电第１７卷，第６期 Ｖｏ１．１７．Ｎｏ ６ 子与封装 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ 总第１７０期 ２０１７年６月 ＠ ＠ ＬＴＣＣ基板用金锡焊接中的焊料控制 申忠科，董一鸣，刘思栋 （南京电子器件研究所，南京２１００１６） 摘要：针对在ＬＴＣＣ基板与壳体大面积金锡焊接可能出现的焊料溢出和堆积问题，提出了几种针对 性的开槽或基板下沉控制焊料流淌的方法并进行了讨论。最终实现了无溢出焊接，ｘ射线照片结果显 示基板和壳体焊合孔隙面积在ｌ０％以内。 关键词：金锡焊料；大面积焊接；焊料控制 中图分类号：ＴＮ３２５＋．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６８１－１０７０（２０１７）０６—０００１—０４ Ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｉｎ ＬＴＣＣ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ａｕ—Ｓｎ Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ＳＨＥＮ Ｚｈｏｎｇｋｅ，ＤＯＮＧ Ｙｉｍｉｎｇ，ＬＩＵ Ｓｉｄｏｎｇ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｏｖｅｒｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｅａｐ ｏｆ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｗｈｅｎ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ Ａｕ—Ｓｎ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ＬＴＣＣ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ．Ｓｏｍｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆｍｅｔｈｏｄｓ ｌｉｋｅ ｒｅｃｅｓｓｉｎｇ ｃｅｒａｍｉｃ ｗａｆｅｒ ａｎｄ ｓｌｏｔｔｉｎｇ ａｒｅ ｕｓｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｓｏｍｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｗｅｌｌ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｈｅａｐｉｎｇ．Ｔｈｅ Ｘ—Ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｓ ａｌｓｏ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｏｉｄ ｒａｔｅ ｏｆｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ａｒｅａ ｉｓ ｂｅｌｏｗ １０％． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕ・Ｓｎ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ；ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｓｏｌｄｅｒｉｎｇ 化的曲线十分陡峭，而Ａｇ７２Ｃｕ２８则相对平缓。一般而 ｌ 引言 Ａｕ—Ｓｎ是微电子封装中广泛使用的一种合金口］，也 言，钎焊温度在液相线温度以上３０￣５０℃为宜，在 Ａｕ－Ｓｎ焊时，成分改变对熔点变化的影响更显著，所以 随着Ａｕ的熔入，熔融合金熔点较易升高到钎焊温度 以上进而凝固，表现为液相存在区间相对狭窄，而且 流散性相对有限（易凝固堆积）。 在涉及到大面积焊接时，以基板在壳体上的焊接 为例，采用Ａｕ—ｓｎ焊时，考虑到其流散性，为了铺满整 是熔点在３００℃左右能替代含铅钎料且焊接性良好的 一种重要焊料圆，尤其是Ａｕ８０Ｓｎ２０共晶焊料。它具有 导热性较好、熔点低、流动性好、抗热疲劳和蠕变性能 优良、强度高以及饱和蒸汽压低等诸多优点，随着电 子器件行业的迅速发展，其作用越来越突出，需求市 场也在不断扩大。 采用Ａｕ—ｓｎ焊时，一般器件或封装壳体表面会首 先镀覆金层以利于焊料润湿。然而由于此焊料本身对 Ａｕ的亲和性好，钎焊加热过程中镀层的Ａｕ会迅速进 入熔融焊料从而使其成分改变，进而熔点迅速提升。 如图１所示，以常见的Ａｇ７２Ｃｕ２８共晶焊料为对比， Ａｕ８０Ｓｎ２０在共晶点附近随着Ａｕ成分的增加，熔点变 个基板底部区域，采用的焊料片往往只比基板尺寸略 小，焊料量较多，无可避免会溢出。若是Ａｇ—Ｃｕ焊时， 焊料能大面积铺展，影响相对较小；而采用Ａｕ－Ｓｎ焊 时焊料易堆积，堆积区域平面平整度变差，从而使得 后续其他器件的贴装难以进行，必须避免。 本文研究了一类采用开槽或基板下沉方式控制 焊料溢出的方法。值得注意的是，在ＧＪＢ２４４０Ａ－２００６ 中一般要求散热板等板材焊料外溢厚度不超过０２５ ｍｍ， 收稿日期：２０１７—３．８ 第１７卷第６期 电子与封装 实际在一些宇航级产品中更是要求焊料堆高小于 ０．０５ ｍｍ。此外，还应充分考虑焊后孔隙率是否满足要 求——对尺寸小的基板，平整度等影响小，孔隙率一 般要求在１５％以内；而对本文中面积较大基板的普遍 标准是孔隙率要在２５％以下。 （ａ）０．０７５ ｍｍ厚焊料溢出状态 （ａ）Ａｇ—Ｃｕ＇￣＇ｔｔ料富Ａｇ侧 （ｂ）０．０５ ｍｍ厚焊料溢出状态 图２焊料量对溢出的影响 在焊料铺展过程中，熔融焊料与铺展固态面间润 湿并产生弯曲液面，由Ｙｏｕｎｇ－Ｌａｐｌａｃｅ方程可知，弯曲 液面引入附加压力，具体值为： Ｐ＝－ｏ－（ １＋ ） （１） 式中ＪＰ为弯曲液面两侧附加压力差， 为液体表 面张力， 和Ｒ。分别为曲液面两个垂直方向的曲率 （ｂ）Ａｕ—Ｓｎ焊料富Ａｕ侧 半径，如图３（ａ）所示。 弯曲的焊料液面成为了焊料铺展的推动力。假设 将无限大的两个平板间隔很小地垂直插入焊料液面， 图１两种共晶焊料二元相图 ２ 焊料调节槽的设计 要对Ａｕ—Ｓｎ焊料进行控制，首先要从其润湿和铺 展行为上进行分析。就润湿而言，Ａｕ—Ｓｎ焊料与壳体结 如图３（ｂ）所示，则液面由于附加压力作用会抬升，直 至与液体重力达到静力平衡，在任一时刻： ＡＰ＝ｐｇｙ－２ｏ＇ｃｏｓＯ／ａ （２） 式中△Ｐ为附加压力与重力之差，Ｐ为液体密度，Ｙ 构镀金层有良好的互熔特性，所以润湿性相对良好。 铺展则由于存在前文所述的Ａｕ溶解以及显著的熔点 提升所以有局限。图２是一类基板分别采用厚度为 ０．０７５ ｍｍ和０．０５ ｍｍ焊料片在壳体底部平面焊后，焊 料溢出的情况（为定位方便基板对应壳体区域上挖了 尺寸比基板略大、深度Ｏ．２ ｍｍ的镶嵌槽，基板规格约 ３５ ｍｍｘ４５ ｍｍ）。可见前者焊料溢出和堆积非常严重， 为任意时刻提升高度，０为接触角，ｏ为平板间隙，ｇ为 重力加速度。 当ＡＰ＝－０时，焊料液面提升最大高度： ＝ ｐｇａ （３） 实际液体在流动中还受到粘滞阻力影响，而且焊 料铺展更是在水平条件下进行，假设只考虑内摩擦阻 后者虽然明显改善，但是多余焊料依旧溢出，并呈圆 斑状堆积（实测高度可能达到０．１ ｍｍ以上）。实际生产 中，基板本身有翘曲，壳体也有平面度，继续减小 焊料厚度会增加虚焊风险，而且也依旧难以保证焊料 不溢出和堆积，所以需要设计合理的焊料调节槽进行 控制。 力，则可参考流体力学中平板层流定常流动的速度大 小随高度变化方程： 等 号 矗等 （Ｃ）所示。 （４） 式（４）为水平放置的平板中液体流动速度方程，式 中 为液体速度，ａ为平板间隙，’７为液体粘度，如图３ 由于水平状态没有重力，焊料流动只受弯曲液面 一２． 第ｌ７卷第６期 申忠科，董一鸣，刘思栋：ＬＴＣＣ基板用金锡焊接中的焊料控制 附加压力的推动，且此压力值恒定，则式（４）中的ｄＰ／ｄｘ・ 即相当于式（２）中消去重力后的值２ｏｒｃｏｓ０／ａ，此值代入 式（４）中，可求出ｙ￣＝ａ／２时有最大速度值： ＝＿从而促进润湿铺展；式（６）决定了铺展面积，对同种焊 料，理论上焊缝间隙越大，因流体粘滞力造成的损耗越 小，铺展速度和单位时间内铺展面积都较大（焊料充足 的情况下）。所以焊缝间隙要在填缝高度和填缝能力 之间综合考虑。 综上所述，本文构造了一类Ｖ型槽，这类槽下端 ａｏ－ｃｏｓＯ ４Ｔ／ （５） 则以式（５）的最大速度作为焊料铺展速度，得到填 缝长度Ｌ与时间的关系： Ｌ＝ａｔｒｃｏｓ０・ｔ／（４￣７） （６） 间隙小，毛细作用强烈，铺展推动力较大，能较好地推 动焊料流动，从而防止堆积，即使溢出量较少也能产生 式（６）可以解释焊料填缝过程：式（３）决定了液体 作用；而上端间隙较大，即使某处大量溢出也能保证导 流速度，相对于等宽槽更能兼顾毛细流动与焊料的容 纳量。 １焊料填缝高度，若水平焊缝宽度大于最大填缝高度，则 液体不能完成爬升，也无法在两个面之间构成曲液面 Ｃ ———— ：＝二 、 Ｅ ｒ● ０ （ａ）弯曲曲面曲率与做功示意图 （ｂ）平板焊料爬升示意图 图３毛细作用示意图问 （ｃ）平板层流速度分布 表１开槽形式说明表 ３ 试验与结果分析 本文采用的材料包括：ＡＩＳｉ５０板，开槽后进行镀 覆，具体为镀Ｎｉ约２ ｐ，ｍ，再镀Ａｕ约２ ｍ，平面度实 测在０．０３ ｍｍ以内，表面粗糙度３．２ ｍ以内，基板在 其上焊接；ＬＴＣＣ基板，待焊面的共烧金层厚度约８ Ｉｘｍ， 平面度实测在０．０６ ｍｍ以内，表面粗糙度３Ｉ２ ｍ以 内；金锡焊料，成分为ＡｕＳＯＳｎ２０，片状。 表ｌ中内槽型指开槽形状如同“王”字、处于相对 基板中间区域的槽；外围型指沿着基板轮廓、Ｖ开口上 端设计尺寸一半暴露在外另一半在基板底部的整圈 闭合的开槽。 ３．１开槽形式 Ａ１Ｓｉ５０板需开的Ｖ型槽开角为３０。，采取了四种 不同的Ｖ型槽分布形式，如图４所示，表１则为具体 开孔形式说明。 ３．２焊接工艺 试验采用焊料厚度为０．０５ ｍｍ，设计尺寸比基板 轮廓整个边沿内缩０．１ ｍｍ，按如下工艺进行焊接： （１）焊接前，将平板、Ａｕ—Ｓｎ焊料以及基板在石墨 板上依次叠放，在显微镜下拨正相对位置，注意焊料不 要超出Ｖ型槽或下沉最外边沿； （２）在基板上中心位置置一重约５０ ｇ的重块，压 （ａ）类型１ （ｂ）类型２ 住以防止周转过程中基板和焊料移动； （３）端取石墨板，将整个待焊结构放入钎焊炉中， 设置温度曲线为２５０℃以下升温速率ｌＯ℃／ｍｉｎ，至 ２５０℃保温１ ｍｉｎ后，５＂Ｃ／ｍｉｎ升至３３５℃保温３ ｍｉｎ （ｃ）类型３ （ｄ）类型４ 后，炉冷至室温取样。 ３．３形貌观察 ．图４不同控制槽分布形式 ３一 采川上述 艺焊接，分刚刈‘ 种状态形貌进行考 察，肜猊攻¨图５所 。 ｛ （ａ）＿炎 １ （ｂ）类 ２ 口 （ｃ）焚 ３ （ｄ） ４ （ｃ）炎 ２局部放人（３０ｘ） ５不 外悄方式刈 的焊料控圳效 由【剐５可以看Ⅲ，类 ４卡Ｉｌｌ刈 ｆ：图２（ｂ），焊料溢 出和堆积郜存减少； 次是类 ｌ，焚型２羊ｌ】类 ３则 基今厄焊料外溢，原 如下： （１）类型４相对１ 朱开槽状态，Ｖ型惜起列 效作 用，承 Ｊ 部分焊料的分流，但惜深有限，所以 纳焊 料 仃限，依旧有溢…； （２）类型ｌ采『｛ｊ的“王”字 结构，儿惜深度为 ０．５ ｍｍ，Ｖ槽可容纳焊料量进一步增加，所以溢出也 进・步减少； （３）炎 ３为平板尼卜沉、 Ｊ ＪＦ一圈深度（）．５ ｍｍ 楷的结构，Ｖ惜总长卡ｌ｛对于“上”宇 结构更火，所以容 纳能力比类型ｌ虹强，也表现出巫好的肜貌。此处边 沿略微仃溢出，但没仃明显堆 ， 当为前 料破 迅速挤出过焊料槽， 多余焊料最终仍被Ｖ借 流吸 网留 的痕迹； （４）埘比类型３羊Ｉ】类 ４，类 ４ 兀０．２ ｍｍ的 侧啭 丛板问也构成ｒ一道楷，加｝ Ｖ槽自身０３ ｍｍ， 实际焊料容纳量不比类型３小，仉溢出却严雨 多，ｉ兑 叫Ｖ槽 一类很何效 的焊料控制； （５）类 ２外观最为美观，同时开：槽长度也由专人。 对 进行３０倍的局部放火观察 Ｊ－以看 ，外轮廓Ｖ 槽明 仃焊料流动痕迹，槽巾焊料前端和上表 鄙 现曲液 。某些段Ｖ惜几乎破填满电没有溢…，应当 是大 挤出焊料彼导流的结果， 晚叫＿ｒ Ｖ措的效果。 一ａ一 ３．４ ｘ射线分析 对缺板 接质 的 ・项重要【人】容 焊后扎隙 ，焊十三｝扎隙ｌ面积过火，刈‘膳板焊合 度和敞热指 标鄙十分小利。为此埘Ｉ 述小同类 惜板焊后进行 ｊ－ｘ射线分析，结 如图６所示。 （ａ） ｉ （ｂ） ￣ｉ，Ｊ２ （ｃ）焚 ３ （ｄ）类’ ４ ６小 外槽方式 后Ｘ射线 川 从Ｉ 述结 町以看出， 型２和类 ３相对仔 ｆ１９４Ｌ隙较多，分圳达到４．０７％｛ｌｌ ７．９ｌ％，【 为此时两背 Ｊｔ：惜能容纳焊料量多， 焊料不能填满惜的情况下， 部分气体／ｆ 能排除形成钎焊【Ｉｌ典 的“小乜田” 结构 从 造成ｒ扎隙。但这类彳Ｌ隙面积都 ｌ（）％以 能 满 常需求。此外，类 ２边缘无焊料溢出，类 ３ 溢Ⅲ堆离吱洲 ０．０１ ｍｌＴｌ以Ｉ～，也符合 ｉ－：ｔａ／Ｃ级标准要 求。从类 ４结果可以ＨＪ】 ＿仃出Ｖ憎 乡奎整个填满， 焊料／ｆ 能 溢出，所以，、１２１ ｚ．，ｇ。是自 流动作 ， Ｉ１Ｊｊ ｒ Ｖ惜良好的导流效 ； 型２【｛】 细碎扎涮， Ｉｄｔ｛ ｊ．Ｖ惜也仃人量未填充满的空白，院ＨＪ】Ｕ『】使Ｖ惜 设汁容纳最ｌ纠 Ｉ 偏大的情况 也不会 敛焊料 不 。这是 乃 端毛ｆＨｌｉｆ￣川较强的部俺 ｉ 先被填充 Ｊ ．剩下Ｖ借较斑的卜端枉Ｉ埘于基扳和呔部构成的水 牛借 仔 较人的毛细优 ，所以最终肜成了某６１：＂Ｆ 衡状态，１ 会源源 断吸０『焊料造成 隙增火。 ４ 结论 采蚪】 突瓞板焊接 ： 』 整 Ｖ 槽或者枢 壹Ｊ肢内部郡ＪＩ：Ｖ型僧 卡叶 ； ，可以何效避免基板火 ｆＩ 积焊叶１的焊料溢出和堆积，焊Ｇ－４Ｌ隙牢在１０％以 人】，能较好避免焊后Ｌ夭】焊料堆积造成的装 失效，也 人人提高了焊 处理的效率。 （下转第】５页） 毖 ，未 ：人规模集成电路测试押序 发技术ｊ＿】乏流稃』 ｂ 瞎嗣ａ 鲰× 藉一 声ｐ舻 ｗ ｅ１ ６ 总结 集成ｌ乜路研市ｌＪ、， 产、 『Ｈ锋 个阶段都要进 行反复多次的检洲，确保产 １１，质 ｊｆ：研制Ｊ｛：发出符合 系统要求的电路，尤 埘１－心Ｊｆ Ｊ 』： ‘｝：的集成 １曼 强 ． 章 －＇７ Ｗ Ｅ Ｚ ｋ 野 Ｉ＿ １№ 电路，控制历 、 障装备的ｕＪ．靠”ｉ，集成电路的检测 关重要。编制‘ 完格、『１Ｊ‘ 、稳定、满娃电路要求 ｌｆｇＮｉ￣程序是一名测试工程帅必须具备的魑本素质。 测试技术作为集成｝乜路发展的 点支撑技术，开 展人规卡；ｌ集成电路ｆＩｌ！ｌＪ试技术研究，解决人 摸集成电 路测试方法，提外军Ｊｔ】人 模集成Ｉ 路 线Ｉ １动化测 割１３ 犬 ＩＮ［ 、ＤＮ［ 洲ｌＪｌ ｝ｌ｛｛线 试能力，推动我旧集成电路 、 发腱，是缸一位集成 电路测吠１一作者应 的 。 口鲁ｉ ｘｌ重ｘ 声ｐ 一 ｋ ｆ ｑ｛ ｔ－ “ ｉ∞ ｄ １ 参考文献： ［Ｉ］ ．数 ：ｌ乜ｒ．技术坫础【Ｍ］北康： ： 等教育出版社， １９９７ 【２］刘 数 ｝：电路‘ 系统［Ｍ］，ＩＬ康：消ｆｌ匕人 出版社， ｌ９９３ 【３】蒋安 ． 址华趟人 卡；ｌ策成电路测试［Ｍ］．北京：电子 Ｉ＿ｆ： 出版 ，２００５． 垦 ！！！ … 曼璺 ．篓．薰釜苎 曼 ｒ￡ 暴 ．、 作者简介： 章慧彬（１９６５一）， 迎龙 ・人， １９８６年 ，ｌｋ Ｊ ｆＵ＿ｒ．科技久 ，本科，ｉＪｆ 究 ， …Ｉｔｌ电ｒ．ＦＩ－４￣嫩 公司第 ｎ十八６ｊｆ究所从 求成电路测试工 。 Ｕ 接幕４页） 参考文献： 哈尔滨：哈尔滨１１ Ｉ 大学 版仆，２００６：２６—３０． ［１］十 锡蚪料低 焊料 川ｌｉｌ ＨＩ． 戍ｌ 峪通讯， ［５】孙凤连， ｝ ，殷件ｔ ，等．ｑｌｆ频天线 钏振 感应钎焊 ２００５，２３（３）：８一Ｉ １ 气儿缺陷Ⅲ．哈尔滨１１，Ｉｋ人学学报，２０１ ５，２０（２）：９７—１００ ［２］划洋光，陈 仪， 徽电』 Ｈ装… 锡 ＂料［川ｌ贵金 ，２００５，２６｛１）：６２—６５ 作者简介： 【３］Ｄ ＡＷ Ｊｒ，Ｗ．Ｉ Ｋ１‘ａｆｉｃｋ．Ｔｈｅ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ａｇ一２８Ｃｕ 申忠科（Ｉ９９１一），｝Ｊｊ，坝土，主要 （Ｌ）Ｏｉｌ ｎｉｃｋｅｌ（Ｓ）：Ｐａｒｔ Ｉ１．Ａｒｅａ ｏｆ ｓｐｒｅａｄ ０１３ ｓｕｒｌｈｃｅｓ ｐｌａｔｅｄ 从 金 一破璃外先Ｈ装Ｉ 艺的研究 ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ＮｉｆＪ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｍ ｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌ９９６， Ｉ 怍。 １ ｌｆ８）：１８９７—１９１６ ［４］ ＿Ｉ鑫，何 ，钱乙 ．电ｒ．Ｈ装ｌｆＪ的 软ｔｆ，ｔ‘ 技术［Ｍ】． 一ｌ５
