1、簡介：
a.釬料已成為所有三級連接（芯片、封裝和板級組裝）的互連材料，此外錫/鉛釬料作為表面涂層還廣泛應(yīng)用于元器件引線和PCB的表面鍍涂層；
b.表面安裝技術(shù)：它主要是應(yīng)用科學(xué)與工程原理將元件和器件放置到印制電路板表面上進行板級組裝，而不是將它們插入電路板。與通孔插裝技術(shù)相比，表面組裝技術(shù)有如下優(yōu)點：
■提高了電路密度；
■縮小了元器件尺寸；
■縮小了電路板尺寸；
■減輕了質(zhì)量；
■縮短了引線；
■縮短了互連；
■改善了電性能；
■更適應(yīng)自動化；
■降低了大規(guī)模生產(chǎn)地成本；
c.工業(yè)趨勢：
■半導(dǎo)體元件：半導(dǎo)體器件一直向著提高可靠性、縮小特征尺寸、增大的晶圓片尺寸發(fā)展，今后電子技術(shù)的發(fā)展可能不只是受到傳統(tǒng)的電路材料理論推動，它還可能基于電子和聲子，可能還包括光子的遷移率及傳導(dǎo)率；
■IC的封裝和無源元件：又有已知合格芯片（KGD）在板級組裝中一直存在問題，使用封裝好的表面安裝器件將繼續(xù)占主流地位（ DIP、PGA、LCCC、PLCC、SOIC、CSP、FQFP、TQFP、BGA）；
■板級組裝：配備了能提供多種工藝能力硬件的柔性工藝，便捷生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)備對于將來SMT生產(chǎn)地成功來說都是至關(guān)重要的；
d.交叉學(xué)科和系統(tǒng)方法：
■最好的科學(xué)與技術(shù)史結(jié)合了四種要素產(chǎn)生的：科學(xué)家的責(zé)任感、想象力、直覺和創(chuàng)造力；
■漿料技術(shù)源于幾個學(xué)科的交叉：配方技術(shù)、流變學(xué)、化學(xué)與物理、冶金和粉末技術(shù)；
2、軟釬焊材料：
a.軟釬料合金：一般定義為液相線溫度低于400℃（750℉）的可熔融合金，常用的元素有錫Sn、鉛Pb、銀Ag、鉍Bi、銦In、銻Sb、鎘Cd。軟釬料合金的選擇是基于以下原則：
■合金熔化范圍，這與使用溫度有關(guān)；
■合金的力學(xué)性能，這與使用條件有關(guān)；
■冶金相容性，這要考慮浸出現(xiàn)象和可能生成金屬間化合物；
■使用環(huán)境相容性，這主要是考慮銀的遷移；
■在特定基板上的潤濕能力；
■成分是共晶還是非共晶；
b.冶金學(xué)：對于錫鉛二元合金，錫元素和鉛元素在液態(tài)時可以完全互溶，在固態(tài)時可以部分互溶，由于錫鉛釬料合金含有一個固相線和多個固相，因此它們也很容易受到熱處理的影響；
c.軟釬料粉：合金粉末常用以下幾種技術(shù)制造出來，如化學(xué)還原法（多孔并呈海綿狀）、電解沉積法（樹枝狀晶粒）、固體顆粒的機械加工法、液相合金霧化法（生產(chǎn)軟釬料粉）；
d.力學(xué)性能：三個主要的力學(xué)性能包括應(yīng)力-應(yīng)變行為、抗蠕變性、抗疲勞性：
■大多數(shù)合金的剪切強度都弱于抗拉強度和抗壓強度，由于大多數(shù)焊點在使用時都是受剪切應(yīng)力，所以剪切強度對于軟釬焊材料來說十分重要；
■蠕變是在溫度和應(yīng)力（載荷）都恒定時發(fā)生地整體塑性變形行為；各種軟釬料合金的抗蠕變性能可分為五類：低、中低、中等、中高、高；
■疲勞是合金在交變應(yīng)力作用下的失效行為（低周疲勞。熱機械疲勞）；
3、焊膏：
a.定義：是一種釬料合金粉末、釬劑、和載體的均勻的、動態(tài)穩(wěn)定的混合物；
b.特性：焊膏的物理和化學(xué)特性可以用以下參數(shù)來表述：
物理形貌、穩(wěn)定性和儲存期、黏度、冷塌落、通過細(xì)針頭的可滴涂性、絲網(wǎng)印刷性、模板印刷性、粘附時間、黏性、暴露壽命、質(zhì)量和一致性、與待焊表面的相容性、熔融前的流動性、潤濕性、反潤濕現(xiàn)象、焊珠現(xiàn)象、橋接現(xiàn)象、毛細(xì)現(xiàn)象、浸出現(xiàn)象、殘留物的數(shù)量和性質(zhì)、殘留物的腐蝕性、殘留物的可清洗性、焊點的外觀、焊點的孔洞；
c.釬劑和助焊：根據(jù)釬劑的活性和化學(xué)性質(zhì)，可將他們分為松香基釬劑、水溶性釬劑和免清洗釬劑，釬劑通過配入到焊膏或焊絲中、或作為獨立化學(xué)物質(zhì)直接施加在元件和焊膏上來實現(xiàn)助焊功能；
e.釬劑活性：
■釬劑的官能團和分子結(jié)構(gòu)；
■釬劑化學(xué)物質(zhì)的熔點和沸點；
■在釬焊條件下的熱穩(wěn)定性；
■在釬焊條件下的化學(xué)活性；
■釬劑周圍的介質(zhì)；
■待助焊的基板；
■環(huán)境穩(wěn)定性（溫度、濕度）；
■釬焊條件（溫度隨時間變化率、氣氛）
f.水溶性釬劑：僅用水就可以去除殘留物的釬劑，一般用超聲清洗并配合適當(dāng)溫度曲線；
g.氣相釬劑：一般分為反應(yīng)性和保護性兩種，前者能夠幫助釬劑清洗元器件的引線和焊盤，后者的主要功能就是在軟釬焊過程中防止氧氣和水汽；
h.免清洗釬劑：
■最小的殘留物含量，最好無殘留物；
■殘留物為半透明、并且不影響外觀；
■殘留物不影響針床測試；
■殘留物與保形涂層（如使用的話）不互相干擾；
■殘留物無黏性；
■殘留物在高溫、潮濕和電壓偏壓的條件下保持惰性；
■能有效地助焊，而無焊珠形成；
i.水溶性釬劑和免清洗釬劑之間的比較：兩者都是可實際應(yīng)用的體系，后者減少了一個工藝步驟，是一個明顯的經(jīng)濟上的優(yōu)勢，但保護氣氛的消耗同時會增加清洗的成本；
j.流變學(xué)：焊膏的流變學(xué)受到以下因素的影響：
■懸浮顆粒的成分、外觀好尺寸；
■懸浮基體的化學(xué)成分；
■基體中有效組分的相對濃度；
■基體中組分的結(jié)構(gòu)；
■基體和懸浮顆粒之間的物理或化學(xué)相互作用，包括潤濕和融合；
■懸浮顆粒所占體積分?jǐn)?shù)，通常比例越高越容易偏離黏性流動；
■內(nèi)部結(jié)構(gòu)和它對外力的響應(yīng)；
■顆粒和生成的團聚物以及凝絮物之間的交互作用；
■溫度；
k.配方：以下思考步驟是開發(fā)產(chǎn)品時的一種路線：
■定義性能指標(biāo)；
■利用基礎(chǔ)技術(shù)；
■選擇原材料；
■了解和預(yù)測出各組分之間有可能會出現(xiàn)的相互協(xié)同或交互作用；
■平衡性能參數(shù)；
■微調(diào)配方以滿足設(shè)計規(guī)范；
■開發(fā)生產(chǎn)工藝；
■生產(chǎn)一致性產(chǎn)品；
l.設(shè)計和使用焊膏以增加系統(tǒng)可靠性：焊膏的設(shè)計和使用原則—軟性的釬劑、粗顆粒的粉末和低溫的再流曲線—應(yīng)該協(xié)調(diào)一致以獲得最高的系統(tǒng)可靠性；
m.質(zhì)保檢測：膏體、載體、粉末、再流和再流后處理；
4、軟釬焊方法：
a.分類：熱傳導(dǎo)、紅外。汽相凝結(jié)、熱氣體、對流、感應(yīng)、激光、聚焦紅外、白光束、垂直再流；
b.反應(yīng)與相互作用：再流動力學(xué)的流程圖：
■預(yù)熱基板和焊膏；
■揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)；
■揮發(fā)性物質(zhì)蒸發(fā)/釬劑滲透/ 釬劑激活；
■化學(xué)熱解/潔凈基底/潔凈焊粉；
■釬料熔化/釬料浸潤基底/釬劑載體保護基底/釬劑載體從熔融釬料逸出/化學(xué)熱解；
■釬劑載體從熔融釬料逸出/化學(xué)熱解；
■釬料固化；
c.工藝參數(shù)：用紅外法和對流法進行再流占據(jù)主要位置，影響產(chǎn)品成品率和焊點完整性的關(guān)鍵工藝參數(shù)如下：預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、峰值溫度、在峰值溫度停留的時間、冷卻速率；
d.再流溫度曲線：一個工件所經(jīng)歷的瞬時溫度條件取決于一下因素：
■所有溫區(qū)控制器的設(shè)定溫度；
■環(huán)境溫度；
■每塊板的質(zhì)量；
■加熱室中的總質(zhì)量（裝載量）；
■供熱和熱傳輸?shù)男?br />
e.再流曲線的影響：
■溫度分布的均勻性；
■塑料IC封裝開裂；
■釬料成珠；
■釬料成球；
■潤濕性；
■可殘留物清潔性；
■殘留物外觀和性質(zhì)；
■焊點的氣孔；
■釬料和基板表面的冶金反應(yīng)；
■焊點的微觀組織；
■母板翹曲；
■組件的殘余應(yīng)力水平；
f.優(yōu)化曲線：基于較慢的加熱速率和較低溫度的再流曲線將更加適合如今的復(fù)雜組裝、減少峰值溫度區(qū)的暴露時間以及減小殘余應(yīng)力的要求；
g激光軟釬焊：二氧化碳(CO2)和摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)，主要特點如下：
■可實現(xiàn)高度的局部加熱，避免熱敏元器件的損壞和防止塑料IC封裝的開裂；
■可提供較高的局部加熱，為需要多次再流的組裝提供了第二次或第三次再流的工具；
■需要的再流時間較短；
■減少金屬間化合物的形成；
■減少溶蝕問題；
■生成細(xì)晶粒的焊點組織；
■減少焊點中的應(yīng)力集中；
■減少焊點中的有害氣孔；
h. 可控氣氛釬焊，產(chǎn)用氣氛如下：干燥空氣、氮氣、氫氣、不同比率的氮氫混合氣、裂解的氨氣、放熱氣體、含不同濃度氮氣的混合氣體；
i.可控氣氛釬焊的工藝參數(shù)：氣體流動速率、濕度和水蒸氣壓、帶速、溫度、氧氣含量、優(yōu)化氧氣含量；
j.溫度分布曲線的測量：使用像高溫釬料和高溫粘結(jié)劑（Kapton）之類的粘結(jié)材料，或者采用Saunders技術(shù)系統(tǒng)不使用外部材料就可以形成接觸；
5、可釬焊性：
a.定義：可釬焊性是指動態(tài)加熱過程中，在待連接的基體表面得到一個潔凈金屬表面，從而使熔融釬料在基體表面形成良好潤濕的能力；
b.基板：可潤濕性排序：Sn，Sn/Pb＞Cu＞Ag/Pd,Ag/Pt＞Ni；
c.潤濕現(xiàn)象：良好的潤濕可通過目檢看到在焊盤的表面上形成一個平坦、均勻和連續(xù)的釬料涂覆層，而不存在反潤濕、不潤濕或針孔現(xiàn)象；
d.元器件的可釬焊性：元器件的引線通常是用銅、銅合金、42合金（41~42.5%鎳，余鐵），以及可伐合金（29%鎳、17%鈷、53%鐵、1%其他元素）制成的。鍍錫引線的可釬焊性取決于以下因素：
■引線基底材料的成分；
■涂覆層的成分；
■表面光潔度和涂覆層狀態(tài)；
■涂覆層使用期限；
■涂覆層的儲存；
■涂覆層的厚度；
e.印制電路板的表面鍍涂層；
6、清洗：
a.典型的清洗工藝的關(guān)鍵步驟為：預(yù)漂洗—沖洗—漂洗—最終漂洗—干燥；
b.影響清洗效果的參數(shù)包括：水溫、噴射壓力、噴射角、沖洗時間、流速、輔助攪拌；
7、窄節(jié)距器件的應(yīng)用：
a.開口設(shè)計與模版厚度的關(guān)系；
b.焊盤圖形與模版開口設(shè)計的關(guān)系：臺階式模版、在開口四邊均勻減小、交錯印刷、減小長度或?qū)挾�、其他形狀、折中模版厚度�?br />
c.模版選擇：常用模版材料有黃銅、不銹鋼、鉬、42合金和電鑄鎳，常用模版的制造工藝有化學(xué)蝕刻、激光切割、電解拋光、電鍍和電鑄；
8、有關(guān)釬焊的問題：
a.金屬間化合物與焊點形成：簡單來說金屬間化合物生成的程度，化合物的成分以及它們的形貌都取決于內(nèi)在因素，這些因素包括：
■釬料與基體的冶金反應(yīng)活性；
■釬焊（再流）的峰值溫度；
■在峰值溫度的停留時間；
■基體的表面狀態(tài)-干凈的與氧化的；
■焊后的存儲與使用條件；
b.鍍金基板與焊點的形成：用金作為半導(dǎo)體封裝和電子組裝中基底金屬的抗氧化涂鍍層是常用的方法，金在以下幾個方面對焊點有明顯影響：流動性、潤濕性和鋪展性、力學(xué)性能、相轉(zhuǎn)變溫度、微觀組織、形貌。但當(dāng)金的濃度過大時或造成由于脆化而造成早期的焊點開裂、生成孔洞、微觀組織粗化；
c.焊點氣孔：氣孔是一種不利于其完整性和可靠性的有害現(xiàn)象，尤其是大量喝大尺寸的氣孔；
d.焊球/焊珠：釬焊成球指在再流時離開主焊區(qū)所生成各種直徑的小球狀顆粒，且在固化后這些顆粒并不凝聚在釬料熔池周圍；人們一直在通過釬焊工藝控制、元器件和母板質(zhì)量保證及焊膏設(shè)計來減少焊球現(xiàn)象的發(fā)生；
e.印制電路板PCB的表面鍍涂層：
■基本工藝：電鍍、化學(xué)鍍和浸鍍；
■金屬體系：銅印制線上的可用金屬表面涂（鍍）層包括：Sn、SnPb合金、SnNi合金、Au/Ni、Au/Pd、Pd/Ni和Pd等；
■有機涂層：苯并三唑廣泛用于Cu的抗銹劑和防氧化劑，靠生成苯并三唑絡(luò)合物進行保護；
■PCB表面涂層體系的比較：HASL（釬料熱風(fēng)整平）不適用于引線鍵合、有機涂層；
9、焊點的外觀形貌及顯微結(jié)構(gòu)：
a.外觀形貌：影響焊點外觀形貌的因素包括光澤、組織和完整性，如下所示：
■固有的合金光澤；
■固有的合金組織；
■焊膏再流后的殘留物的特點；
■表面氧化的程度；
■釬料粉末聚合的完整性；
■微觀結(jié)構(gòu)；
■凝固時的機械擾動；
■釬料中的外來物質(zhì)；
■相偏析；
■凝固時的冷卻速率；
■后續(xù)的受熱過程，包括老煉、溫度循環(huán)、功率循環(huán)和高溫儲存；
b.顯微結(jié)構(gòu)：對于一個給定的釬料成分來說，顯微結(jié)構(gòu)以質(zhì)量微克的形式提供對焊點完整性的“觀察”和深入的“了解”；
10、焊點的完整性：
a.為確保一個焊點的完整性，需要逐一進行以下評估：
■釬料合金是否符合力學(xué)性能的需求；
■釬料合金是否符合基板兼容性的需要；
■釬料在基板上能否充分的潤濕；
■焊點構(gòu)形的設(shè)計，包括外形、厚度和接縫區(qū)域；
■優(yōu)化再流方法和再流工藝，包括溫度、加熱時間和冷卻速率；
■和老煉相關(guān)的存儲條件對焊點的影響；
■實際使用條件，包括上限溫度、下限溫度、溫度循環(huán)、振動和其他的機械應(yīng)力；
■在實際使用條件下的性能需求；
■與實際使用條件相對應(yīng)的可行的加速試驗條件的設(shè)計；
b.基本失效過程：在使用時，照成釬焊失效的基本過程和影響因素列舉如下：
機械強度較差或不夠、蠕變、機械疲勞、熱疲勞、本征的各向異性特膨脹、腐蝕加速疲勞、金屬間化合物的形成、有害微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展、氣孔、電遷移、溶蝕；
c.球柵陣列封裝釬焊互連的可靠性：影響陣列焊點長期可靠性的各種因素列舉如下：元器件封裝、母板材料、釬料成分、焊點的結(jié)構(gòu)和體積、其他材料（下填料）、制造工藝等；
d.周邊焊點的可靠性—元器件引線的影響：引線材料、引線長度、引線寬度、引線厚度、引線高度、引線的共面性；
e.焊點壽命預(yù)測模型的挑戰(zhàn)：現(xiàn)有一些模型方案中大都忽略了一些重要的部分和條件，下面列舉了其中一部分，這些就是現(xiàn)有的模型在實際應(yīng)用中存在局限性的原因：
■初始微觀組織的影響；晶粒尺寸的影響；非均勻微觀組織的影響；多軸蠕變疲勞；
■微觀組織隨外部條件的變化；確定材料初始有無裂紋；如果裂紋存在它的尺寸有多大；
■界面冶金反應(yīng)的影響；焊層厚度與界面影響的關(guān)系；損傷機理—穿晶或沿晶；
■潛在的損傷機理的轉(zhuǎn)變（由穿晶或沿晶）；是否存在晶界孔隙；焊腳幾何形狀的影響；
■自由表面狀態(tài)的影響；加速試驗條件與實際使用條件的相關(guān)性；
■實驗條件和損傷機理的關(guān)系；使用條件包括芯片功率耗散隨時間的可能變化；
■環(huán)境溫度的影響；電源開關(guān)循環(huán)次數(shù)；焊點共面性的變化造成的影響
f.蠕變和疲勞相互作用：在電子互連的釬焊材料可能要經(jīng)受包括蠕變和疲勞在內(nèi)的這兩個交互行為之一引起改變。具有最大抗蠕變性的材料常常不同于那些具有最大抗疲勞性的材料，改進材料應(yīng)著眼于同時提高抗蠕變性和抗疲勞性；
11、無鉛釬料：
a.世界立法的現(xiàn)狀：
■美國：減少鉛危害法案（S.391&S.729）、鉛稅法案（HR2479&S.1357）、資源保護回收法RCRA；
■日本：家用電子產(chǎn)品回收法，2002年將鉛用量減半，2003年完全停止使用含鉛釬料；
■歐洲：WEEE廢棄電子電氣設(shè)備指令、ROHS關(guān)于在電子電氣設(shè)備中禁止使用某些有害物質(zhì)指令（鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚）
b.技術(shù)和方法：
■在設(shè)計無鉛釬料時，選擇組成元素和它們的具體用量都要考慮兩個關(guān)鍵的因素：這種元素與錫形成合金的能力、當(dāng)與錫合金化時，它們降低熔點的能力；
■合金強化原則：滑移、位錯攀移、晶界剪切、晶粒內(nèi)的空位或原子擴散；
■強化方法：非合金化摻雜物的微觀結(jié)合、微觀組織強化、合金強化、選擇性填料的宏觀混合；
■合金設(shè)計：對于錫基釬料來說，可用的候選合金元素數(shù)量很少，僅限于Ag、Bi、Cu、In和Sb。然而摻雜元素卻可以擴展到很多的元素和化合物，冶金相互作用以及與溫度升高有關(guān)的顯微結(jié)構(gòu)的改變，為開發(fā)新型無鉛釬料提供了嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)；
c.釬料合金的選擇—一般準(zhǔn)則：參看“2、軟釬焊材料”；
d.無鉛釬料的選擇：常見的六種體系：Sn/Ag/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Cu/Bi、 Sn/Ag/ Bi/In、 Sn/Ag/ Cu/In、 Sn/Cu/ In/Ga；
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