摘要

由于物联网“智慧”设备的快速发展，业界对能够在更小的封装里实现更多功能的系统级封装(SiP) 器件的需求高涨 [1]。这种需求将微型化趋势推向了更高的层次：使用更小的元件和更高的密度来进行组装。

被动元件尺寸已经从01005（0.4毫米 x 0.2毫米) 缩小到008004（0.25毫米 x0.125毫米)，细间距锡膏印刷对SiP的组装来说变得越来越有挑战性。为了适应更小的钢网开口设计，需要在这些应用中使用锡粉更细的锡膏，一般来说是五号粉(15–25微米)、六号粉(5–15微米)和七号粉(2–11微米)。因为更多的元件被封装进一个SiP器件中，相邻焊盘的间隙可能会低至50微米，所以锡膏的流变性非常重要。在这种设计中，我们需要最少坍塌的锡膏来达到最少的桥接。锡膏印刷转印效率的一致性、钢网寿命、良好的润湿，抗葡萄珠缺陷的性能和最小化空洞的性能等是另外一些针对SiP封装用的锡膏的关键特性。本文关注这些更细锡粉锡膏的上述特性，分析针对功能关键特性进行的试验，并对结果进行讨论。

关键词：系统级封装 (SiP), 锡膏, 008004, 微型化

引言

随着Si P应用中的微型化趋势的推进，从现在的010 05元件减小到008004(“0201m”) ，甚至于下一代封装的0050025，锡膏的印刷性能变得非常关键。从使用三号粉或者四号粉的传统表面贴装锡膏印刷发展到更为复杂的使用五、六号粉甚至七号粉的SiP印刷工艺。新的工艺钢网开孔更小且钢网厚度更薄，对可接受的印刷锡膏体积的差异要求更为严格。

除了必须要印刷更小和更薄的锡膏沉积，相邻焊盘的间隙也更小了。某些客户已经开始尝试50微米的焊盘间隙。为了在如此有挑战的条件下达到优异和一致的印刷表现，除了良好的印刷机设置及合适的钢网技术以外，为锡膏选择正确的锡粉尺寸、助焊剂系统、流变性和坍塌特性就很关键了。

锡膏

锡粉

锡粉尺寸根据IPC J-STD-005A 标准规定的类型来分类，如图一所示。

表一介绍了电子行业和半导体行业所使用的不同尺寸的锡粉。尽管SMT中使用的三至五号粉用量仍然在增长，但一些封测厂和其它公司已经在SiP封装中的01005元件上使用六号粉；在使用008004元件的下一代封装中，六号粉和七号粉都在考虑的范围内。图二显示了五号、六号和七号粉的SEM照片。

行业基本的指导方针是：为达到一致的锡膏印刷表现来选择正确的锡粉尺寸——使得钢网开口宽度能容纳至少五到六颗锡粉（锡粉尺寸范围内大的颗粒）是很重要的。根据这个规则，表一中列出了针对每种锡粉尺寸推荐的最小钢网开孔。

选用更小的锡粉尺寸的另外一个问题是锡粉表面积的增加。如表一所示，当锡粉尺寸从三号粉减小为七号粉，锡粉的表面积显著地增加了。增加的锡粉表面积就需要更强的助焊剂活性，或者助焊剂有更好的氧气阻挡能力来保护锡粉表面不被氧化[2]。因此，选择设计合理的能配合细粉的助焊剂和选择氧化度低的锡粉两者都很重要。这些因素可以增强细间距锡膏的稳定性，包括存储寿命、钢网寿命和润湿（或者说焊接表现）。过高的活性剂水平也同样会让锡膏稳定性下降，所以助焊剂配方是很复杂的。

助焊剂系统

有不同类型的助焊剂系统被用于锡膏。一般来说有水溶型助焊剂、标准免洗型助焊剂、还有最近被大规模使用的超低残留(ULR)免洗型助焊剂（特别是用于半导体封装应用中）。表二对这些不同的助焊剂系统进行了对比[4]。

目前，大多数SiP应用都使用水溶型助焊剂系统，助焊剂残留会在回流之后用水清洗干净，接下来就是烘干和注塑工序。随着微型化趋势的继续，某些SiP应用很快就会遇到瓶颈：在焊点间隙和元件高度非常小的时候很难实现有效的清洗，这时就有必要使用超低残留免洗锡膏。这种新的锡膏去除了所有清洗和化学工艺费用，并减少了元件翘曲和循环时间。

锡膏流变性

减小锡膏中锡粉的颗粒尺寸也会增加黏度，因为助焊剂本身是触变性的。钢网印刷中使用的锡膏是一种低屈服应力剪切稀化的触变性材料，其流变性是由助焊剂系统和锡粉一起控制的。锡膏的流变性控制了下面一系列因素：锡膏开孔填充性能、锡膏从钢网到基板的转印效率以及印刷后锡膏沉积的形状。这些是决定锡膏优异印刷性能的关键。

锡膏的坍塌特性

坍塌的定义是锡膏块由于重力的作用在x-y方向进行扩展。锡膏内部的屈服应力能够阻止坍塌。过高的金属含量会给锡膏一个非常高的屈服应力，使锡膏不能良好地填充钢网开孔以及脱模。因此，针对印刷工艺进行金属含量的优化是很重要的，并为多种因素所驱动。

锡膏的钢网寿命

拥有长的钢网寿命的锡膏对降低长时间印刷中的板与板之间差异很重要。一般来说，四到八个小时的钢网寿命对大规模生产是必要的。

印刷试验

在这个研究中，设计了不同锡膏、治具配置和钢网开孔尺寸的几种搭配方式。使用不同助焊剂和不同颗粒尺寸锡粉的三种锡膏样本被进行了研究。同时通过比较使用平台和真空的板支撑系统，来研究是否可以单独使用平台支撑来得到一致性较好的印刷工艺。最后，也比较了激光切割和电铸钢网在不同开孔尺寸下的印刷结果。

测试板

测试板是特别设计用来模拟典型的基板，237毫米长，62毫米宽，0.5毫米厚(图三)。在测试板上有两个焊盘的阵列。每一排都有不同的焊盘尺寸：第一排150微米 x 125微米；第二排150微米 x 100微米；第三排150微米 x 112.5微米。每一列焊盘间间隙不同，例如，50微米、80微米、100微米、130微米和150微米(图四)。

焊盘有水平和垂直位置，这样可以模拟不同的刮刀刮动方向。焊盘表面镀层为镍金(ENIG)和非绿漆设限型(NSMD)。测试板上也有01005的焊盘，但这不是本次研究的关注点。

锡膏样本

我们在印刷测试中选择了三种助焊剂：两种水溶型和一种免洗型。这三种助焊剂混合了六号和七号锡粉。因为更细的粉黏度更高，因此七号粉的锡膏对金属含量进行了些微调整来降低黏度，使其达到和六号粉的锡膏差不多的黏度水平。下面的表三是使用的锡膏样本一览表。

钢网设计

我们为这次研究准备了三种钢网：一张50微米厚度的激光切割钢网和两张厚度分别为35微米和50微米的电铸钢网。激光切割钢网采用和测试板焊盘尺寸一比一的开孔设计，电铸钢网的左侧阵列也采用一比一的开孔，右侧阵列采用了图五和表四中显示的稍小开孔设计。两张电铸钢网的开孔设计相同，只是如前面谈到的钢网厚度不同。

设备和治具配置

• DEK Horizon 印刷机

• Koh Young 锡膏检测仪

• 60度角的12英寸刮刀

• 真空支撑

• 平台支撑

印刷参数

印刷速度在所有的试验中是固定不变的，刮刀压力在每一个试验中进行调整以达到使用最小压力，例如，刚好将钢网表面刮干净的压力（表五）。使用最小压力在获得连续性印刷中非常关键，过大的压力会使印刷表面因为刮刀的压力而移动。擦拭频率被设定为三片一擦，擦拭模式为湿擦/真空擦/干擦(W/V/D)。

结果和讨论

焊盘间的桥接

比较结果表明使用不同的治具配置有明显的区别。使用平台治具作为板支撑的激光切割钢网在80微米间隙的情况下没有发现桥接。使用真空支撑时，激光切割钢网在50微米间隙的情况下也没有发现桥接。这说明使用真空支撑在印刷时的钢网和电路板间间隙更小，支撑性能更好。图六显示了其在125微米 x 150微米焊盘(一比一) 和50微米焊盘间隙条件下的印刷效果。

然而，在使用电铸钢网时，左侧阵列印刷遇到了桥接问题。桥接的数量从第一列(50微米间隙)到第五列(150微米间隙)不断增加。电铸钢网转印效率的提升最有可能是这个印刷表现明显不同的原因。缩小开孔的右侧阵列没有任何的桥接。因此，我们只能收集和分析右侧阵列的印刷数据。

不同锡膏的比较

在右侧阵列，50微米厚的钢网开孔宽厚比只有0.40到0.45。然而，在这些焊盘上仍然可以实现连续性印刷。图七，八和九显示了不同锡膏在不同宽厚比下的锡膏量比较。锡膏C在三种锡膏中排名第一；锡膏A排名第二；锡膏B第三。锡膏B的分布比锡膏A和锡膏C要集中；然而，对比其它两种锡膏，它有更多的少锡问题。流变性在超细钢网开孔印刷中发挥了重要作用，而且水溶型和免洗型助焊剂均可以达到良好的印刷性。

35微米厚度钢网提供了更高的宽厚比，因此更薄的钢网的印刷性能被认为比50微米厚度钢网更好。宽厚比从0.40-0.45提升到了0.57-0.64。锡膏样品C得到了很明显的提升，如图十所示。

T6-SG 和 T7-SG的比较

图十一显示了半导体级六号粉和七号粉锡膏的印刷结果。我们发现七号粉锡膏印刷结果的标准差更小，因此它的变化量更小。然而，我们也在它上面发现了更多的桥接。

制程能力研究

Cp、Cpk和Ppk使用Minitab软件来计算。 对比锡膏表现使用的参考规格界限为40%到150%。表六表明真空支撑或者平台支撑都是可用的配置；然而，真空支撑的连续性更好，其Cpk和Ppk值更高。

表七显示了所有锡膏在不同的焊盘尺寸和钢网厚度条件下的制程能力。焊盘尺寸和钢网厚度的组合由它们的宽厚比来代表。

回流试验

回流试验测试了其中一种在大规模SiP应用中使用的水洗型锡膏来研究空气回流不同曲线下的空洞表现。

测试板

使用了Practical Components公司的测试板, 如图十二所示。焊盘和钢网开孔都是180微米圆形。使用的钢网厚度为75微米。

温度曲线

我们测试了如表八所示的四种不同曲线。实际的曲线如图十三到十六所示。

结果和讨论

测试结果显示在表九和图十七中。针对该水洗型锡膏，空洞表现受不同回流曲线影响。带保温区的长回流曲线显示出更好的平均空洞百分比和最大单一空洞百分比。使用较低的237°C峰值温度，也能够得到较低的空洞百分比。空洞表现和回流曲线的关系应该对每一种锡膏的特征进行充分的考虑，因为不同的锡膏可能会在不同的温度曲线下工作得更好。

总结

为了在SiP应用中得到一致的优异细间距印刷性能，锡膏的特性如锡粉尺寸、助焊剂系统、流变性、坍塌特性和钢网寿命都很重要，都需要被仔细考虑。我们需要评估和选择具有合适的流变性并混合正确尺寸的锡粉和助焊剂的锡膏。合适的钢网技术、设计和厚度，配合印刷时使用好的板支撑系统对得到一致且优异的锡膏转印效率也是很关键的。回流曲线需要针对不同锡膏的特性进行合适的设计来达到空洞最小化。

感谢

特别感谢铟泰公司苏州模拟实验室团队（瞿艳红、陈芬博士和饶乐）。他们帮助和支持了在他们实验室进行的锡膏印刷测试。

参考资料

1.       Lim, Thum and Mackie, “Meeting Solder Paste Printing Challenges for SiP in ‘Smart’ IoT Devices,” Chip Scale Review magazine, Jul-Aug 2016.

2.       Ed Briggs, “Meeting Future Stencil Printing Challenges with Ultrafine Powder Solder Pastes,” International Conference on Soldering and Reliability, Toronto, Canada, May 2014.

3.       Rita Mohanty Ph.D., S. Manian Ramkumar Ph.D., CEMA, Chris Anglin and Toshitake Oda, “Effect of Nano-Coated Stencil on 01005 Printing,” APEX 2011.

4.       Sze Pei Lim, Maria Durham, A. Mackie, “No Clean Material For Advance Packaging Assembly,” Semicon China Feb 2016.

5.       Kravcik and Vehec, “Study of the Rheological Behavior of Solder Pastes,” Proc. Scientific Conference of Young Researchers 2010, FEI TU of Kovice.

首次发表于2016年10月在美国加利福尼亚州圣何塞举行的IWLPC。