用于SMT组装中焊接温度分级的新型中温合金

作者:Alpha Assembly Solutions公司:Sathish Kumar, Nicholas Herrick, Ranjit Pandher, Morgana Ribas, Amit Patel, Gyan Dutt, Ravi Bhatka

引言

LED或任何其他半导体器件的典型封装/组装过程都涉及多个工序。在每个工序中,都会使用某种电/热互连材料。互连中最常用的材料是导电胶粘剂、烧结材料、焊料合金、环氧树脂和聚合物。其中,导电胶粘剂、烧结材料、环氧树脂和聚合物在封装/组装过程中的相变是不可逆的。而焊料在此过程中的相变基本上是可逆的。焊料是电子组装中最常用的材料。就互连形成而言,焊料有固定的和可重复的熔点,这是一大优点。然而,如果组装过程涉及多个工序都使用相同的焊料,那么焊料的相同性质就成为一个麻烦问题。在第一个组装工艺中使用的焊料将在第二、第三和附加组装工艺期间经历重复的熔化和冷却循环。经过多次熔化/冷却循环的互连质量将会降低,导致最终产品质量或可靠性受损,缩短产品的使用寿命。因此,需要具有不同熔点/凝固温度的焊接材料。

在电子工业向无铅焊料过渡之前,不同成分的SnPb焊料可用来创建不同的焊接温度等级。例如,10Sn90Pb、05Sn95Pb或他们的一些添加Ag 的变体,因为具有高熔点温度(10Sn90Pb为299 ℃,05Sn95Pb为310 ℃)被用作芯片连接材料(在LED封装和组装术语中也称为I级互连)。63Sn37Pb或其变体的熔点温度为183 ℃左右,被用于电路板组装(在LED工业中也称为II-V级互连)。在焊料中的铅含量被限制以后,最常见的无铅焊料是SnAg或SnAgCu(SAC)焊料,其熔点温度为217~228 ℃。在高温无铅焊料方面,替代高铅焊料的唯一可行的选择是80Au20Sn。含有80%的金,Au20Sn是最昂贵的焊料之一。此外,AuSn是一种高模量、相对脆性的材料,会导致高应力互连。即使它含有80%的金,它的导热性和导电性也比SAC或SnAg共晶焊料稍低。尽管它有费用高等其他缺点,AuSn焊料仍然被使用,因为它易于在标准SMT生产线上加工使用。相比之下,导电胶粘剂和烧结材料等竞争性技术,需要不同的加工工艺,在某些情况下,甚至可能需要特殊的设备。

表I给出了用于LED封装和组装的I级和II级互连材料的常见选项。类似的材料组合也被用于其他半导体封装和电子组装。对于大功率电子元件如功率二极管、MOSFET、IGBT等的封装和组装,高导热性和高可靠性等性能是极为重要的。

SnZn基合金。含锌合金容易氧化,在波峰焊焊料锅中会出现严重的浮渣,易于腐蚀,并且具有以天或周为单位的 搁置寿命,相比之下,共晶Sn-Pb或SAC焊料具有数月的搁置寿命[7]。由于这种焊料的高度腐蚀性,许多终端用户避免使用锌基焊料。因此,不能基于SnBi或SnZn平台继续寻找可替代的中温焊料。Alpha Assembly Solutions的冶金学家们一直试图为多级电子组装(如用于户外照明、电力电子和恶劣环境的大功率LED)找到一种中温焊料体系。本文提出了一种中温焊料,它解决了SnBi或SnZn基系统的所有缺点。合金的主要成分为Sn、Ag、Cu、Bi和In。加入In和Bi是为了不沉淀任何低温熔融相。

其中一个选择是使用导电胶粘剂或烧结银用于I级组装(芯片连接),无铅焊料用于II级组装。这种选择的优点是I级互连具有高温稳定性和烧结银材料的高导热性。然而,缺点往往是需要独特的、与典型的SMT工艺非常不同的加工条件。对于I级组装,这包括需要专门的设备,取决于所使用的导电胶粘剂或烧结银浆的类型。

如果必须同时为I级和II级组装选择焊料,那么选择是有限的。其中一种选择是将SAC305/SAC405用于I级组装,基于SnBi 的焊料(如42Sn58Bi、42Sn57.6Bi0.4Ag或SBX02)用于II级组装[1-6]。这组材料有两个主要问题。首先,SnBi基焊料具有不良的机械强度,而且非常脆。其次,所有这些焊料的固相线温度都是~138 ℃,这对于某些应用来说可能太低,例如户外灯中的大功率LED或者工作温度可能太接近焊料固相线温度的汽车头灯。近年来,为了提高SnBi基焊料的力学性能和热机械可靠性,人们进行了许多尝试。虽然在改善其力学性能方面取得了显著的进展,但是在提高SnBi共晶的固相线温度方面却没有取得多少成功。

因此,需要具有比SnBi共晶更高的固相线温度和比SAC焊料更低的液相线温度的低温无铅焊料。当采用SAC305/SAC405/SnCu/SnAg 等进行I级组装后,用这种焊料进行II级组装。电子工业界一直在努力研制熔点在190~200 ℃之间的焊料。

实验细节

详细研究了新型中温焊料合金与SAC305相比的可靠性。由于实际上所有的II级组装都是在SMT组装线上完成的,所以焊料是以焊膏形式制备的,并且为两种焊膏都添加了适当的助焊剂。在进行可靠性测试之前,一般要进行焊膏性能测试,以确保焊膏性能符合SMT组装要求。图1给出了这项研究中使用的为市售的中功率白光LED设计的铝芯MCPCB测试载体。FR4芯PCB使用了相同的焊盘设计。在这些实验中使用了市售的封装的白光LED、Lumileds Luxeon 3535L。

回流焊温度曲线

所有的元件都用中温焊膏组装,在后面的回流焊条件下回流焊接:在145~170 ℃下预热80 s;TAL(液相线以上时间):高于200 ℃ 80 s;峰值温度:空气中215 ℃。图2给出了现场记录的元件的温度曲线。

用中温合金和SAC合金组装的元件的剪切强度来衡量焊点的机械完整性。为了评估焊接互连的可靠性,对组装的元件进行了温度循环。此外,还评估了热循环对LED性能的影响。

热循环试验:

*根据IPC 9701-A标准进行测试;

*-40 ℃(10 min)至125 ℃(10 min),2 000个周期;

*Lumileds Luxeon 3535L;

*涂饰:ENIG

性能输出:

*焊点剪切强度;

*光通量;

*LED结温和热阻。

焊点剪切试验

为了评估焊点的机械完整性,对焊点进行剪切,并记录每个剪切元件的峰值剪切力。用Dage 4000剪切试验机剪切整个Luxeon封装。每组剪切8个元件。剪切高度设置得足够低,以确保II级互连被剪切,并最小化滚动效应。在500、1 000、

1 500和2 000次循环后,从热循环中取出样品,剪切并记录焊点强度(包括任何下降)。

结果与讨论

在组装LED之后,对所有焊点进行X光检查,以评估空洞和一般完整性。所有焊点均表现出可接受的空洞水平。图3给出了组装的LED的典型X射线图像。

封装剪切试验数据

图4给出了使用中温焊料和SAC305焊料在FR4板上组装的LED的标准剪切强度。2 000次循环后,中温焊料和SAC305焊料的焊点剪切强度均降至原始强度的75%左右。类似的Al-MCPCB上组装的LED的剪切强度如图5所示。Al-MCPCB上SAC焊点的剪切强度下降到原来的73%左右。类似地,Al-MCPCB上相同LED的中温焊料焊点的剪切强度下降到原来的大约82%。AL-MCPCB上LED焊点的机械强度与FR4板上的相比略有不同。这很可能是由于Al与氧化铝(LED衬底材料)之间的CTE(热膨胀系数)失配,要比FR4与氧化铝之间的CTE失配要高[10]

经过2 000次循环后,平均光通量下降不到5%。在II级互连中,对于用中温焊料和SAC305组装的LED,这一下降都是相同的。

尽管温度循环后焊点的剪切强度下降,但破坏模式仍然具有粘着力。所有的焊点都表现出焊料本体的失效,界面没有裂纹。因此,剪切强度的任何变化都是焊料本体强度变化的结果,这通常与焊料微观结构的变化有关。

除了互连材料的机械强度及其在温度循环下的行为外,还对LED的光学性能进行了评价。与I级互连相比,II级互连对LED性能的影响更小。然而,如果互连质量显著下降,那么II级互连可能对LED性能产生影响。因此,也测量了发光通量、结温和LED堆叠的总热阻。

图6给出了在Al-MCPCB上用中温焊料和SAC305焊料组装的LED,温度循环后光通量的变化。中温合金和SAC表现出相似的性能。

图7给出了在FR4 PCB上用中温焊料和SAC305焊料组装的LED,温度循环后光通量的变化。中温合金与SAC305表现出相似的性能。这意味着中温焊料可以取代SAC305焊料用于LED的II级互连,而不影响性能。这一数据并不能说明老化时光通量下降的真正原因。在温度循环时,II级互连可能对光通量的下降起作用,也可能不起作用。

图8和9分别给出了在Al-MCPCB和FR4-PCB上组装的LED的结温。LED在特定的最大工作电流(300 mA)下工作。AL-MCPCB上的LED的结温约为48 ℃,FR4-PCB上的LED的结温约为115 ℃,这并不奇怪,因为Al的导热系数是240 W/(m•K),而FR4的导热系数是<1 W/(m•K)(通过平面)。在这两种情况下,结温在温度循环后都没有改变,这意味着II级互连的机械和/或电气性能没有改变。中温焊点的性能与SAC305焊点的相同。

LED使用寿命中较高的结温将降低其发光效率。图10给出了用中温焊料在Al-MCPCB和FR4-PCB上组装的LED的发光通量。在Al-MCPCB上组装的LED的发光通量比在FR4-PCB上组装的LED高出约15%。

需要阅读更多内容,请点击“环球SMT与封装

上一篇:功率型倒装LED芯片的制备工艺

下一篇:智能LED照明需要新的通信策略