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为您详细介绍无铅锡膏与有铅锡膏在芯片封装工艺中的应用对比。
这是一个在电子制造领域至关重要的话题,选择哪种锡膏直接影响产品的性能、可靠性、成本和合规性。
有铅锡膏 (Lead-based Solder Paste)
主要成分:传统成分为锡-铅 (Sn-Pb),最常见的是 Sn63/Pb37(共晶锡膏,熔点为183°C)。铅的存在能显著改善锡合金的焊接性能和机械特性。
背景:自电子行业诞生以来一直是绝对的主流,工艺成熟,可靠性经过长期验证。
无铅锡膏 (Lead-free Solder Paste)
主要成分:不含铅,以锡为主,添加其他金属如银 (Ag)、铜 (Cu)、铋 (Bi)、锑 (Sb) 等。最常见的体系是 SAC 系列,如 SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5,熔点为217-220°C)。
背景:主要受环保法规(如欧盟RoHS、中国《电子信息产品污染控制管理办法》)和健康诉求驱动,自2006年左右开始成为主流,是当前的行业标准。
以下从多个维度对两者在芯片封装工艺中的应用进行对比。
对比维度 | 有铅锡膏 (Sn-Pb) | 无铅锡膏 (如SAC) | 对比分析及对封装工艺的影响 |
1. 环保与法规 | 不环保:含重金属铅,对环境和人体有害。 | 环保:符合RoHS等全球环保法规。 | 无铅是硬性要求。面向全球市场,特别是消费电子、汽车电子等领域,必须使用无铅工艺,否则产品无法上市。 |
2. 焊接温度 | 较低:共晶点 183°C。回流焊峰值温度通常在 210-230°C。 | 较高:熔点在 217-220°C 以上。回流焊峰值温度通常需 235-250°C,甚至更高。 | 无铅工艺对设备和器件是巨大挑战: |
• 能耗增加:炉子需要加热到更高温度。 | |||
• 器件耐热性:必须使用能承受更高温度的芯片和元器件(无铅器件)。 | |||
• PCB材料:基板必须使用更高Tg(玻璃化转化温度)的材料,以防变形、分层。 | |||
• 工艺窗口变窄:温度曲线控制要求更严格,否则易出现冷焊或过热损坏。 | |||
3. 焊接性能 | 优异: | 较差: | 有铅工艺更“友好”,易于获得良好的焊点。无铅工艺需要优化焊膏配方(如助焊剂活性)和精确控制炉温曲线来弥补润湿性的不足。外观差异不影响机械性能,但给目检和AOI检测带来新标准。 |
• 润湿性好:扩展率高,爬锡效果好。 | • 润湿性较差:流动性不如有铅,扩展率低,可能需要更强的助焊剂。 | ||
• 焊接牢固,焊点表面光滑明亮。 | • 焊点外观:表面较粗糙、暗淡,呈灰白色。 | ||
4. 机械可靠性 | 良好:具有良好的抗疲劳特性和延展性,在热循环中能更好地承受应力。 | 较优但存在争议: | 取决于应用场景: |
• 强度更高:杨氏模量和抗拉强度通常优于有铅焊料。 | • 对于日常电子产品,无铅焊点的机械强度完全足够。 | ||
• 延展性差:更脆,在剧烈冲击或变形下易开裂。 | • 对于高频热循环(如汽车引擎舱)或机械冲击环境,需要精心设计合金成分(如掺入微量稀土元素)并严格控制工艺,甚至在某些高可靠性领域仍存在争议。 | ||
• IMC生长:高温下金属间化合物层生长更快,可能影响长期可靠性。 | |||
5. 成本 | 较低: | 较高: | 无铅的综合成本高于有铅。虽然锡膏本身的价差在缩小,但背后的供应链(无铅器件、高Tg PCB)、设备升级和能耗成本构成了主要差异。 |
• 材料成本低:铅价格低廉。 | • 材料成本高:银等金属价格昂贵。 | ||
• 工艺成本低:温度低,能耗小,对设备和器件要求低。 | • 工艺成本高:能耗大,设备损耗快,需要耐高温的PCB和元件。 | ||
6. 应用领域 | 受限: | 绝对主流: | 无铅已成为全球电子制造业的默认标准。有铅工艺仅存在于少数“豁免”领域或特定维修场景。 |
• 部分军工、航天、医疗设备:因对长期可靠性有极端要求且不受RoHS限制,仍在使用。 | • 消费电子(手机、电脑等) | ||
• 维修与返工:在某些允许的场景下,因温度低、易操作而被采用。 | • 网络通信设备 | ||
• 汽车电子(绝大多数) | |||
• 工业控制等绝大多数领域。 |
在芯片封装本身(如BGA、CSP、QFN的植球、贴装、回流焊)中,上述对比同样适用,但还有一些特定点:
晶圆凸点制作 (Wafer Bumping):
早期广泛使用有铅焊料进行电镀或锡膏印刷制程。
现在已全面转向无铅凸点,材料多为高铅(Pb含量>85%) 或SAC系列。注意:高铅焊料在某些封装内部结构中仍被RoHS豁免,因为其高熔点特性在后续封装层级焊接时不会熔化,能提供更好的机械支撑和可靠性。
倒装芯片 (Flip Chip):
与凸点工艺紧密相关,无铅是主流选择。
封装体贴装 (Package on Board):
这就是最常见的SMT贴片环节。封装好的芯片(如BGA)通过锡膏焊接到PCB上。
必须遵守“无铅匹配”原则:即无铅封装的焊球必须使用无铅锡膏来焊接,有铅封装的焊球使用有铅锡膏。混用(如无铅焊球+有铅锡膏)会导致合金成分不可控,形成低温共晶相,可靠性极差,是绝对禁止的。
特性 | 无铅锡膏 | 有铅锡膏 |
趋势 | 现在和未来的绝对主流 | 逐渐被淘汰,仅限特定领域 |
驱动力 | 环保法规、市场准入、企业社会责任 | 无 |
适用领域 | 绝大多数商业、工业和消费类电子产品 | 部分高可靠性军工、航天、医疗(RoHS豁免) |
选择关键 | 1. 合规性是首要前提。 | 1. 仅用于法规允许的豁免领域。 |
2. 必须应对高温工艺带来的挑战。 | 2. 利用其优异的工艺性和可靠性。 | |
3. 需关注长期可靠性设计。 |
结论:
对于芯片封装工艺而言,无铅化是不可逆转的全球性趋势。选择无铅锡膏已不是一道选择题,而是一道必答题。工程师们的挑战不再是要不要用无铅,而是如何用好无铅——即通过优化合金配方、精细控制工艺参数、选用合适的基板和元件,来克服无铅焊接带来的高温、润湿性差和潜在脆性等问题,最终确保封装产品的质量和长期可靠性。
芯片封装前锡膏助焊剂清洗剂介绍:
水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要,一旦选定,就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。
污染物有多种,可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气,通电后发生电化学迁移,形成树枝状结构体,造成低电阻通路,破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层,在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物,还有粒状污染物,例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等,这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。
这么多污染物,到底哪些才是最备受关注的呢?助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中,它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分,焊后必然存在热改性生成物,这些物质在所有污染物中的占据主导,从产品失效情况来而言,焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素,离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降,松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大,严重者导致开路失效,因此焊后必须进行严格的清洗,才能保障电路板的质量。
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