高可靠性微电子装备认证试验研究

摘要：介绍了“国内高可靠性微电子装备用焊膏”研制工程第三阶段的部分工作，针对第二阶段研配成功的三款无铅焊膏和三款有铅焊膏进行全面的物理化学性能分析，包括焊膏的金属部分、助焊膏部分和焊膏整体性能在内的17个性能表征项目的验证及分析，并将验证数据进行统计分析，对新品焊膏理化性能进行定型认证。同时，为高可靠性微电子工艺用焊膏的性能检测提供了方法。

关键词：微电子装备；焊膏；理化性能；定型认证

焊膏作为电子装联焊接用的关键材料，在焊接过程中直接影响焊接的成功率与可靠性。我国电子工业起步较晚，对锡膏产品的研制投入不足，虽然近年来国内企业已逐渐研发出焊膏的制备技术，能应用于SMT生产中，但由于在质量稳定性和可靠性等方面与国外产品存在一定差距，国内锡膏用户尤其是高端电子领域用户仍然在使用进口焊膏。为加强我国锡膏品牌建设，提升国内焊膏产品质量与市场竞争力，“国内高可靠性微电子装备用焊膏”研制工程应运而生。研制工程通过对国内外焊膏进行全面对比分析，找出国内外产品在理化性能、工艺性能及可靠性等方面的差距，探索理化特性、工艺性与可靠性彼此间的内在关联性，优化国内品牌的构成成分和配比并进行全面的技术分析，创建一流的焊膏产品，使国内产品迈向全新的技术竞争平台。研制工程共分为四阶段，本文对研制工程第二阶段新研配成功的三款无铅焊膏和三款有铅焊膏进行全项目理化性能检测和研究分析。

1研究内容及方法

1.1研究内容

焊膏的材料理化性能分析分为三部分展开，包括金属部分性能分析、助焊膏部分性能分析、焊膏整体性能分析。焊膏金属部分研究主要包括金属含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形状分布；焊膏助焊剂部分研究包括酸值、扩展率、铜镜腐蚀及铜板腐蚀；焊膏整体部分的研究包括离子卤化物含量、总卤、润湿性、黏度、坍塌试验、锡珠试验、黏滞力、表面绝缘电阻及电迁移。

1.2研究方法

采用国内外较为成熟通用的标准方法对焊膏的理化性能进行测试分析，其中除合金成分采用GB/T10574标准、总卤采用EN14582标准外，其余项目全部采用IPC-TM-650系列标准进行测试，对试验结果进行评判的主要依据为IPCJ-STD-004B、IPCJ-STD-005A、IPCJ-STD-006C等。应用到的分析手段主要包括显微组织分析、化学成分分析、电绝缘性能分析、可靠性测试分析等，分析方法主要有：化学滴定法及ICP-OES法对焊膏合金成分进行定量分析；显微测量法对合金粉末粒度进行分析；离子色谱分析法对卤化物含量进行定量分析；氧弹燃烧法对焊膏总卤进行分析；在线监测法测定表面绝缘电阻等。为确保数据的有效性和一致性，针对每个项目都进行了3~5组平行样进行研究，将研究的数据进行汇总统计与对比分析，从而得到本文的结论。文中涉及的焊膏均进行盲样编码测试，样品编码“W-1”、“X-1”、“Y-1”代表有铅焊膏，“W-2”、“X-2”、“Y-2”代表无铅焊膏。

1.3仪器设备

研究所用的主要仪器设备及型号如下：电感耦合等离子原子发射光谱仪Agilent5100、场发射扫描电子显微镜S-4300&Genesis-60、离子色谱仪ICS-1500、SIR在线监测系统SIR-8328、黏滞力测试仪TK.1、高阻仪Agilent4339B等。

2研究结果

2.1金属部分研究结果

焊膏金属部分性能优劣直接影响焊接温度、焊点质量等，且金属含量与合金成分均是考察焊膏质量一致性的项目。对国内焊膏金属含量、合金成分、合金粉末粒度大小及形状分布进行定型分析。三款有铅焊膏W-1、X-1、Y-1的金属含量均在89%~91%范围内，且合金成分均符合Sn63Pb37的要求，合金粉末粒度均符合Type4[1]。三款无铅焊膏W-2、X-2、Y-2的金属含量均在87%~89%范围内，且合金成分均符合SAC305的要求，合金粉末粒度均符合Type4。六款焊膏的金属部分性能均符合标准要求[2]，金属含量及粉末粒度测试结果如图1和图2所示，合金成分见表1和表2。

2.2助焊剂部分研究结果

焊膏中的助焊剂部分最主要功能是辅助焊接，一般含量较低，但是是影响焊膏性能的决定性因素，需从助焊性及腐蚀性方面对其进行分析，主要包括酸值、扩展率、铜镜腐蚀及铜板腐蚀等。助焊剂的助焊能力越好，焊膏的铺展面积就越大，即扩展率就越大，Y-1焊膏的扩展率值最高，说明其助焊剂的助焊能力最好，六款焊膏的扩展率结果如图3所示。酸值越高即酸性越强，去除表面金属氧化物的能力一般也越强，但如果焊接后助焊剂没有完全挥发或残留物未被清洗，其残留物会增加线路板腐蚀、漏电、电迁移等的风险，因此酸值需控制在一定范围内，酸值结果如图4所示。铜镜腐蚀和铜板腐蚀分别考察焊前焊剂和焊后残留物的腐蚀性。本次定型试验的六款焊膏铜镜腐蚀结果均为“铜膜减薄，未见穿透性腐蚀”，符合L级，说明焊接前对器件的腐蚀性影响很小。铜板腐蚀试验结果显示，有铅焊膏X-1和无铅焊膏Y-2出现轻微腐蚀现象，其余四款焊膏无明显腐蚀，说明X-1和Y-2焊膏存在焊后腐蚀的风险。

2.3焊膏整体部分研究结果

离子卤化物含量和总卤分别考察焊膏游离的卤素离子和整体卤素离子的含量，通常出现Cl-、Br-的情况较多。含卤化合物是焊膏活性物质的主要成分之一，高含量活性物质会方便焊接，但活性物质在焊接过程中残留量过高则会造成器件腐蚀。三款有铅焊膏中，W-1离子卤化物含量为M1级，总卤中存在氯和溴，Y-1为L1级，总卤测试中存在溴，二者溴含量均高于900mg/kg；三款无铅焊膏中W-2卤化物含量为L1级，总卤结果溴含量均高于900mg/kg，说明W-1、Y-1、W-2三款焊膏存在对电路板元器件造成腐蚀的风险[3]。六款焊膏的离子卤化物含量及总卤结果见表3。润湿性试验考察焊膏焊接过程中的铺展能力，根据IPCJ-STD004B的要求，焊膏熔化后不应存在润湿不良或反浸润现象，且印刷图形周围无焊锡飞溅物。本次定型试验的六款焊膏润湿性试验结果均为“浸润良好，印刷图形周围无焊锡飞溅物”，符合技术要求。坍塌试验考察焊膏的抗坍塌性，六款焊膏试验结果均符合IPC-J-STD-005A产品的技术要求。锡珠试验考察锡膏加热融化后，在抗润湿基材上收缩成一颗锡球的能力与不飞溅的能力。在印刷后0h和4h分别进行锡珠测试，对焊锡膏的品质提出了更高要求，六款焊膏结果均为“锡膏融化形成大圆球，周围有少量可接受的小锡球”，说明六款焊锡膏融化过程中存在锡珠飞溅、炸锡等风险低，且基本无锡珠引起导体短路的风险。焊膏的黏度可以反映焊膏流动的难易程度，可在焊膏产品应用过程中作为质量一致性批次检的重点考察项目。本次定型试验的六款焊膏黏度值结果如图5所示。黏滞力评价焊膏随着时间改变是否有足够的黏滞力将元器件固定，分别测试焊膏在初始时和放置8h后的黏滞力，用来模拟在生产制造过程中将会产生的变量。将锡膏放置8h后测得的黏滞力F2和初始值F1相比，得出ΔF，黏滞力之比ΔF越接近100%，说明锡膏的稳定性较好。本次定型试验的六款焊膏黏滞力分析结果见表4。。表面绝缘电阻和电迁移共同考察了焊膏焊接后在不同温湿度条件下的短期/长期加电作用下的电绝缘性能。六款焊膏的表面绝缘电阻测试结果均符合IPCJ-STD-004B技术要求，说明其在短时间内的电绝缘性能均良好。电迁移测试结果均符合技术要求，说明六款焊膏在高温高湿和长期加电的条件下导致金属电极发生腐蚀的风险基本可以忽略。六款焊膏表面绝缘电阻及电迁移分析结果见表5和表63研究结论本文对“国内高可靠性微电子装备用焊膏”研制工程第二阶段研配成功的六款锡膏进行理化性能定型试验，包括基础理化性能、腐蚀性、电绝缘性、印刷性等共计17个试验项目。通过对验证结果进行分析发现，六款焊膏在理化性能方面，金属部分性能均满足技术要求，电绝缘性能良好，电迁移测试结果优于国外焊膏，但在腐蚀性能方面，有铅焊膏X-1和无铅焊膏Y-2存在焊后腐蚀的风险，后续需重点优化与管控。本文仅对焊膏的理化性能进行定型试验分析，需综合后续工艺性与可靠性定型试验结果，最终对国内新品焊膏进行定型。

参考文献

[1]IPC.Requirementsforsolderingpastes:IPCJ-STD-005A[S].Lincolnwood:HISInc,2012.

[2]IPC.Requirementsforelectronicgradesolderalloysandfluxandnon-fluxedsolidsoldersforelectronicsolderingapplicationspastes:IPCJ-STD-006C[S].Lincolnwood:HISInc,2013.

[3]IPC.Requirementsforsolderingfluxes:IPCJ-STD-004[S].Lincolnwood:HISInc,2012.

作者：郑冰洁 张莹洁 张培强 刘子莲 罗道军 单位：工业和信息化部电子第五研究所