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1、簡介：
a.釬料已成為所有三級連接（芯片、封裝和板級組裝）的互連材料，此外錫/鉛釬料作為表面涂層還廣泛應用于元器件引線和PCB的表面鍍涂層；
b.表面安裝技術：它主要是應用科學與工程原理將元件和器件放置到印制電路板表面上進行板級組裝，而不是將它們插入電路板。與通孔插裝技術相比，表面組裝技術有如下優點：
■提高了電路密度；
■縮小了元器件尺寸；
■縮小了電路板尺寸；
■減輕了質量；
■縮短了引線；
■縮短了互連；
■改善了電性能；
■更適應自動化；
■降低了大規模生產地成本；
c.工業趨勢：
■半導體元件：半導體器件一直向著提高可靠性、縮小特征尺寸、增大的晶圓片尺寸發展，今后電子技術的發展可能不只是受到傳統的電路材料理論推動，它還可能基于電子和聲子，可能還包括光子的遷移率及傳導率；
■IC的封裝和無源元件：又有已知合格芯片（KGD）在板級組裝中一直存在問題，使用封裝好的表面安裝器件將繼續占主流地位（ DIP、PGA、LCCC、PLCC、SOIC、CSP、FQFP、TQFP、BGA）；
■板級組裝：配備了能提供多種工藝能力硬件的柔性工藝，便捷生產和基礎設備對于將來SMT生產地成功來說都是至關重要的；
d.交叉學科和系統方法：
■最好的科學與技術史結合了四種要素產生的：科學家的責任感、想象力、直覺和創造力；
■漿料技術源于幾個學科的交叉：配方技術、流變學、化學與物理、冶金和粉末技術；

2、軟釬焊材料：
a.軟釬料合金：一般定義為液相線溫度低于400℃（750℉）的可熔融合金，常用的元素有錫Sn、鉛Pb、銀Ag、鉍Bi、銦In、銻Sb、鎘Cd。軟釬料合金的選擇是基于以下原則：
■合金熔化范圍，這與使用溫度有關；
■合金的力學性能，這與使用條件有關；
■冶金相容性，這要考慮浸出現象和可能生成金屬間化合物；
■使用環境相容性，這主要是考慮銀的遷移；
■在特定基板上的潤濕能力；
■成分是共晶還是非共晶；
b.冶金學：對于錫鉛二元合金，錫元素和鉛元素在液態時可以完全互溶，在固態時可以部分互溶，由于錫鉛釬料合金含有一個固相線和多個固相，因此它們也很容易受到熱處理的影響；
c.軟釬料粉：合金粉末常用以下幾種技術制造出來，如化學還原法（多孔并呈海綿狀）、電解沉積法（樹枝狀晶粒）、固體顆粒的機械加工法、液相合金霧化法（生產軟釬料粉）；
d.力學性能：三個主要的力學性能包括應力-應變行為、抗蠕變性、抗疲勞性：
■大多數合金的剪切強度都弱于抗拉強度和抗壓強度，由于大多數焊點在使用時都是受剪切應力，所以剪切強度對于軟釬焊材料來說十分重要；
■蠕變是在溫度和應力（載荷）都恒定時發生地整體塑性變形行為；各種軟釬料合金的抗蠕變性能可分為五類：低、中低、中等、中高、高；
■疲勞是合金在交變應力作用下的失效行為（低周疲勞。熱機械疲勞）；

3、焊膏：
a.定義：是一種釬料合金粉末、釬劑、和載體的均勻的、動態穩定的混合物；
b.特性：焊膏的物理和化學特性可以用以下參數來表述：
物理形貌、穩定性和儲存期、黏度、冷塌落、通過細針頭的可滴涂性、絲網印刷性、模板印刷性、粘附時間、黏性、暴露壽命、質量和一致性、與待焊表面的相容性、熔融前的流動性、潤濕性、反潤濕現象、焊珠現象、橋接現象、毛細現象、浸出現象、殘留物的數量和性質、殘留物的腐蝕性、殘留物的可清洗性、焊點的外觀、焊點的孔洞；
c.釬劑和助焊：根據釬劑的活性和化學性質，可將他們分為松香基釬劑、水溶性釬劑和免清洗釬劑，釬劑通過配入到焊膏或焊絲中、或作為獨立化學物質直接施加在元件和焊膏上來實現助焊功能；
e.釬劑活性：
■釬劑的官能團和分子結構；
■釬劑化學物質的熔點和沸點；
■在釬焊條件下的熱穩定性；
■在釬焊條件下的化學活性；
■釬劑周圍的介質；
■待助焊的基板；
■環境穩定性（溫度、濕度）；
■釬焊條件（溫度隨時間變化率、氣氛）
f.水溶性釬劑：僅用水就可以去除殘留物的釬劑，一般用超聲清洗并配合適當溫度曲線；
g.氣相釬劑：一般分為反應性和保護性兩種，前者能夠幫助釬劑清洗元器件的引線和焊盤，后者的主要功能就是在軟釬焊過程中防止氧氣和水汽；
h.免清洗釬劑：
■最小的殘留物含量，最好無殘留物；
■殘留物為半透明、并且不影響外觀；
■殘留物不影響針床測試；
■殘留物與保形涂層（如使用的話）不互相干擾；
■殘留物無黏性；
■殘留物在高溫、潮濕和電壓偏壓的條件下保持惰性；
■能有效地助焊，而無焊珠形成；
i.水溶性釬劑和免清洗釬劑之間的比較：兩者都是可實際應用的體系，后者減少了一個工藝步驟，是一個明顯的經濟上的優勢，但保護氣氛的消耗同時會增加清洗的成本；
j.流變學：焊膏的流變學受到以下因素的影響：
■懸浮顆粒的成分、外觀好尺寸；
■懸浮基體的化學成分；
■基體中有效組分的相對濃度；
■基體中組分的結構；
■基體和懸浮顆粒之間的物理或化學相互作用，包括潤濕和融合；
■懸浮顆粒所占體積分數，通常比例越高越容易偏離黏性流動；
■內部結構和它對外力的響應；
■顆粒和生成的團聚物以及凝絮物之間的交互作用；
■溫度；
k.配方：以下思考步驟是開發產品時的一種路線：
■定義性能指標；
■利用基礎技術；
■選擇原材料；
■了解和預測出各組分之間有可能會出現的相互協同或交互作用；
■平衡性能參數；
■微調配方以滿足設計規范；
■開發生產工藝；
■生產一致性產品；
l.設計和使用焊膏以增加系統可靠性：焊膏的設計和使用原則—軟性的釬劑、粗顆粒的粉末和低溫的再流曲線—應該協調一致以獲得最高的系統可靠性；
m.質保檢測：膏體、載體、粉末、再流和再流后處理；

4、軟釬焊方法：
a.分類：熱傳導、紅外。汽相凝結、熱氣體、對流、感應、激光、聚焦紅外、白光束、垂直再流；
b.反應與相互作用：再流動力學的流程圖：
■預熱基板和焊膏；
■揮發性物質蒸發；
■揮發性物質蒸發/釬劑滲透/ 釬劑激活；
■化學熱解/潔凈基底/潔凈焊粉；
■釬料熔化/釬料浸潤基底/釬劑載體保護基底/釬劑載體從熔融釬料逸出/化學熱解；
■釬劑載體從熔融釬料逸出/化學熱解；
■釬料固化；
c.工藝參數：用紅外法和對流法進行再流占據主要位置，影響產品成品率和焊點完整性的關鍵工藝參數如下：預熱溫度、預熱時間、峰值溫度、在峰值溫度停留的時間、冷卻速率；
d.再流溫度曲線：一個工件所經歷的瞬時溫度條件取決于一下因素：
■所有溫區控制器的設定溫度；
■環境溫度；
■每塊板的質量；
■加熱室中的總質量（裝載量）；
■供熱和熱傳輸的效率
e.再流曲線的影響：
■溫度分布的均勻性；
■塑料IC封裝開裂；
■釬料成珠；
■釬料成球；
■潤濕性；
■可殘留物清潔性；
■殘留物外觀和性質；
■焊點的氣孔；
■釬料和基板表面的冶金反應；
■焊點的微觀組織；
■母板翹曲；
■組件的殘余應力水平；
f.優化曲線：基于較慢的加熱速率和較低溫度的再流曲線將更加適合如今的復雜組裝、減少峰值溫度區的暴露時間以及減小殘余應力的要求；
g激光軟釬焊：二氧化碳(CO2)和摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)，主要特點如下：
■可實現高度的局部加熱，避免熱敏元器件的損壞和防止塑料IC封裝的開裂；
■可提供較高的局部加熱，為需要多次再流的組裝提供了第二次或第三次再流的工具；
■需要的再流時間較短；
■減少金屬間化合物的形成；
■減少溶蝕問題；
■生成細晶粒的焊點組織；
■減少焊點中的應力集中；
■減少焊點中的有害氣孔；
h. 可控氣氛釬焊，產用氣氛如下：干燥空氣、氮氣、氫氣、不同比率的氮氫混合氣、裂解的氨氣、放熱氣體、含不同濃度氮氣的混合氣體；
i.可控氣氛釬焊的工藝參數：氣體流動速率、濕度和水蒸氣壓、帶速、溫度、氧氣含量、優化氧氣含量；
j.溫度分布曲線的測量：使用像高溫釬料和高溫粘結劑（Kapton）之類的粘結材料，或者采用Saunders技術系統不使用外部材料就可以形成接觸；

5、可釬焊性：
a.定義：可釬焊性是指動態加熱過程中，在待連接的基體表面得到一個潔凈金屬表面，從而使熔融釬料在基體表面形成良好潤濕的能力；
b.基板：可潤濕性排序：Sn，Sn/Pb＞Cu＞Ag/Pd,Ag/Pt＞Ni；
c.潤濕現象：良好的潤濕可通過目檢看到在焊盤的表面上形成一個平坦、均勻和連續的釬料涂覆層，而不存在反潤濕、不潤濕或針孔現象；
d.元器件的可釬焊性：元器件的引線通常是用銅、銅合金、42合金（41~42.5%鎳，余鐵），以及可伐合金（29%鎳、17%鈷、53%鐵、1%其他元素）制成的。鍍錫引線的可釬焊性取決于以下因素：
■引線基底材料的成分；
■涂覆層的成分；
■表面光潔度和涂覆層狀態；
■涂覆層使用期限；
■涂覆層的儲存；
■涂覆層的厚度；
e.印制電路板的表面鍍涂層；

6、清洗：
a.典型的清洗工藝的關鍵步驟為：預漂洗—沖洗—漂洗—最終漂洗—干燥；
b.影響清洗效果的參數包括：水溫、噴射壓力、噴射角、沖洗時間、流速、輔助攪拌；

7、窄節距器件的應用：
a.開口設計與模版厚度的關系；
b.焊盤圖形與模版開口設計的關系：臺階式模版、在開口四邊均勻減小、交錯印刷、減小長度或寬度、其他形狀、折中模版厚度；
c.模版選擇：常用模版材料有黃銅、不銹鋼、鉬、42合金和電鑄鎳，常用模版的制造工藝有化學蝕刻、激光切割、電解拋光、電鍍和電鑄；

8、有關釬焊的問題：
a.金屬間化合物與焊點形成：簡單來說金屬間化合物生成的程度，化合物的成分以及它們的形貌都取決于內在因素，這些因素包括：
■釬料與基體的冶金反應活性；
■釬焊（再流）的峰值溫度；
■在峰值溫度的停留時間；
■基體的表面狀態-干凈的與氧化的；
■焊后的存儲與使用條件；
b.鍍金基板與焊點的形成：用金作為半導體封裝和電子組裝中基底金屬的抗氧化涂鍍層是常用的方法，金在以下幾個方面對焊點有明顯影響：流動性、潤濕性和鋪展性、力學性能、相轉變溫度、微觀組織、形貌。但當金的濃度過大時或造成由于脆化而造成早期的焊點開裂、生成孔洞、微觀組織粗化；
c.焊點氣孔：氣孔是一種不利于其完整性和可靠性的有害現象，尤其是大量喝大尺寸的氣孔；
d.焊球/焊珠：釬焊成球指在再流時離開主焊區所生成各種直徑的小球狀顆粒，且在固化后這些顆粒并不凝聚在釬料熔池周圍；人們一直在通過釬焊工藝控制、元器件和母板質量保證及焊膏設計來減少焊球現象的發生；
e.印制電路板PCB的表面鍍涂層：
■基本工藝：電鍍、化學鍍和浸鍍；
■金屬體系：銅印制線上的可用金屬表面涂（鍍）層包括：Sn、SnPb合金、SnNi合金、Au/Ni、Au/Pd、Pd/Ni和Pd等；
■有機涂層：苯并三唑廣泛用于Cu的抗銹劑和防氧化劑，靠生成苯并三唑絡合物進行保護；
■PCB表面涂層體系的比較：HASL（釬料熱風整平）不適用于引線鍵合、有機涂層；

9、焊點的外觀形貌及顯微結構：
a.外觀形貌：影響焊點外觀形貌的因素包括光澤、組織和完整性，如下所示：
■固有的合金光澤；
■固有的合金組織；
■焊膏再流后的殘留物的特點；
■表面氧化的程度；
■釬料粉末聚合的完整性；
■微觀結構；
■凝固時的機械擾動；
■釬料中的外來物質；
■相偏析；
■凝固時的冷卻速率；
■后續的受熱過程，包括老煉、溫度循環、功率循環和高溫儲存；
b.顯微結構：對于一個給定的釬料成分來說，顯微結構以質量微克的形式提供對焊點完整性的“觀察”和深入的“了解”；

10、焊點的完整性：
a.為確保一個焊點的完整性，需要逐一進行以下評估：
■釬料合金是否符合力學性能的需求；
■釬料合金是否符合基板兼容性的需要；
■釬料在基板上能否充分的潤濕；
■焊點構形的設計，包括外形、厚度和接縫區域；
■優化再流方法和再流工藝，包括溫度、加熱時間和冷卻速率；
■和老煉相關的存儲條件對焊點的影響；
■實際使用條件，包括上限溫度、下限溫度、溫度循環、振動和其他的機械應力；
■在實際使用條件下的性能需求；
■與實際使用條件相對應的可行的加速試驗條件的設計；
b.基本失效過程：在使用時，照成釬焊失效的基本過程和影響因素列舉如下：
機械強度較差或不夠、蠕變、機械疲勞、熱疲勞、本征的各向異性特膨脹、腐蝕加速疲勞、金屬間化合物的形成、有害微觀結構的發展、氣孔、電遷移、溶蝕；
c.球柵陣列封裝釬焊互連的可靠性：影響陣列焊點長期可靠性的各種因素列舉如下：元器件封裝、母板材料、釬料成分、焊點的結構和體積、其他材料（下填料）、制造工藝等；
d.周邊焊點的可靠性—元器件引線的影響：引線材料、引線長度、引線寬度、引線厚度、引線高度、引線的共面性；
e.焊點壽命預測模型的挑戰：現有一些模型方案中大都忽略了一些重要的部分和條件，下面列舉了其中一部分，這些就是現有的模型在實際應用中存在局限性的原因：
■初始微觀組織的影響；晶粒尺寸的影響；非均勻微觀組織的影響；多軸蠕變疲勞；
■微觀組織隨外部條件的變化；確定材料初始有無裂紋；如果裂紋存在它的尺寸有多大；
■界面冶金反應的影響；焊層厚度與界面影響的關系；損傷機理—穿晶或沿晶；
■潛在的損傷機理的轉變（由穿晶或沿晶）；是否存在晶界孔隙；焊腳幾何形狀的影響；
■自由表面狀態的影響；加速試驗條件與實際使用條件的相關性；
■實驗條件和損傷機理的關系；使用條件包括芯片功率耗散隨時間的可能變化；
■環境溫度的影響；電源開關循環次數；焊點共面性的變化造成的影響
f.蠕變和疲勞相互作用：在電子互連的釬焊材料可能要經受包括蠕變和疲勞在內的這兩個交互行為之一引起改變。具有最大抗蠕變性的材料常常不同于那些具有最大抗疲勞性的材料，改進材料應著眼于同時提高抗蠕變性和抗疲勞性；

11、無鉛釬料：
a.世界立法的現狀：
■美國：減少鉛危害法案（S.391&S.729）、鉛稅法案（HR2479&S.1357）、資源保護回收法RCRA；
■日本：家用電子產品回收法，2002年將鉛用量減半，2003年完全停止使用含鉛釬料；
■歐洲：WEEE廢棄電子電氣設備指令、ROHS關于在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質指令（鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯苯、多溴聯苯醚）
b.技術和方法：
■在設計無鉛釬料時，選擇組成元素和它們的具體用量都要考慮兩個關鍵的因素：這種元素與錫形成合金的能力、當與錫合金化時，它們降低熔點的能力；
■合金強化原則：滑移、位錯攀移、晶界剪切、晶粒內的空位或原子擴散；
■強化方法：非合金化摻雜物的微觀結合、微觀組織強化、合金強化、選擇性填料的宏觀混合；
■合金設計：對于錫基釬料來說，可用的候選合金元素數量很少，僅限于Ag、Bi、Cu、In和Sb。然而摻雜元素卻可以擴展到很多的元素和化合物，冶金相互作用以及與溫度升高有關的顯微結構的改變，為開發新型無鉛釬料提供了嚴格的科學依據；
c.釬料合金的選擇—一般準則：參看“2、軟釬焊材料”；
d.無鉛釬料的選擇：常見的六種體系：Sn/Ag/Bi、Sn/Ag/Cu、Sn/Ag/Cu/Bi、 Sn/Ag/ Bi/In、 Sn/Ag/ Cu/In、 Sn/Cu/ In/Ga；