我们知道氢气的还原性在等离子状态下可显著增加,但是,这种方法往往需要真空,因为在大气压下,等离子氢的稳定性不够。真空工艺不仅增加费用而且无法与连续smt贴片生产线配套。因此,我们的目标是开发一种可在大气压力和正常焊接温度下实施的无助焊剂焊接新技术,这种技术利用电子附着(EA)原理来活化不可燃性氮氢(<4%氢)混合气中的氢气,从而达到去除氧化物的目的。接下来,众焱电子小编将接着《smt回流焊之活化氢气氛下的无助焊剂焊接》一文中的内容继续讲解分析。
3、EA过程的建立
在用于回流焊的开放式隧道炉中建立EA。一个含有大量针头的电子发射装置被安装于炉膛顶部。将不可燃性氮氢(<4%氢)混合气通入炉内,待焊接的电子元件被装载于炉子的传送装置上,并被连续地从炉子的入口端输送到出口端。当元件通过电子发射装置的下方时,将完全处于EA活化的气氛之中。在完成了EA下的表面清理后,电子元件开始经历正常的回流和冷却过程。
用EA来实现无助焊剂焊接的最大挑战是要在大气压力下产生大量的低能电子。目前没有市售的电子发射装置能够满足此应用的要求。因此,我们开发了一套拥有专利技术的电子发射装置。该装置自含阳极和阴极,可在2~3kV直流脉冲电压下,独立发射电子。如果位于该装置下方的焊接表面不能通过接地来释放电荷,该装置还可自动收集累积在焊接表面上的自由电子从而使电子发射持续不断。
二、原理验证
1、氢分子的解离
用EA活化氢气的最基本理论是氢分子的解离性附着,即由于氢分子捕获电子而自动解离,生成中性氢原子和原子型氢负离子。为了验证,我们用质谱仪(MS)来探测在280℃含有氢(H2)和氘(D2)的炉气环境下氢-氘(HD)的形成。当EA开始于t=15min时,HD谱线的强度随之突然增加,而当EA停止于t=25min后,HD的强度又迅速恢复其原始状态。H2和D2的谱线强度也有相应的变化。这一结果证实了氢分子在EA作用下的确发生了解离。
2、焊料湿润
将一个圆片状的无助焊剂焊料预制件放在一个铜片上,再将其加热于含有或不含EA的氮氢(体积4%氢)混合气中。在未施加EA的情况下,熔融焊料仍保持其圆片形状。当加热过程中施加了EA,焊料熔化后则顺利铺展且形成光滑表面。这一试验被重复用于表1中所列出的不同焊料。
如表中所示,被观察到的焊料润湿温度一般与其熔点非常接近。这一结果充分显示了EA去除氧化物的效率。
表1EA下焊料的润湿温度
焊料成分/% |
主要表面氧化物 |
氧化层厚度/nm |
熔点/℃ |
润湿温度/℃ |
63Sn/37Pb |
SnO |
3 |
183 |
197 |
90Pb/10Sn |
SnO |
3 |
305 |
306 |
96.5Sn/3.5Ag |
SnO |
3 |
221 |
226 |
99.3Sn/0.7Cn |
SnO |
2 |
227 |
228 |
95Sn/5Sb |
SnO |
2 |
240 |
242 |
48Sn/52In |
SnO |
2 |
117 |
150 |
三、应用示范
1、晶圆凸点
晶圆凸点工艺是在晶圆被切割成芯片之前的整个硅圆上形成焊料凸点的过程。所形成的焊料凸点在倒装芯片组件中被用作电气、机械和安装接点。在晶圆凸点工艺中,需使用回流工艺将所沉积的焊料与焊盘形成金属接合,并使焊料通过熔化而实现球状凸点表面。在未施加EA的情况下,回流后的凸点表面崩塌且形变不完全,这是由于焊料熔融时受到其氧化表皮的限制。而当回流中施加了EA,焊料凸点形变充分且表面光滑,显示出在焊料熔融时其氧化表皮已被清理。
2、倒装芯片的键合
两个倒装芯片被手工放置在印有菊花链的印刷电路板(PCB)上的相应位置。每个芯片上的焊料凸点为锡-铅成分,且其直径为100μm。为了有利于演示,菊花链的末端被接地以释放电荷。当PCB被加热至焊料回流温度(220℃)并被暴露于EA30s后,菊花链瞬间亮起,这表明焊点的自动对位和连接已完成,因此电路开始获得良好的连续性。
3、芯片贴装
芯片贴装是将含有集成电路的单个裸芯片贴附并接合于基板或封装基座的制作过程。对于高功率应用中的电子器件,其芯片贴装需采用焊料预制片来形成金属性接合。为了实现高效率的传热与导电,在smt贴片打样或加工生产时,焊接处必须尽量减少空洞的产生。用EA代替助焊剂来进行焊接表面的清理能彻底根除助焊剂蒸汽的生成,因此可大大降低形成空洞的倾向。在通常的助焊剂焊接下,尺寸为2mm×2mm的芯片接合面上产生了24%的空洞。作为比较,采用EA对相同尺寸的芯片进行无助焊剂焊接,则没有发现任何空洞。
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