模塊器件的重點貼片工藝難點分析和應(yīng)用建議

董萌

（泰斗微電子科技有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

半孔類器件，在終端表面貼裝過程中，最易出現(xiàn)的問題就是半孔爬錫不良問題[1-2]，如圖1所示，按照常規(guī)SMT工藝生產(chǎn)時，半孔類器件，常常會出現(xiàn)批次性或個別器件的半孔爬錫不良問題。該問題成為應(yīng)用廠家貼裝的主要痛點，會要求模塊生產(chǎn)廠家進行相應(yīng)問題回溯和追責(zé)。

圖1 半孔爬錫不良現(xiàn)象

圖2 城堡式器件IPC焊點標準

圖3 城堡式器件半孔爬錫高度標準

在一段時間頻繁出現(xiàn)客戶通過對不良品同批次（2次，A,B兩個批次樣品）進行爬錫不良根因分析定位[3]。

（1）對A批次一系列失效樣品和未使用的模塊進行一系列分析發(fā)現(xiàn)：PCBA失效品上有少量半孔上錫不良，具體表現(xiàn)為爬錫高度不足，半孔內(nèi)表面局部出現(xiàn)退潤濕以及金層未溶解的現(xiàn)象。PCBA失效樣品上孔內(nèi)爬錫的邊界區(qū)域大部分被助焊劑殘留覆蓋，覆蓋區(qū)域除了C、O、Br、Si、Sn等元素之外，未見其它明顯的污染元素，沒有被助焊劑殘留物覆蓋的區(qū)域，金層未見明顯的破損異常。從失效孔截面來看，有些孔內(nèi)焊料和PCB焊盤之間以及焊料和孔壁之間均潤濕良好，孔壁鎳層未見明顯的滲透性腐蝕，孔壁很長一段距離都有退潤濕的現(xiàn)象（有IMC形成），但是很明顯焊料量不足以支撐焊料爬滿整個半孔，所以以上特征表明半孔爬錫高度不足與焊料量不足之間有一定的關(guān)系。一次回流失效的樣品上多數(shù)失效孔內(nèi)不上錫的區(qū)域均發(fā)現(xiàn)有明顯的污染物，局部金層有明顯的針孔。污染物中C、O和Ni元素含量明顯高于無污染區(qū)域（重量比約2倍），而且C和O的含量不高，懷疑污染物主要為鎳的氧化物。對這些孔內(nèi)觀察到氧化物的失效樣品直接浸焊（錫量充足），上錫效果沒有明顯改善；用酒精擦洗后浸焊，上錫有改善；但局部仍有金層不溶解的現(xiàn)象；用稀鹽酸清洗后，所有不上錫的半孔全部上錫。另外因采用增加錫膏量，不良率有明顯的下降，但爬錫不良的現(xiàn)象仍然存在的背景信息來看，模塊半孔上錫不良與錫量不足有關(guān)，但模塊半孔內(nèi)存在鎳的氧化物才是導(dǎo)致上錫不良的主要原因。（2）對B批次通過對不良品PCB半孔的EDS分析發(fā)現(xiàn)白色油墨成分，因此判斷油墨入孔是該批次半孔爬錫不良的原因。

1 分析過程

1.1 解決方案設(shè)計和驗證

為了深入分析半孔模塊爬錫問題，找到器件合適的工藝應(yīng)用條件，為終端客戶提供前端應(yīng)用設(shè)計建議，提升半孔器件工藝窗口專門針對主要型號模塊進行了可焊性驗證板和鋼網(wǎng)設(shè)計。并通過對應(yīng)試驗，找到了基本符合器件需求的工藝設(shè)計方案。

根據(jù)表1中的4種鋼網(wǎng)方案[4-6]在試驗?zāi)K驗證，方案4半孔焊接改善最好，補充的錫量基本可以滿足錫量需求并且錫膏中的助焊劑可有效活化半孔，起到去除氧化物改善焊接效果作用。

表1 鋼網(wǎng)設(shè)計方案

擴展方案：當終端客戶可以做到0.18mm的局部鋼網(wǎng)厚度時，長度方向外擴減少到0.5mm（考慮到器件周圍布局空間受限），也可以達到方案4同樣的錫量補償效果。此方案由于當前客戶多采用0.1mm厚的主鋼網(wǎng)厚度，階梯到0.18mm跨度大，一般應(yīng)用較少。

1.2 模塊半孔爬錫改善的其它因素評估

半孔可焊性、模塊底部共面度、終端客戶PCB共面度等是影響半孔爬錫的主要因素。半孔可焊性除前面的優(yōu)化鋼網(wǎng)方案外，改善PCB來料品質(zhì)也是有效手段之一。

（1）模塊平面度是對終端產(chǎn)品貼裝可靠性產(chǎn)生影響的重要因素，其保證主要依靠模塊分板時使用設(shè)備分板（CNC或激光），設(shè)計時對模塊的基板厚度和拼版連接設(shè)計優(yōu)化，降低回流過程基板PCBA回流變形問題，基本可以解決模塊底部平面度的問題，如果模塊的基板過?。ê穸刃∮?.8mm），則建議回流時使用貼裝治具過爐。平面度行業(yè)通?？刂茦藴剩耗K平面度的要求通常為對角線高度差0.1mm以下。超過0.1mm公差的模塊，需要考慮手工焊接或者使用至少0.15mm以上的鋼網(wǎng)，通過錫膏厚度，使得器件底部引腳均可有效接觸到錫膏，降低因底部焊盤平面度差異帶來的局部引腳無法接觸到錫膏，造成虛焊的風(fēng)險。

（2）由于模塊器件也是通過PCB與電子元器件，經(jīng)過回流焊接形成功能器件后，通過分板，包裝后，形成一個整體的模塊類器件的方式，提供給終端客戶再次貼片，因此模塊器件的可焊性要求非常高，在模塊底板的表面處理工藝選擇時需要非常慎重。常見的化學(xué)銀，化學(xué)錫，HASL，OSP等表面處理方式，經(jīng)過一次回流焊接后，長時間存放（終端客戶并非買來物料后立即生產(chǎn)，從一次貼片到終端客戶貼片，中間的時間周期會有幾個月甚至超過1年的周期，前面所述的幾種表面處理方式的模塊，長時間存放會造成基板焊盤可焊性下降問題，其中OSP表面處理的板，回流后OSP膜會被破壞，里面的銅暴露在空氣極易氧化，不建議作為模塊的表面處理工藝。通常當前應(yīng)用最穩(wěn)定的表面處理方式為ENIG（化學(xué)鎳金），建議模塊器件選型時，優(yōu)先選擇這種表面處理的模塊。并且模塊應(yīng)作為三級潮敏器件真空包裝處理。如長時間未生產(chǎn)，在生產(chǎn)前，應(yīng)該進行烘烤除濕后，先驗證其可焊性，再進行貼片，避免模塊PCB和IC類器件出現(xiàn)分層和內(nèi)部焊點斷裂問題，以及出現(xiàn)批次性爬錫不良問題。

1.3 模塊類產(chǎn)品終端PCB設(shè)計和鋼網(wǎng)設(shè)計建議

模塊類器件，應(yīng)該按照IC類器件，充分考慮其可返修性和工藝優(yōu)化空間。其應(yīng)布局在一次回流面，器件周圍3mm以上禁布器件（如空間有限制，也應(yīng)盡量保證2mm的優(yōu)化空間），并且其5mm內(nèi)應(yīng)避免布局0.5mm pitch BGA，0402及以下chip器件。終端客戶該芯片的焊盤尺寸寬度不可設(shè)置過長，引腳上的錫會存在回流后，過多的留在引腳外部焊盤上，器件的側(cè)端半孔爬錫錫量不足，引發(fā)爬錫高度不夠問題。

2 模塊器件終端工藝應(yīng)用難點及建議總結(jié)

綜上所述，半孔類模塊的底部焊接和半孔的爬錫是模塊類器件使用客戶面臨的主要焊接缺陷問題。為了更好的應(yīng)用半孔模塊器件，應(yīng)首要保證器件布局合理，預(yù)留足夠的鋼網(wǎng)外擴空間和階梯鋼網(wǎng)制作空間。模塊器件應(yīng)允許過一次回流焊接，不建議布置在一次回流面。如其經(jīng)過兩次回流焊接，會對其焊點可靠性，模塊內(nèi)部器件性能造成很大影響，如無法避免則可考慮手工焊接模塊[7-8]。

終端客戶在鋼網(wǎng)設(shè)計方面，須充分考慮到半孔需要的錫量和器件的共面度因素，使用符合厚度要求鋼網(wǎng)或局部使用符合器件錫膏厚度要求的階梯鋼網(wǎng)進行錫膏印刷。保證了足夠的錫量則直接保障了爬錫量以及充足的活化劑（錫膏中的助焊劑物質(zhì)），可以有效在回流過程中，去除模塊在自身生產(chǎn)時，回流工藝對其半孔和器件底部焊盤帶來的局部氧化物，改善器件可焊性。經(jīng)過充分助焊劑活化后的焊盤，可焊性的提升，會同時提升模塊半孔和底部焊盤的焊接效果。