【锡峰会】电子产品面临诸多挑战 电子封装成电子制造业瓶颈

来源:SMM

SMM8月31日讯:2018年8月30-31日,由上海有色网(SMM)主办、千岛锡品独家冠名、云南锡业特邀协办的“2018(第八届)锡产业链高峰论坛”上,工业和信息化部电子第五研究所(中国赛宝实验室)可靠性研究分析中心肖慧博士介绍了锡及锡合金在电子封装中的应用及其可靠性相关问题。

工业和信息化部电子第五研究所(中国赛宝实验室)可靠性研究分析中心 肖慧博士

肖慧表示,广义的电子制造包括电子产品从市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售运输直至售后服务的全过程,而狭义的电子制造是指电子产品从原料(如硅片)开始到产品系统的物理实现过程。

电子产品的物理实现过程:

电子产品大致可分成四个等级,分别是:

电子制造包括半导体制造和电子封装与组装晶片的制造称为半导体制造电子封装与组装指的足从电路设计的完成开始,将裸芯片、陶瓷、金属、有机物等物质制造(封装)成芯片、元件、板卡、电路板,最终组装成电子产品的蔡个过程。

随着半导体工业的飞速发展,电子制造产业已经逐渐演变为设计、制造和封装三个相对独立的产品封装产业则主要由设计和制造产业来驱动。与前两者相比,电子封装范围广,带动的纂础产业更多。电子封装己经成为整个电子制造产业的瓶颈,从某种意义上讲,电子信息产业的竞争主要体现在电子封装上。

然而,电子产品也面临许多挑战。

锡具有熔点低、展性强、塑性强、无毒等良好特性,广泛应用于电子、信息、化工、冶金、航天等领域。 国际锡业协会( ITRI )数据显示, 2017 年全球精锡消费量为 35 . 5 万吨,锡下游消费结构以锡焊料和锡化工为主,其中锡焊料约占比 50 %。

锡及锡合金在电子行业中存在的形式包括:焊料、PCB镀层、元器件引脚及镀层、焊点、镀锡铜线等。

 

 

肖慧表示,在绝缘基材上,按预定的设计,用印制的方法得到的导电图形,它包括印制线路和印制元件或者两者结合的电路。完成了印制电路和印制线路工艺加工的基板通称为印制电路板(PrintedCircuitBoard缩写:PCB)印制电路板所有流程中的各道工序都是围绕线路图形的制作而展开的,而制造线路图形的关键工序是电镀。

应用减成法制作双层PCB(全板电镀工艺):

PCB主要的表面涂(镀)层:热风整平(HASL),俗称喷锡化学镍金(ENIG)、化学镍钯金(ENEPIG)、有机助焊保护膜(OSP)#•化学沉银(IAg)、化学沉锡(ISn)、电镀镍金。

元器件引脚镀层应用中引脚常用材料:

引线框架,提供电路连接和Die的固定作用;主要材料为铜,会在上面进行镀银、NiPdAu等材料;L/F的制程有Etch和Stamp两种;其特点易氧化,存放于氮气柜中,湿度小于40%RH;除了BGA和CSP外,其他Package都会采用LeadFrame,BGA采用的是Substrate。

而电镀,利用金属和化学的方法,在Leadframe的表面镀上一层镀层,以防止外界环境的影响(潮湿和热)。并且使元器件在PCB板上容易焊接及提高导电性。电镀一般有两种类型:Pb-Free:无铅电镀,采用的是>99.95%的高纯度的锡(Tin),为目前普遍采用的技术,符合Rohs的要求;Tin·Lead:铅锡合金。Tin占85%,Lead占15%,由于不符合Rohs,目前基本被淘汰。

晶须,又叫Whisker,是指锡在长时间的潮湿环境和温度变化环境下生长出的一种须状晶休,可能导致产品引脚的短路。

目的:让无铅电镀后的产品在髙温下烘烤一段时间,目的在于消除电镀层潜在的晶须生长(WhiskerGrowth)的问题;

条件:150+/-5C; 2Hrs;

锡须生长模型:

重结晶模型,认为锡须是从重结晶的晶粒上生长出来的。

金属间化合物模型,认为在基体与镀层之间的结合处产生某种金属间化合物(如 Cu6Sn5),由于金属间化合物的形成使得镀层中产生压应力,从而引起了锡须的生长等。

镀层表面氧化物的形成及缺陷。

镀层与金属之间热膨胀系数不匹配。

基体金属原子扩散等

随着人类环保意U!增强以及各国政府无铅法案的推出,电子行业焊料无铅化己成为可逆转的趋势,无铅焊料要替代传统锡铅共晶焊料,成为主流焊料。

无铅焊料的温度范围:适当的熔点温度——工艺与材料可靠性的要求

无铅焊料的演变:

电子行业流行的无铅焊料:目前业界标准合金——无铅SAC305,有铅SnPb63/37

无铅焊料的评估方法:电子组装导入新型无铅焊料需要基本的评估

1) 化学成分,乜拈合佥与杂质元紊的分析

2) 物理性能,密度、硬度、熔点1 液相线和固相线)、润湿性、扩展 率、电导率、导热系数、热膨胀系数、延展性

3) 机械力学性能:抗拉强度、剪切强度、弹性模M、应力应变、蝶 变、热机疲劳性能

4) 工艺性能 Concerns in the process润湿忡(扩展率),锡濟生成速率,溶铜速率,可维护性 丨:艺研允(M流焊、波峰焊、手工焊、返修)

5) 焊点可靠性 Reliability of Solder joints金相组织稳定性、焊点强度、热疲劳寿命(温度冲击与温度循环) 、机械疲劳斿命(振动、跌落)、耐腐蚀性、其它(锡须、锡役)

(注:成熟的无铅焊料则选关键指标进行核实)

锡焊料性能与标准:

焊接过程的可靠性物理:

焊接工艺制程不当,会带来诸多质量缺陷及可靠性风险。

波峰焊常见工艺缺陷及影响因素:

回流焊常见工艺缺陷及影响因素:

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