倒装晶片的组装的回流焊接工艺

在回流焊接炉中，倒装晶片和其他元件要被焊接在基板上。在此过程中，如果加热的温度太高，或者时间太长 ，助焊剂便会在润湿整个焊接面之前挥发或分解完，造成润湿不良或其他焊接缺陷。另外，在复杂的混合装配中 ，大的元件比小的元件温度要低，造成每个焊点温度的不均匀。元件焊球的不共面性在此也应受到关注。锡铅共 晶材料的焊球如果蘸取助焊剂的量恰当，即使其只是刚好接触到焊盘，在回流焊接过程中也会与焊盘焊接良好。 由于焊球大小的差异，假设基板平整没有变形，则只有3个最大的焊球接触到焊盘。实际情况是基板不会完全平 整，可能并不是3个较大的焊球接触焊接面。我们注意到，在焊接过程中，由于焊球的“坍塌”，非常显著地降 低了基板焊盘与元件之间的距离。正是因为这种“坍塌”，使得那些原本没有和焊盘接触的焊球也在此过程中焊 接完好，如图1和图2所示。但是那些太小的焊球尽管有这种补偿作用仍然会存在接触问题，引起电气开路。在回 流炉中，焊点形成完整的坍塌连接是关键。

图1 焊接之前 图2 焊接之后

(1)回流环境的考虑

在空气中回流焊接，形成电气连接并非难事。ˉ但我们仔细检查会发现一些非常显著的焊接缺陷。一些焊盘只 是部分的润湿，很少焊点会形成完整的“坍塌”连接，甚至可以发现有些元件可能轻微的歪斜。对于无铅焊接而 言，问题更严重。

倒装晶片在氮气中回流焊接有许多优点。在较低氧气浓度下回流焊接，条件比较宽松，可以获得很好的焊接良 率。由于减少了氧化，可以获得更好的润湿效果，同时工艺窗口也较宽。在氮气回流环境中熔融的焊料表面张力 较大，元件具有很好的自对中性，可控坍塌连接会更完整，焊接良率也会较高。对于无铅焊接工艺，特别是当基 板焊盘的表面处理方式是OSP时，推荐使用氮气，控制回流炉内氧气浓度在50 ppm左右。但是氮气的使用会导致 成本增加25％～50％。需要在良率和成本之间考虑平衡。如果在此情况下要考虑应用空气回流焊接，则推荐使用 DR（Direct－Ramp）形态的焊接温度曲线。另外，一些小的元器件，如0201／0402在氮气中回流焊接会产生较多 的立碑缺陷，这些都是需要我们综合考虑的。

（2）回流焊接温度曲线设置

对于混合装配，在同一产品上既有助焊剂装配又有锡膏装配，所以焊接温度曲线需要仔细的优化。主要从这几 个方面进行优化设置：升温的速度、助焊剂活化温度和时间、液相以上时间，以及回流最高温度和冷却速度。一 般来说，锡膏或助焊剂会针对以上参数推荐一个范围给使用者，但这个范围比较粗糙，由于我们工厂的产品千差 万别，没有一个所谓通用的“标准”焊接温度曲线，需要对不同的产品进行优化。优化参考的标准是焊接完成后 ，焊接不良率要最低，产品无明显的翘曲变形，外观没有因温度而造成的损伤，焊点形成完整并且足够的焊接强 度，焊点光亮无氧化。对于一些复杂的装配，电路板上既有小的倒装晶片，又有较大的元件，如BGA或连接插座 等，由于热容的差异，如果不仔细地优化炉温设置，有时板上的温度差会高达15～20°C，造成基板严重翘曲变 形，焊点因为应力而开裂。基板的翘曲变形对倒装晶片的装配良率影响明显，综合元件焊球大小的差异，其影响 有时非常显著。

回流温度曲线形态有RSR（RampˉSoak－Ramp ）（如图3所示）和DR（DirectRamp）两种，根据锡膏和助焊剂 的特性而定。RSR在以下情况下被应用得比较多：

·板上元件较多而且差异很大；

·需要减少焊点内空洞；

·要求预热温度小于1.5°C/s时受限于产量和设备能力。

图3 RSR形态的温度曲线

DR温度曲线（如图4所示）有以下特点：

·可以有比较小的升温速度（0.5～1.0°C/s）；

·适合厚度为1.6 mm或更薄的板上装配小的CSP、BGA、芯片和片状元件；

图4 DR形态的温度曲线

在元件封装工艺中或电路板上元件较少而且都是相同元件时，趋向应用DR形态的回流焊接温度曲线，可以获得 较高的产量，焊接品质也可以满足要求。但不同产晶需要优化出对应的温度曲线，如图5所示。怎样进行温度曲 线的优化呢？需要了解在焊接各个阶段，如果焊接温度设置不当，可能会出现的问题，那么，我们就会有针对性 的来进行优化设置了。

图5 不同产品对应不同的温度曲线

一般从室温升高到助焊剂活化温度，升温速度要求小于2.5℃/s，太快的升温会对元件造成热冲击，除此之外， 还会导致助焊剂急剧挥发造成锡珠、锡塌和元仵“爆米花”等现象。比较小的升温更有利于减少电路板上的温度 差。

锡铅焊膏中助焊剂活化温度一般为120～150℃，无铅锡膏中助焊剂活化的温度较高，一般为150～200℃。在此 温度，助焊剂的活性被激发，清洁焊接面，去除焊接表面的氧化物，润湿焊接表面，防止焊接面在炉内的再次氧 化。如果设置的温度过高，助焊剂会急剧挥发，一部分甚至会分解，导致焊接面清洁润湿不良，或焊接面氧化， 焊接完后焊点内出现空洞。过低的温度设置会导致助焊活化时间不足，焊接表面的油污和氧化物不能完全去除， 导致焊接不良。另外，会有较多的助焊剂留在回流焊接阶段而导致焊点内过多的空洞。适当的助焊剂活化时间不仅可以很好的润湿焊接面，还可以降低焊点中的空洞。但是太长的活化时间反而会导致焊点内 空洞的急剧增加，原因是助焊剂在此阶段过度挥发，焊接面及焊料氧化，在回流阶段没有足够的助焊剂覆盖在熔 融的焊料金属表面，导致过多的氧化。所以在此温度下的时间需要细心的优化。

一般对于无铅工艺，助焊剂活化的时间为60～90 s，对于锡铅工艺，助焊剂活化时间为2.5~3 mln。

在回流焊接过程中，液相以上时间要适当，时间太短，焊点可能不完整，容易出现“冷焊”；时间太长，则会 有氧化的问题，焊点发黑无光泽，元件及电路板容易损坏，而且焊点内金属间化合物会过度生长。对于无铅工艺 ，控制液相以上时间在45～90 s，推荐为60 s。锡铅工艺，液相以上时间控制在60～75s，推荐为60 s。

回流的最高温度一般要求高于液相温度15～30℃，原则是在满足焊接要求的情况下，尽量使用较低的焊接温度 以降低由于高温引起的翘曲变形、焊点的氧化及控制金属间化合物在焊点内的过度生长。但太低的回流温度会导 致焊接不充分，或者焊料不能完全熔化，出现“冷焊”。太高的回流温度不仅带来产品的翘曲变形，焊点的氧化 ，还会损坏元件和基板，焊点内金属间化合物也会长得很大。

冷却速度在无铅工艺中已备受关注，原因是其影响焊点的微观结构和可靠性。比较慢的冷却速度，焊点内金属 间化合物尺寸会很大，同时锡的结晶颗粒也会比较粗，这些对焊点的可靠性都不利。而比较快的冷却速度有利于 减少焊点内金属间化合物的形成，锡晶颗粒也会比较细。但是快速的冷却会导致基板和元器件严重的翘曲变形。 所以，在优化此参数时需要平衡考虑。另外，在组装倒装晶片时，在强制热风回流炉设置中往往被忽略的一个参 数就是风扇的转速。太强的气流有时会将细小的元件吹跑，或导致元件便移。一般可以调整其转速在3 500转/min左右。

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