可能會出現(xiàn)的問題，那么，我們就會有針對性 的來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置了。

圖5 不同產(chǎn)品對應(yīng)不同的溫度曲線

一般從室溫升高到助焊劑活化溫度，升溫速度要求小于2.5℃/s，太快的升溫會對元件造成熱沖擊，除此之外， 還會導(dǎo)致助焊劑急劇揮發(fā)造成錫珠、錫塌和元仵“爆米花”等現(xiàn)象。比較小的升溫更有利于減少電路板上的溫度 差。

錫鉛焊膏中助焊劑活化溫度一般為120～150℃，無鉛錫膏中助焊劑活化的溫度較高，一般為150～200℃。在此 溫度，助焊劑的活性被激發(fā)，清潔焊接面，去除焊接表面的氧化物，潤濕焊接表面，防止焊接面在爐內(nèi)的再次氧 化。如果設(shè)置的溫度過高，助焊劑會急劇揮發(fā)，一部分甚至?xí)纸?，?dǎo)致焊接面清潔潤濕不良，或焊接面氧化， 焊接完后焊點(diǎn)內(nèi)出現(xiàn)空洞。過低的溫度設(shè)置會導(dǎo)致助焊活化時間不足，焊接表面的油污和氧化物不能完全去除， 導(dǎo)致焊接不良。另外，會有較多的助焊劑留在回流焊接階段而導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)過多的空洞。適當(dāng)?shù)闹竸┗罨瘯r間不僅可以很好的潤濕焊接面，還可以降低焊點(diǎn)中的空洞。但是太長的活化時間反而會導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi) 空洞的急劇增加，原因是助焊劑在此階段過度揮發(fā)，焊接面及焊料氧化，在回流階段沒有足夠的助焊劑覆蓋在熔 融的焊料金屬表面，導(dǎo)致過多的氧化。所以在此溫度下的時間需要細(xì)心的優(yōu)化。

一般對于無鉛工藝，助焊劑活化的時間為60～90 s，對于錫鉛工藝，助焊劑活化時間為2.5~3 mln。

在回流焊接過程中，液相以上時間要適當(dāng)，時間太短，焊點(diǎn)可能不完整，容易出現(xiàn)“冷焊”；時間太長，則會 有氧化的問題，焊點(diǎn)發(fā)黑無光澤，元件及電路板容易損壞，而且焊點(diǎn)內(nèi)金屬間化合物會過度生長。對于無鉛工藝 ，控制液相以上時間在45～90 s，推薦為60 s。錫鉛工藝，液相以上時間控制在60～75s，推薦為60 s。

回流的最高溫度一般要求高于液相溫度15～30℃，原則是在滿足焊接要求的情況下，盡量使用較低的焊接溫度 以降低由于高溫引起的翹曲變形、焊點(diǎn)的氧化及控制金屬間化合物在焊點(diǎn)內(nèi)的過度生長。但太低的回流溫度會導(dǎo) 致焊接不充分，或者焊料不能完全熔化，出現(xiàn)“冷焊”。太高的回流溫度不僅帶來產(chǎn)品的翹曲變形，焊點(diǎn)的氧化 ，還會損壞元件和基板，焊點(diǎn)內(nèi)金屬間化合物也會長得很大。

冷卻速度在無鉛工藝中已備受關(guān)注，原因是其影響焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和可靠性。比較慢的冷卻速度，焊點(diǎn)內(nèi)金屬 間化合物尺寸會很大，同時錫的結(jié)晶顆粒也會比較粗，這些對焊點(diǎn)的可靠性都不利。而比較快的冷卻速度有利于 減少焊點(diǎn)內(nèi)金屬間化合物的形成，錫晶顆粒也會比較細(xì)。但是快速的冷卻會導(dǎo)致基板和元器件嚴(yán)重的翹曲變形。 所以，在優(yōu)化此參數(shù)時需要平衡考慮。另外，在組裝倒裝晶片時，在強(qiáng)制熱風(fēng)回流爐設(shè)置中往往被忽略的一個參 數(shù)就是風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。太強(qiáng)的氣流有時會將細(xì)小的元件吹跑，或?qū)е略阋啤Ｒ话憧梢哉{(diào)整其轉(zhuǎn)速在3 500轉(zhuǎn)/min左右。

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