新型预涂覆焊片封装工艺的研究
王禾潘旷钟海锋温丽薛松柏
摘要：
微电子封装技术为电子产品的各类模块提供着电气连接、机械支持、环境保护等重要功能，已经逐步成为实现高密度、多样化电子设备的关键核心技术之一。然而，随着３Ｄ、ＳｉＰ、ＳｏＣ等高密度封装技术的兴起，微电子封装密度呈几何级增加，缺乏高效率的微电子封装方式已经成为了制约因素。因此，针对传统手工涂覆助焊剂效率低下的问题进行了研究，在行业内首次提出了新型的低残留、高钎透率预涂覆焊片，并设计了相关的封装工艺，将组件配装效率提高了３倍以上。最后，依据预涂覆焊片研发了一种高度契合智能制造的自动化封装解决方案，为钎焊封装效率带来了革命性的改进，且已在多型产品上广泛应用。本研究对于电子产品组件“智能化”制造的需求提供了实践和理论上的借鉴意义。
目前，微电子封装技术已经逐步成为实现高密度、多样化电子设备的关键核心技术之一。电子封装不仅为芯片、各类器件、电路基板、壳体等提供电气连接，同时也提供着机械支持、环境保护等功能。因此，电子封装技术水平直接影响着电路和器件的电、热、光和力学性能，并影响其可靠性和成本。特别是随着３Ｄ封装、系统级封装（ＳｉＰ）、系统级芯片（ＳｏＣ）等新型电子技术的兴起，微电子封装密度呈几何级增加，缺乏高效率的微电子封装方式已经成为了制约因素，亟待微电子行业工作者解决。
对于功率芯片、微波电路板、元器件等核心模块而言，钎透率直接反映了电气性能，是可靠性的重要指标。然而，在实际的使用中，钎焊封装始终被助焊剂残留物多、钎透率差的问题所困扰，这些问题造成了大量芯片、电路基板、元器件的烧损。在以往的研究中发现
，提高钎透率的主要途径之一是选择助焊效果良好的助焊剂，助焊剂可去除表面氧化膜和改善润湿。然而，助焊剂的使用也会带来松香残留物，松香酸与表面氧化层反应生成的气体，是造成钎焊空洞的主要因素之一。因此，如何减少助焊剂残留的同时提高组件钎透率也成为了行业研究的热点。
本研究基于之前对助焊剂残留物污染的相关研究，并同时针对传统的手工涂覆助焊剂效率低下的问题进行改善。研发了一种新型的低残留、高钎透率预涂覆焊片，并设计了相关的封装工艺，将组件配装效率提高了３倍以上，在国内外尚属首次。研究成果高度契合智能制造，为钎焊封装效率带来了革命性的改进，已在微波多芯片组件（ＭＭＣＭ）、光电ＩＧＢＴ（InsulatedGateBipolarTranslator，绝缘棚门极晶体管）模块、传统电装模块等多种类的产品中广泛应用。对于电子产品组件“智能化”制造的需求提供了实践和理论上的借鉴意义。
１试验
本研究采用某型微波Ｔ／Ｒ组件试件作为试验对象，采用真空热风回流炉进行钎焊，材料为Ｓｎ６３Ｐｂ３７焊片及低残留的助焊剂（ＲＭＡ型，不含卤素，浙江省钎焊材料与技术重点实验室提供）。首先将助焊剂均匀涂覆在焊片表面形成预涂覆焊片，然后进行配装、钎焊，观察新方法效率的提升，钎焊完成后使用X－ray检测仪测量并记录钎透率，并对试验结果进行对比分析。
２试验结果
２．１焊片预涂覆工艺设计
试验以某环形器钎焊工艺为研究对象，采用锡铅预成型焊片（5ｍｍＸ5ｍｍＸ0.1ｍｍ）。其主要工艺步骤设计如图１所示，具体为：
１）配置低残留的无卤素ＲＭＡ型助焊剂，主要成分为松香、活性剂、均匀剂、成膜剂、触变剂以及酒精或乙二醇溶剂等；２）采用小流量液体恒流输出装置，将助焊剂均匀涂抹在焊片表面（直接浸润的方式难以精确控制助焊剂量，且涂覆极其不均匀）；３）将带有助焊剂的焊片放置于恒温烘箱内烘烤（80℃／45s），烘干溶剂，形成预涂覆焊片（如图２所示），明显可见表面存在一层均匀预涂覆的白色助焊剂。
２．２助焊剂助焊原理
助焊剂通常是以松香为主要成分的混合物，包含活性剂、活化剂、成膜剂以及有机溶剂等物质。在高端电子制造领域助焊剂残留物及其中残存卤素会影响核心芯片的粘接与键合等效果。同样在新兴的光－电领域中，残留物会影响光信号的传输，极易造成信号的改变。因此，在类似高可靠要求的应用场合，助焊剂无卤素、低残留及清洗后被焊件的高洁净度已经成为了目前最为迫切的需求之一。通过查阅资料，无卤素助焊剂起助焊作用主要是松香酸与氧化物的反应：
松香盐和水容易去除，而未反应的松香是一种粘性树脂较难清洗。因此，在以往的研究中也发现助焊剂的残留物主要为松香等物质。然而，在高可靠需求的电子组件或光－电模块中，被焊面普遍采用镀金层，因此不用考虑（２）式中氧化物的去除。而预涂敷焊片的设计思路是：选用易于清洗的松香；仅考虑去除（１）式中氧化物从而确定表面焊剂涂量。根据经验，推荐助焊剂涂覆量为１~３％。
２．３预涂覆焊片配装工艺
如图３所示，传统的组件钎焊封装配装方式为：
１）在组件壳体上刷一层助焊剂；
２）配装预成型焊片；
３）在预成型焊片表面刷一层助焊剂；
４）配装
已贴片的电路基板。不仅过程繁杂，而且手工涂覆助焊剂难以实现精确控制，常常涂覆过量带来大量的焊剂残留物。本次研究的预涂覆焊片只需一次配装焊片和电路基板，一次即可配装到位，：Ｃ序仅需５Ｓ，效率提升３倍以上。
２．４适用新型预涂覆焊片的电子器件及封装结构
鉴于上述的创新优势，预涂覆焊片带来了钎焊封装效率革命性的改进，因此也被广泛应用于功率芯片、ＩＧＢＴ模块、电路基板封装、分立器件（环行器、衬底、管壳）等各类复杂形状的钎焊封装上，甚至可以做成圆形的预涂覆焊环（如图４所示），用来实现连接器等各类腔体电子器件的高效钎焊。
由于具体使用场景过于繁多，难以详尽地进行描述，因此，以电路基板的钎焊封装为例，研究新型预涂覆焊片扩展的钎焊封装工艺设计。图５所示为一种较为通用的电子产品组件的高效自动化钎焊配装方法，该方法原理为：把预涂焊片和电路板“类比”做元器件进行自动“贴装”，整个过程全自动化实现，无需手工配装与涂覆助焊剂，生产效率得到了大幅度的提高，且不再需要接触液态助焊剂，大幅降低对钎焊工作者身体的损害和劳动强度，高度契合智能制造与绿色制造的需求。该方法相较于目前市场上流行的海绵蘸取助焊剂后自动涂覆的方案，效率更高，助焊剂量控制更为精确，焊后残留物影响也更少。
类似地，功率芯片、ＩＧＢＴ模块、分立器件等也可通过预涂覆焊片实现自动化高效的钎焊封装，但是更多行之有效的解决方案仍有待微电子行业工作者深入的研究与开发。显然，本研究的成果在电子工业中的软钎焊领域及电子产品智能制造领域均具有重要的应用价值及实践借鉴意义。
３结论
本文阐述了预涂覆焊片的制备工艺方法及其对应的钎焊封装工艺设计。采用新型的预涂覆焊片配装组件，效率可以提升３倍甚至更多。因此，预涂覆焊片已经被广泛应用于芯片、ＩＧＢＴ模块、分立器件等各类型电子器件、组件的工艺设计方案中。最后，本研究以电路基板的钎焊封装为例，给出了一种通用性极高的自动化高效钎焊工艺方案。综上，本项目研究成果在电子工业中的软钎焊领域及电子产品智能制造领域均具有重要的应用价值及实践借鉴意义。
