電子元件的引腳無鉛電鍍鍍層分析及減少錫毛刺的方法
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在JEITA和歐盟的《限制有毒物質(zhì)指令》(RoHS)與《報(bào)廢電子電氣設(shè)備指令》(WEEE)公布的最后期限之前實(shí)施一種高成本效益、可靠的無鉛(Pb)電鍍策略，已經(jīng)成為電子器件制造業(yè)在過去幾年中的夙愿。
對(duì)于大批量半導(dǎo)體器件供貨商(如安森美半導(dǎo)體)而言，主要的挑戰(zhàn)在于選擇一種成本效益高，并且不會(huì)產(chǎn)生可靠性問題的策略和工藝，實(shí)施與無鉛焊料的前向兼容以及與含鉛焊料的后向兼容。對(duì)現(xiàn)有的無鉛替代方案進(jìn)行審查并權(quán)衡這些選擇之后，達(dá)致可行的策略。
五種外部鍍層分析
對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行研究，并通過與知名組織(如iNEMI和JEDEC)交流互動(dòng)對(duì)電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)行評(píng)估，任何器件制造商均可從眾多無鉛鍍層解決方案中精選出若干方案。安森美半導(dǎo)體首先考慮了五種外部鍍層，每一種解決方案都有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。這五種外部鍍層包括：錫-銀(Sn-Ag)鍍層、錫-鉍(Sn-Bi)鍍層、錫-銅(Sn-Cu)鍍層、預(yù)鍍鎳-鈀-金(Ni-Pd-Au)引腳框架和純霧錫(Pure matte tin)鍍層。
Sn-Ag鍍層的錫含量約為3.5%，具有良好的可焊性和機(jī)械屬性。但是Sn-Ag鍍層容易產(chǎn)生錫毛刺，這是所有高錫含量替代方案的主要可靠性風(fēng)險(xiǎn)。由于材料成本較高，并且鍍?cè)?plating bath，電鍍溶液)控制程序復(fù)雜，Sn-Ag鍍層比較昂貴。從“總擁有成本”的角度考慮，Sn-Ag鍍層并不能作為一種完全可行的選擇。
自2000年以來， Sn-Bi作為引腳鍍層已在日本得到廣泛應(yīng)用，因此人們開始對(duì)其密切關(guān)注。當(dāng)鉍含量為3%時(shí)，Sn-Bi的熔點(diǎn)約為220℃，選擇該鍍層肯定可行。但是Sn-Bi 材料易碎，鍍層控制復(fù)雜，而且它會(huì)產(chǎn)生錫毛刺。關(guān)于鉍的真實(shí)毒性也有疑問，且含鉛焊料后向兼容性問題仍存在爭(zhēng)議。內(nèi)部篩選實(shí)驗(yàn)和研究確認(rèn)了這些Sn-Bi問題的存在，所以這種鍍層只能作為臨時(shí)解決方案。
Sn-Cu鍍層可形成一種銅含量為0.7%的高強(qiáng)度低熔點(diǎn)合金，其熔點(diǎn)為227℃。此鍍層的價(jià)格相對(duì)低廉，且具有良好的可焊性。但是Sn-Cu容易產(chǎn)生錫毛刺，甚至合金成份的微小改變就會(huì)大大改變共晶溫度。由于精確控制鍍層成份困難，且Sn-Cu引腳加工與合金(Alloy)42引腳框架不兼容，所以該系統(tǒng)不能作為一種可行的解決方案。
預(yù)鍍的Ni-Pd和Ni-Pd-Au引腳框架作為無鉛焊接的一種可選方案，于1989年首先由德州儀器(TI)引進(jìn)。其主要優(yōu)勢(shì)在于該技術(shù)適于商業(yè)應(yīng)用，且封裝工藝得以簡(jiǎn)化。但是對(duì)大批量產(chǎn)品應(yīng)用而言，Ni-Pd-Au解決方案不具備優(yōu)勢(shì)，主要原因在于其成本較高，而且根據(jù)現(xiàn)有資料記錄，該方案存在可靠性問題。此外，鍍層在彎曲時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，而且在焊接、引線接合和成模時(shí)也存在問題。鈀和金成本高且難以預(yù)計(jì)，引腳框架的供貨商數(shù)量也有限，這些都是該方案的劣勢(shì)所在。由于此鍍層系統(tǒng)與Alloy 42引腳框架不兼容，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步受限。因此，對(duì)于大批量生產(chǎn)線而言，這種解決方案不是一種可行的備選方案。
純霧錫是大批量半導(dǎo)體制造商鍍層應(yīng)用的首選。其原因眾多：對(duì)于各種引腳框架而言，霧錫工藝不僅具有良好焊接特性，而且它是一種低成本解決方案，不存在Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Cu系統(tǒng)中的雙合金成份控制問題。
霧錫解決方案得以廣泛應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵因素是其供應(yīng)充足，此因素與上述技術(shù)密切相關(guān)。霧錫最重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)可能在于它可與含鉛焊料后向兼容。鑒于世界上很許多無鉛政策在執(zhí)行上存在延遲，這種后向兼容仍較為重要。
由于安森美半導(dǎo)體在特定應(yīng)用中使用霧錫有很長(zhǎng)的歷史，因此霧錫工藝解決方案已成為大多數(shù)需要無鉛外部鍍層的產(chǎn)品的首選。
降低鍍層毛刺的措施
上面討論了鍍層成份的選擇問題，現(xiàn)在我們將重點(diǎn)探討可降低風(fēng)險(xiǎn)的策略，方案必須可以有效地解決與該鍍層形成錫毛刺相關(guān)的可靠性問題。
研究表明，下列四種方案是減少錫毛刺產(chǎn)生的最可行解決方案：對(duì)霧錫鍍層進(jìn)行退火，增加霧錫鍍層的厚度，在引腳鍍層中加入鎳阻擋層(barrier)，對(duì)錫鍍層進(jìn)行回流。
就減少毛刺的問題而言，成本效益最高的方案是對(duì)鍍錫層進(jìn)行退火。大量研究表明，在銅襯底上對(duì)錫鍍層進(jìn)行退火可以大大減少毛刺的產(chǎn)生。具體操作方法是在溫度為150℃下，對(duì)錫鍍層進(jìn)行一小時(shí)的退火。根據(jù)現(xiàn)有的資料記載，在鍍層操作完成后24小時(shí)內(nèi)對(duì)錫鍍層進(jìn)行退火較為有效。
從資料中我們可以清楚了解，盡管錫鍍層的最佳厚度尚不清楚，錫沉積越厚，越不容易產(chǎn)生毛刺。根據(jù)資料中提供的參考數(shù)據(jù)，安森美半導(dǎo)體方案中的錫鍍層仍將集中介于7.5至12.5微米之間。我們相信，該方案可以在不影響鍍層質(zhì)量的前提下，減少毛刺，提高成本效益。
另一種被廣泛認(rèn)可的減少毛刺方案是在鎳阻擋層上加入錫鍍層。然而，在鍍層上加入鎳會(huì)使許多產(chǎn)品的成本增加，在市場(chǎng)上失去價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。此外，眾所周知，盡管鎳阻擋層會(huì)使毛刺產(chǎn)生的時(shí)間增加，但這很大程度上取決于所使用的錫鍍?cè)☆愋?。大家普遍認(rèn)為，鎳之所以可以減少毛刺產(chǎn)生，原因在于它會(huì)對(duì)錫鍍層中的應(yīng)力產(chǎn)生影響。
由于使用鍍鎳減少毛刺的產(chǎn)生取決于所使用的錫鍍?cè)。采腊雽?dǎo)體采用的對(duì)策側(cè)重于選擇基于甲基硫酸(MSA)的錫鍍層化學(xué)方法。MSA電鍍化學(xué)方法不僅可以控制錫鍍層中產(chǎn)生的應(yīng)力，而且可以產(chǎn)生一種不易產(chǎn)生毛刺的鍍層。
另一種減少毛刺的方案是在錫熔點(diǎn)232℃以上進(jìn)行錫回流，但是這種處理方法的有效性尚不清楚。因此，錫回流不能作為減少毛刺產(chǎn)生的工藝。但是，安森美半導(dǎo)體采用的方案包括了采用回流測(cè)試作為確定總體霧錫工藝有效性的方法。這種方法在很大程度上重復(fù)了最后的封裝工藝。
需要對(duì)所有含大量錫的鍍層進(jìn)行持續(xù)測(cè)試和檢查，以確保毛刺的產(chǎn)生得以控制。用于錫毛刺評(píng)估的測(cè)試條件和檢查程序在過去幾年中發(fā)生了重大變化，可以將其看作是一個(gè)變化的目標(biāo)。JEDEC和iNEMI的動(dòng)議已經(jīng)帶動(dòng)了越來越多的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以確定進(jìn)行上述評(píng)估所運(yùn)用的方法。安森美半導(dǎo)體將嚴(yán)格遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22A121中的建議。該標(biāo)準(zhǔn)不僅要求對(duì)特定的溫度循環(huán)、環(huán)境溫度/濕度儲(chǔ)存和高溫/高濕度存儲(chǔ)進(jìn)行測(cè)試，還規(guī)定了所需的錫毛刺檢查程序。
除了監(jiān)測(cè)當(dāng)前的電鍍化學(xué)方法外，還將在這些新近議定并得以標(biāo)準(zhǔn)化的JEDEC測(cè)試條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便將樣品組錫毛刺與下列屬性相比較。
1. 霧錫鍍層的厚度范圍為5至15微米；
2. 回流與不回流的比較；
3. 銅引腳框架與鍍銅Alloy 42引腳框架的比較；
4. 基于MSA的不同錫鍍?cè)』瘜W(xué)成分。
到目前為止，安森美半導(dǎo)體已經(jīng)將其約95%的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為無鉛鍍層，并計(jì)劃在2005年底之前將所有器件中含鉛(Pb)的外部鍍層用無鉛鍍層取代。
評(píng)論