微電子封裝中助焊劑的分析及激光焊錫技術(shù)的應用

0 引言

在微電子封裝領(lǐng)域，助焊劑扮演著不可或缺的角色，它直接影響焊接過程的效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。本文深入探討了助焊劑的來源、功能及其在焊接中的關(guān)鍵作用，并對當前備受關(guān)注的“綠色”助焊劑進行了全面概述，包括無鉛、低殘留、低毒性、無鹵素和無揮發(fā)性有機化合物（VOC）的特性。我們還將分析全球助焊劑的使用趨勢，從傳統(tǒng)的松香基助焊劑到現(xiàn)代的水溶性、免清洗和低固含量助焊劑。文章最后強調(diào)，盡管助焊劑對微電子封裝至關(guān)重要，但目前尚無一種助焊劑能夠滿足所有應用需求，這要求我們在選擇和應用助焊劑時必須考慮其特定環(huán)境和要求。

接下來的章節(jié)將詳細討論助焊劑在軟釬焊中的作用機理、環(huán)保要求、全球市場概況以及激光錫焊技術(shù)的最新進展，為微電子封裝行業(yè)的專業(yè)人士提供寶貴的參考和指導。

1 研究背景

在軟釬焊中，助焊劑的作用不僅限于幫助流動，還包括輔助熱傳遞、去除氧化物、降低表面張力和防止再氧化。這些作用可以概括為四個方面：輔助熱傳遞、去除氧化物、降低表面張力和防止再氧化。助焊劑在化學反應中起到催化劑的作用，雖然不進入焊點，但對完成釬焊接頭的速率和程度有著重要的影響。

助焊劑的常見組成包括活性劑（2%～5%）、溶劑（97%）（水+助溶劑）、表面活性劑（0.3%）、成膜劑（0.25%）和緩蝕劑（0.1%～0.2%）等。在工業(yè)應用中，助焊劑的性能需滿足去除氧化物、防止再氧化、降低表面張力、促進焊料的潤濕和擴展等要求，并具有適當?shù)幕钚詼囟确秶?、良好的熱穩(wěn)定性、較小的表面張力、黏度和比重，以及易去除的殘渣。此外，助焊劑的基本組分應符合環(huán)保要求，在常溫下儲存性質(zhì)穩(wěn)定，并達到或超過相關(guān)標準、行業(yè)標準或其他標準的要求。

2 環(huán)保助焊劑要點

2.1 無鉛

在歐盟的RoHS和WEEE認證中正式提出了對六種物質(zhì)（鉛Pb、鎘Cd、汞Hg、六價鉻（Cr(VI））、多溴聯(lián)苯（PBBs）、多溴二苯醚（PBDEs））的禁令。2011年12月1日在我國正式推廣的國推RoHS認證也規(guī)定了這六種物質(zhì)在中國的禁令。國推RoHS認證規(guī)定“無鉛”的標準是含鉛不大于0.1%。

與傳統(tǒng)的錫鉛焊料相比，無鉛焊料由于熔點高，易氧化，潤濕性差，要想獲得與錫鉛焊料質(zhì)量相當?shù)暮更c，必須使用活性更高，熱穩(wěn)定性更好的新型助焊劑，因此需要對相應的助焊劑組成和焊接工藝進行重新設計。在工業(yè)生產(chǎn)中，可焊性和可靠性是評估無鉛焊料的重要指標?，F(xiàn)今常見的無鉛焊料有SnAgCu等。

2.2 低殘留、低毒性

免清洗助焊劑避免了使用CFC溶劑，減少了對大氣臭氧層的破壞。這類助焊劑要求助焊劑殘留物不腐蝕、不吸濕和不導電。

2.3 無鹵

鹵素化合物的使用會逐步引起電氣絕緣性能下降和短路等問題，因此在2008.12起生效的IPC/J-STD-004B中，按不同物質(zhì)和含鹵素含量的多少將助焊劑分為十二類，其中小于0.05%（萬分之五）視為無鹵（不含鹵素化合物），0.05%2.0%為高活性。這個標準可以將目前市售的所有助焊劑都涵蓋其中，證明其分類的科學性。

2.4 無VOC

揮發(fā)性有機物（VOC）的使用不僅會導致氣候變化，還會影響產(chǎn)品安全。限制VOC在助焊劑中的使用已經(jīng)成為業(yè)界的共識，預計未來會有新的環(huán)保法規(guī)來規(guī)范VOC的使用。

除了以上四類物質(zhì)，“綠色”助焊劑還要求無松香、高效、水性基體等方面，這里不一一展開。總的來說，“綠色環(huán)保，節(jié)能低碳”是助焊劑開發(fā)的總要求。具體來說，無松香，無鹵素，無VOC，水基，免清洗助焊劑的開發(fā)與應用是當今微電子封裝材料研究領(lǐng)域的一項重要任務。

3 全球范圍內(nèi)助焊劑使用的概況

圖1 全球范圍內(nèi)助焊劑使用的概況

圖1所示為1990年代全球范圍內(nèi)助焊劑使用的概況，其中：松香基助焊劑（Rosin-Base）僅占5%，而水溶性助焊劑（Water-Soluble）的比例占30%，免清洗助焊劑（No-Clean）的比例高達65%。

3.1 松香基助焊劑

松香在是傳統(tǒng)的電子工業(yè)中是作為助焊劑的關(guān)鍵組分。松香基助焊劑的主要組分為：松香酸含量80%～90%，海松酸含量10%～15%。但松香基助焊劑有無法忽視的缺點：松香是一種天然產(chǎn)品，起到助焊作用的主要是松香酸，但其酸值不確定；松香在焊接時會放出大量焊接煙塵，污染環(huán)境；其殘留物不易除去，清洗用到的CFC會對大氣臭氧層造成破壞。此外，美國的松香生產(chǎn)已從1962年的12.5萬t下降至現(xiàn)今的1.5萬t，松香的供應無法保證。因此有必要尋找松香型助焊劑的替代產(chǎn)品。

3.2 水溶性助焊劑

水溶性助焊劑主要有水溶性有機酸助焊劑（OA）和水溶性樹脂助焊劑（SA）。水溶性助焊劑顯著的特點是沒有CFC和其他溶劑。相比于松香型助焊劑，其具有更加優(yōu)良的焊接強度和熔融能力，且殘留物可溶于水，易于除去。然而，水溶性助焊劑的殘留物具有化學活性和腐蝕性，因此要徹底清洗。當水溶性助焊劑的殘留物未能完全從線路板上除去時，會損害線路板長期運行的可靠性，且比松香型助焊劑的殘留物損害更大。使用水溶性助焊劑時，要注意以下幾點：焊接過程中應控制溫度曲線；印刷過程中要保證間隔的時間最短；清洗過程應避免助焊劑卷入及殘留物未能完全除去；如使用皂化劑或其他添加劑，須控制其質(zhì)量和數(shù)量。此外，如需要可用中和、沉淀、分離控制來處理廢水。

3.3 免清洗助焊劑和低固含量助焊劑

免清洗助焊劑是Montreal議定書頒布后開發(fā)出來的新型助焊劑。這類助焊劑有充足的活性來保證焊接質(zhì)量，并且讓焊接中沒有焊球形成。其殘留物量最少，且無黏性，因此不影響焊件檢驗。除此以外，殘留物在溫度、濕度下保持惰性，且無腐蝕性。免清洗助焊劑的例子有英國Multicore公司的X-32無渣助焊劑，其不含鹵化物，無腐蝕性，可達到軍用標準的清潔度要求，固含量約為3%。德國Stannol焊劑制造廠生產(chǎn)的Stannol “900-6”低固含量助焊劑是一種無鹵素，無松香活化的水白色助焊劑，其固含量為6%，比重0.796，閃點13℃。

4 激光錫焊技術(shù)

在軟釬焊工藝中，助焊劑發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它通過去除焊點表面的氧化層、增強材料表面的潤濕性、降低合金層的形成溫度以及增加熔錫的鋪展面積，從而確保焊接過程的質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)釬焊工藝通常涉及助焊劑的添加和焊后清洗工序，以去除殘留的助焊劑。然而，激光錫球焊接工藝采用無助焊劑的錫球作為焊接填充料，在保護氣體的環(huán)境下進行焊接加熱，確保釬料在焊接過程中無氧化，從而在材料表面實現(xiàn)良好的潤濕。這種工藝不僅實現(xiàn)了產(chǎn)品焊后無殘留助焊劑，還省去了焊后清洗工序，顯著降低了生產(chǎn)成本。

激光錫球焊接作為一種精密加工技術(shù)，其優(yōu)勢在于單次焊接的釬料量穩(wěn)定，焊點一致性高，每個焊點的釬料量偏差最小。結(jié)合CCD高精度定位和自動化生產(chǎn)方式，可以顯著提高產(chǎn)品的生產(chǎn)良率和效率。此外，激光錫球焊接作為一種非接觸式熱源，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)方式難以達到的工藝要求，如非接觸式加熱、精確可控的工藝參數(shù)和良好的重復操作穩(wěn)定性。激光的聚集效應使得熱量集中，同時對焊點周邊區(qū)域的熱影響很小，有利于防止產(chǎn)品焊點周圍結(jié)構(gòu)的變形和損傷。

相較于傳統(tǒng)的軟釬焊工藝，激光軟釬焊能夠適應更廣泛的焊點結(jié)構(gòu)，減少人力消耗，并更好地適應不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。激光軟釬焊系統(tǒng)易于與不同類型的生產(chǎn)線結(jié)合，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，且能耗相對較低，更加符合智能制造的理念。

5結(jié)語

在微電子封裝領(lǐng)域，助焊劑是確保焊接質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。隨著環(huán)保和技術(shù)進步，行業(yè)趨向使用無鹵素、低殘留、免清洗、無/低VOC的“綠色”助焊劑，這些助焊劑既環(huán)保又提高了生產(chǎn)效率。選擇合適的助焊劑時，必須平衡環(huán)保性能和成本效益。本文分析了助焊劑的多個方面，包括其來源、作用、環(huán)保要求，并綜述了全球使用情況，指出沒有一種助焊劑能滿足所有需求，因此提供多樣化的助焊劑選擇是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。激光錫焊技術(shù)作為一種新興技術(shù)，通過使用無助焊劑的錫球和保護氣體，實現(xiàn)了焊接過程中釬料無氧化，提高了生產(chǎn)效率并降低了成本。助焊劑作為微電子封裝行業(yè)的“催化劑”，其研發(fā)將繼續(xù)朝著環(huán)保、高效、經(jīng)濟的方向發(fā)展，未來的研究將更加注重性能優(yōu)化和環(huán)保標準的提升，以滿足嚴格的工業(yè)要求，推動微電子封裝技術(shù)的進步。

本文由大研智造撰寫，專注于提供智能制造精密焊接領(lǐng)域的最新技術(shù)資訊和深度分析。大研智造是集研發(fā)生產(chǎn)銷售服務為一體的激光焊錫機技術(shù)廠家，擁有20年+的行業(yè)經(jīng)驗。想要了解更多關(guān)于激光焊錫機在智能制造精密焊接領(lǐng)域中的應用，或是有特定的技術(shù)需求，請通過大研智造官網(wǎng)與我們聯(lián)系。歡迎來我司參觀、試機、免費打樣。

審核編輯 黃宇