董萌

（泰斗微電子科技有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

半孔類(lèi)器件，在終端表面貼裝過(guò)程中，最易出現(xiàn)的問(wèn)題就是半孔爬錫不良問(wèn)題[1-2]，如圖1所示，按照常規(guī)SMT工藝生產(chǎn)時(shí)，半孔類(lèi)器件，常常會(huì)出現(xiàn)批次性或個(gè)別器件的半孔爬錫不良問(wèn)題。該問(wèn)題成為應(yīng)用廠(chǎng)家貼裝的主要痛點(diǎn)，會(huì)要求模塊生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行相應(yīng)問(wèn)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(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 城堡式器件半孔爬錫高度標(biāo)準(zhǔn)

在一段時(shí)間頻繁出現(xiàn)客戶(hù)通過(guò)對(duì)不良品同批次（2次，A,B兩個(gè)批次樣品）進(jìn)行爬錫不良根因分析定位[3]。

（1）對(duì)A批次一系列失效樣品和未使用的模塊進(jìn)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(rùn)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(jiàn)其它明顯的污染元素，沒(méi)有被助焊劑殘留物覆蓋的區(qū)域，金層未見(jiàn)明顯的破損異常。從失效孔截面來(lái)看，有些孔內(nèi)焊料和PCB焊盤(pán)之間以及焊料和孔壁之間均潤(rùn)濕良好，孔壁鎳層未見(jiàn)明顯的滲透性腐蝕，孔壁很長(zhǎng)一段距離都有退潤(rùn)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(mǎn)整個(gè)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(wú)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(duì)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(méi)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(lái)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(duì)B批次通過(guò)對(duì)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(guò)程

1.1 解決方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

為了深入分析半孔模塊爬錫問(wèn)題，找到器件合適的工藝應(yīng)用條件，為終端客戶(hù)提供前端應(yīng)用設(shè)計(jì)建議，提升半孔器件工藝窗口專(zhuān)門(mén)針對(duì)主要型號(hào)模塊進(jìn)行了可焊性驗(yàn)證板和鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)。并通過(guò)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)，找到了基本符合器件需求的工藝設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)表1中的4種鋼網(wǎng)方案[4-6]在試驗(yàn)?zāi)K驗(yàn)證，方案4半孔焊接改善最好，補(bǔ)充的錫量基本可以滿(mǎn)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(jì)方案

擴(kuò)展方案：當(dāng)終端客戶(hù)可以做到0.18mm的局部鋼網(wǎng)厚度時(shí)，長(zhǎng)度方向外擴(kuò)減少到0.5mm（考慮到器件周?chē)季挚臻g受限），也可以達(dá)到方案4同樣的錫量補(bǔ)償效果。此方案由于當(dāng)前客戶(hù)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(píng)估

半孔可焊性、模塊底部共面度、終端客戶(hù)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(lái)料品質(zhì)也是有效手段之一。

（1）模塊平面度是對(duì)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(shí)使用設(shè)備分板（CNC或激光），設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)模塊的基板厚度和拼版連接設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低回流過(guò)程基板PCBA回流變形問(wèn)題，基本可以解決模塊底部平面度的問(wèn)題，如果模塊的基板過(guò)薄（厚度小于0.8mm），則建議回流時(shí)使用貼裝治具過(guò)爐。平面度行業(yè)通?？刂茦?biāo)準(zhǔn)：模塊平面度的要求通常為對(duì)角線(xiàn)高度差0.1mm以下。超過(guò)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(guò)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(pán)平面度差異帶來(lái)的局部引腳無(wú)法接觸到錫膏，造成虛焊的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）由于模塊器件也是通過(guò)PCB與電子元器件，經(jīng)過(guò)回流焊接形成功能器件后，通過(guò)分板，包裝后，形成一個(gè)整體的模塊類(lèi)器件的方式，提供給終端客戶(hù)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(shí)需要非常慎重。常見(jiàn)的化學(xué)銀，化學(xué)錫，HASL，OSP等表面處理方式，經(jīng)過(guò)一次回流焊接后，長(zhǎng)時(shí)間存放（終端客戶(hù)并非買(mǎi)來(lái)物料后立即生產(chǎn)，從一次貼片到終端客戶(hù)貼片，中間的時(shí)間周期會(huì)有幾個(gè)月甚至超過(guò)1年的周期，前面所述的幾種表面處理方式的模塊，長(zhǎng)時(shí)間存放會(huì)造成基板焊盤(pán)可焊性下降問(wèn)題，其中OSP表面處理的板，回流后OSP膜會(huì)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(dāng)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(shí)，優(yōu)先選擇這種表面處理的模塊。并且模塊應(yīng)作為三級(jí)潮敏器件真空包裝處理。如長(zhǎng)時(shí)間未生產(chǎn)，在生產(chǎn)前，應(yīng)該進(jìn)行烘烤除濕后，先驗(yàn)證其可焊性，再進(jìn)行貼片，避免模塊PCB和IC類(lèi)器件出現(xiàn)分層和內(nèi)部焊點(diǎn)斷裂問(wèn)題，以及出現(xiàn)批次性爬錫不良問(wèn)題。

1.3 模塊類(lèi)產(chǎn)品終端PCB設(shè)計(jì)和鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)建議

模塊類(lèi)器件，應(yīng)該按照IC類(lèi)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?chē)?mm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(hù)該芯片的焊盤(pán)尺寸寬度不可設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，引腳上的錫會(huì)存在回流后，過(guò)多的留在引腳外部焊盤(pán)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(wèn)題。

2 模塊器件終端工藝應(yīng)用難點(diǎn)及建議總結(jié)

綜上所述，半孔類(lèi)模塊的底部焊接和半孔的爬錫是模塊類(lèi)器件使用客戶(hù)面臨的主要焊接缺陷問(wèn)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(kuò)空間和階梯鋼網(wǎng)制作空間。模塊器件應(yīng)允許過(guò)一次回流焊接，不建議布置在一次回流面。如其經(jīng)過(guò)兩次回流焊接，會(huì)對(duì)其焊點(diǎn)可靠性，模塊內(nèi)部器件性能造成很大影響，如無(wú)法避免則可考慮手工焊接模塊[7-8]。

終端客戶(hù)在鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(guò)程中，去除模塊在自身生產(chǎn)時(shí)，回流工藝對(duì)其半孔和器件底部焊盤(pán)帶來(lái)的局部氧化物，改善器件可焊性。經(jīng)過(guò)充分助焊劑活化后的焊盤(pán)，可焊性的提升，會(huì)同時(shí)提升模塊半孔和底部焊盤(pán)的焊接效果。