 |
 |
 导航:老古开发网首页→文章索引→文章分类→综合电子→[电子制造与封装中使用无铅焊料刻不容缓]
|
| | -文章搜索 - 最新文章 - | |
电子制造与封装中使用无铅焊料刻不容缓 |
| 发布时间:2003年9月30日 点击次数:749 |
| 来源:半导体国际 作者: |
——顺应国际潮流,避免知识产权上受制于人 我国电子封装与组装产业由于起步较晚,无铅化进程非常缓慢,几乎没有受到应有的重视。随着电子组装产业的迅速崛起,我国已经成为世界上的电子产品生产与消费大国,但是国内仍未出台相关的法规限制电子产品中的铅用量。随着我国电子产品出口逐年增加,在国际市场上的份额不断扩大,今后必定要受到进口国相关无铅法规的约束。因此我们必须加快电子制造与封装的无铅化进程,否则将严重影响到我国电子工业的后续发展。这是关系到国家经济发展、环境保护、人民健康的大事,必须从国家利益的高度加以重视。目前还没有一家中国的供应商可以大批量提供无铅元器件,而在无铅化方面开始起步的国内制造商仅是少数几个为日本和欧洲厂商加工产品的PCB制造商,现实说明中国电子制造业在整体上还没有准备好进行无铅化生产。 调查显示,没有人会主动采用无铅工艺;制造商采用无铅化的动机有35％是迫于立法的压力;31％是受市场的驱动;18％是为了环境保护。多数中国的大型电子制造商都在打听并进而评估无铅生产的方方面面,他们对相关的技术颇有兴趣但对具体实施还抱观望的态度,好像大家都在进行准备以便应对未来的变局,而很多中小型电子制造商因为成本的原因根本就不打算实施无铅生产。但另一方面,中国生产的电子产品都在瞄准欧洲和北美市场,因此一旦无铅电子产品在国际上变成一个常规要求,中国制造商也只能被动跟进。 目前世界各国无铅方面的研究越来越广泛和深入,每年无铅方面的专利数量都在增加,近两年来更是急剧增长,如图1。其中美国、日本和欧洲的专利各占四分之一强,而我国的专利数量只占不到2％,如果现在不奋起直追,作为电子产品制造大国今后将面临无铅知识产权上处处受制于人的严峻形势。  电子制造的无铅化涉及两个主要的方面：一是采用新型的无铅合金来替代传统的铅锡合金,而基本不改变现有的生产过程;另一个方面则是采用导电胶这种全新的互连技术取代合金互连技术。本文仅就我国电子制造与封装中的无铅合金化问题进行讨论,希望文中涉及的产品能供中国的电子制造工程师作为参考,并引起业界的重视。 ● 板卡级无铅合金互连 无铅的定义尚未有国际统一标准。一般认定的“无铅”,是指电子产品中的铅含量不超过0.1wt％。总体来讲,无铅封装是一个系统工程,它不仅仅指无铅焊料,还有相应的元件引脚及其覆层、电路板涂层等都要求无铅。同时由于现有大量昂贵的电子产品生产设备与制造工艺大都是与传统锡铅焊料相适应的,所以向无铅的转变必然会带来大量明显和潜在的各种问题。 采用无铅合金替换含铅合金进行二级封装互连（板卡级封装）,涉及到四个方面：无铅合金体系、焊膏、元件引脚涂层、印制电路板（PCB）涂层。同时由于无铅合金的熔点一般高于共晶铅锡合金,因此互连过程的温度升高会使元器件、板卡等的耐热性受到影响,出现完全不同于铅锡焊料工艺的一系列可靠性问题。 ● 无铅合金焊料 无铅合金焊料的开发基本上围绕着Sn/Ag/Cu/In/Bi/Zn二元或多元系合金展开。设计思路是：以Sn为基本主体金属,添加其它金属,使用多元合金,利用相图理论和实验优化分析等手段,开发新型合金与焊接工艺。美国国家制造科学研究中心（NCMS）经过三年多的信息收集和研究,推荐了79种低、中、高温不同用途的无铅焊料,认为42Sn58Bi（139℃）、91.7Sn3.5Ag4.8Bi（210－215℃）和96.5Sn3.5Ag（221℃）综合性能较好,适合于不同要求的SMT应用。不同合金体系的屈服强度、抗拉强度、断裂塑性应变、塑性性能、弹性模量等机械性能指标接近甚至远远超过63Sn37Pb。 总体来说,无铅焊料出现了很多合金系可供选择,虽然目前主流趋势是以SnAgCu为基准,但是具体成份选择、焊接工艺、焊接性能和可靠性等还不确定。 需要指出的是一些重要的和常用的无铅合金材料已经获得了专利保护,这对我国这个世界电子制造大国来说无疑是个潜在的大问题,但是并没有引起我们足够的重视。表2 给出了已获得专利保护的SnAgCu无铅合金系。 ● 元器件引脚镀层 元件引脚的无铅镀层有多种选择,包括： Sn、NiPd、NiPdAu、SnBi、SnCu、SnNi、 NiAu和SnAg等。Pd涂层与SnPb涂层的性能相当甚至更好,这是因为Pd比Au在高锡合金中的溶解速度大的缘故,但是其电镀却存在一定困难。AgPd镀层可能因为Ag向合金中扩散而在焊点中形成空位,所以正在被SnNi取代。Sn有晶须生长的倾向;SnBi是低熔点镀层,存在脆性相和可靠性问题;SnAg的电镀比较困难;NiAu的工艺过程难以控制,其中还有银溶蚀和金属间化合物的问题。 NiPd虽然有很长的应用历史,但是和无铅焊料以及过渡镀层的兼容性较差,润湿性较差,也有氧化问题和金属间化合物的问题。目前的倾向是NiPdAu镀层,德州仪器公司（Texas Instruments）对此种镀层的元器件和焊料的兼容性、焊点脆性相、润湿、强度、机械热疲劳等研究表明NiPdAu必将成为元器件镀层的主流,但是还存在材料、工艺以及可靠性方面很多参数的不确定因素。 ● PCB涂层 板卡的表面涂层也是无铅化焊接的一个关键部分,因为保护PCB上的铜导体免受腐蚀和氧化对于焊接性能和可靠性是极其重要的。传统的主要方法是采用热风平整的方法（HASL）将SnPb材料施加到PCB焊盘上;化学镀保护金属涂层或者施用有机焊料保护剂。由于无铅化的需要,PCB镀层必须相应地改变。目前采用以下几种主流替代品： 有机焊料保护剂（OSP）：这是一种可选用的候选材料,成本和SnPb相当,易于操作,可焊性也不错;但是其存储寿命短,而且对于温度比较敏感,其润湿性和焊接强度也存在问题,有待进一步研究,以确立合适的焊接工艺。 无铅HASL：其主要问题是涂层平整度的问题,较高的温度工艺会导致翘曲,而且涂层会吸附焊接过程中的化合物,是可靠性的隐患。 浸渍涂层：可将浸渍涂层用来替代HASL,其表面平整度高,易于操作。但是较高的温度会导致基体金属的向外扩散和氧化,使得可焊性下降。浸Sn和浸Ag的应用比较看好。浸Sn方面,对Sn晶须的生长以及对可靠性影响的研究成为热点;浸Ag则存在化学迁移的可靠性问题,亟待解决。 化学镀NiAu：与其它涂层相比较,它在加工处理过程中具有抗破坏性,存储寿命明显提高,但是很难控制其工艺过程。学者和工业界对这种镀层和传统SnPb焊料的作用过程做了深入的研究,建立了金属间化合物相关体系、失效模型、疲劳特点等系列基本理论,并得到了初步实践结果。 总之,以上四大类涂层是转向无铅化的主体选择,对于涂层和不同无铅焊料之间的兼容性、焊接性和工艺、金属间化合物的种类和形貌以及对可靠性的影响、无铅失效模型等方面的理论和实验结果都还比较缺乏。  ● IC封装的无铅化 面阵列封装结构已经标志着电子封装领域的第二次革命。目前,大规模集成电路的封装已经普遍采用面阵列互连结构的倒装芯片技术（Flip-Chip）。这种封装最大的特点是采用面阵列排列的铅锡合金焊球取代四周的金属（铜合金）引脚;采用面阵列的铅锡合金凸点取代引线键合。无论是铅锡合金球还是铅锡合金凸点,均为含铅合金。将目前的铅锡合金的球或凸点改用无铅合金球或凸点已经成为微电子封装无铅化的重中之重。 ● IC的无铅合金封装 我们知道,IC晶圆内部的I/O引出材料是铝（膜）。而铝不能直接和凸点进行互连,必须形成一过渡的金属化层,这就是UBM层。其结构如图2所示。经过多年的研究与工业应用,已经形成了针对含铅凸点的UBM体系。这种UBM体系的两种基本结构为：Cr-Cu/Cu/Au和Al/Ni(V)/Cu。 要实现IC封装的无铅化,对于上述UBM体系而言,不能简单地用无铅材料去直接取代含铅的球或凸点。主要原因有二： 一是无铅焊料的熔点比目前普遍采用的Sn-Pb 焊料(183℃)熔点高,而UBM和其底部硅片的裂纹倾向将随UBM薄膜应力或厚度的增加而增加。所以UBM层要尽可能的薄,这就导致在较高的焊合温度下,无铅焊料与较薄的UBM层反应加剧,使UBM的溶解速率增加,同时也使界面上金属间化合物（IMC）的形成速率增加。因为无铅的焊球(或凸点)与UBM之间的互连界面和铅锡合金与UBM的互连界面有很大的差别。这些差别导致UBM层和互连凸点间的界面反应、凸点内形成的IMC生长及形态变化、UBM中的Cu和Ni的溶解特性、UBM的剥离等特性发生变化;进而在IC芯片有铅与无铅互连工艺性能、互连焊点的力学性能和电学性能上也有较大的差别。 二是无铅凸点与含铅特别是高铅凸点相比,无铅凸点的Sn含量很高。在互连过程中,Sn基的无铅凸点将会溶解UBM中的Cu和Ni并分别形成多种不同的Cu-Sn和Ni-Sn 金属间化合物。一旦润湿层消耗完毕,IMC将从粘附层剥离,形成脆性界面。 因此对于无铅凸点的UBM设计应考虑如何减小Cu或Ni的消耗速率。基于上述原因,需要详细研究在UBM上形成了无铅凸点后,在随后的过多次热过程（回流过程）中,凸点与UBM界面上的变化规律。这一问题既是当今国际IC制造业极为关注的问题,更是微电子学与材料科学研究者关注的科学问题。 ● 电迁移现象 面阵列互连的出现,解决了大规模集成电路封装的瓶颈,使得封装面积（尺寸）与晶片面积之比实现了1:1。采用面阵列封装结构的Flip-Chip技术后,凸点直径与间距变得越来越小,完全有能力做到小于50微米。这必然导致互连引线与凸点中的电流密度增大,有可能达到甚至超过发生电迁移的临界电流密度（104A/cm2）。电流密度的增大使芯片产热量增大,高电流密度和较高的温度共同作用将使互连引线及凸点中发生电迁移失效。 电迁移（EM）是导电材料在通过较高的电流密度时产生的金属原子会发生沿着电子移动方向迁移的扩散现象,容易在异种金属互连的界面出现,是引起集成电路失效的一种重要机制。电迁移使高密度面阵列封装形式的IC互连在工作中产生短路或断路,从而引起IC失效。图3是倒装芯片封装结构采用SnAgCu凸点互连电迁移失效的照片。 IC封装中的无铅界面问题以及电迁移问题是封装领域中尚未解决的问题,它将对国际电子封装业特别是我国微电子制造业的无铅化进程产生严重影响。  综上所述,电子封装的无铅化已经在世界范围内成为趋势。各国纷纷出台相关法律法规限制或废止铅在电子产品中的使用,主要发达国家已经开始逐渐使用无铅焊料作为消费类电子产品封装材料,而且相当重视这方面的研究。反观我国电子工业,无铅化进程大大落后于世界潮流,作为重要技术储备的无铅相关专利数量极少,也没有真正推出无铅电子产品。如果任由这种情况发展下去,我国今后将陷入无铅知识产权上处处受制于人的尴尬境地,以出口为主导的电子产品制造业将面临世界全面禁铅的巨大打击。 所以我们应当借助目前国内环保意识逐渐提高这一背景,设法推动国内尽快开展无铅方面的立法工作,提高电子工业界对于电子产品无铅化的重视程度。同时,国内各相关研究机构也应当大力开展与工业界的合作,解决无铅化进程中遇到的各种问题。 印刷业已完全告别了“铅与火”的时代,电子业也应该及早摒弃有铅焊料,而进入“无铅”的世界。 联系作者：ypwu@public.wh.hb.cn  
关注世界无铅化进程 铅对人体的危害已成为共识,各国及相关机构出台了很多有关无铅的提议和法规,要求限制和禁止电子制造领域使用损害环境和人类健康的含铅材料。自美国的反铅议案HR—5374（美国国会）、S—2637和S—391（美国参议院）提出以来,国内外的各种组织、科研机构和公司纷纷推出系列禁用提案、试验评估和环保产品。美国NEMI（National Electronics Manufacturing Initiative）于1999年开始“NEMI无铅工程”,在电子封装的无铅化上面进行了大量工作,并积极推动美国国会和政府通过并实施相关法案,全面禁止铅在电子工业中的使用。相比之下,欧洲在电子产品无铅化上态度更加积极,欧盟WEEE (The Waste Electrical and Electronic Equipment,电子电气设备废弃物)和RoHS（Restriction of Hazardous Materials,有害物质限制法案）规定,自2006年7月1日起,在欧盟市上销售的全球任何地方生产的属于规定类别内的电子产品中不得含铅。在日本,“家用电子回收法案”强调了对铅的限制和循环。JIEP（Japan Institute of Electronics Packaging）已经要求2003年新产品全部采用无铅焊锡,2007年彻底废除电子产品中铅的使用 |
|
|
|
 欢迎进入老古论坛进行讨论
[综合电子] 相关文章:  FIB系统简介:
VectraVision聚焦离子束（FIB）系统可用于90nm工艺的电路编辑。该设备使制造商能快速修改电路功能并验证新的电路设计。它也可以对倒扣装芯片封装元件的背面进行编辑修改，能够轻松找到感兴趣的特征部位，这些部位有可能深埋在正面金属以下九层的地方。超高速度硅蚀刻系统从背面局部、快速地找到特征电路的时候，具有红外功能的光学显微镜也可以穿透几百微米厚的硅层进行观察。光束感应电流终点探测功能使FIB接近特征电路区域时，能得到安全的终点判断。 FEI Co. www.feic.com ...... 缺陷检测技术
自动化设计软件
晶圆厂前端制程自动化工具
晶圆检测系统
LG.Philips LCD 7个月内生产1000万台大型TFT-LCD
踏着用户的脚印跟进服务
首钢日电扩产在即
中芯国际采用VIRAGE LOGIC的IP服务中国市场
上海先进半导体8英寸生产线首期开工试生产 |
|
|
|
下一个:
上一个: