行業新聞

                        氮氣保護下的SMT焊接

     摘要]在氮氣保護下進行波峰焊和再流焊,將成為表面組裝中技術的主流,環氮波峰焊機與甲酸技術相結合,環氮再流焊機活性極低的焊膏、甲酸相結合,能去除清洗工藝。當今迅速發展的SMT焊接技術中,遇到的主要問題是如何破除氧化物,獲得基材的純淨表面,達到可靠的連接。通常,使用焊劑來去除氧化物,潤濕被焊接表面,減小焊料的表面張力,防止再氧化。但同時,焊劑在焊接后會留下殘留物,對PCB組件造成不良影響。因此,必須對電路板徹底清洗,而SMD尺寸小,不焊接處的間隙也越來越小,徹底清洗已不可能,更重要的是環保問題。在1994年國際組織發現CFC對大氣臭氧層有破坏,作為主要清洗劑的CFC必須禁用。解決上述問題有效的辦法是在電子裝聯領域中採用免清洗技術。

一 氮氣保護加甲酸的免清洗技術基本介紹
    在氮氣中加入少量且定量的甲酸HCOOH已被証實是一種有效的免清洗技術,焊接后不用任何清洗,無任何副作用或任何對殘留物的擔心。
    氮氣作為保護氣體極其合適,主要是它的內聚能量高,只有在高溫和高壓下(> 500°C,>100bar)或添加能量的情況下,纔會發生化學反應,目前已掌握了一個生產氮氣的有效方法。空氣中氮氣約占78%,是一種取之不盡、用之不竭,經濟性極好的保護氣體。
    氮氣作為保護氣體,在焊接中的主要作用是排除焊接過程中的氧氣 ,增加可焊性,防止再氧化。
    焊接可靠,除了選擇合適的焊料,一般還需要焊劑的配合,焊劑主要是去除焊接前SMA組件焊接部位的氧化物以及防止焊接部位的再氧化,並形成焊料優良的潤濕條件,提高可焊性。試驗証明,在氮氣保護下加入甲酸后即能起到如上作用。另外,在氮氣保護下使用甲酸HCOOH作為活化劑焊接時,金屬氧化物的還原程序為:
   MeO + HCOOH + 熱wpe9.jpg (745 bytes)Me + CO2 + H2
   注:Me即金屬
    此化學方程式表明,在金屬氧化物的分解過程完成后,沒有任何殘留物留下來,亦沒有留下任何對環境有害的物質,並且,由於在缺氧環境下,還原出的金屬不會再氧化。
    此外,甲酸在160°C以上即分解放出二氧碳和氫氣,因此,經過波峰焊與回流焊的產品上無殘留甲酸。

二 氮氣加甲酸技術用於波峰接機
   有關保護氣體用在焊錫方面的第一份報告,是德國西門子公司在八十年代初發表的,經過多年發展后,現已被很多廠家採用。實驗表明,通常的波峰焊接機不能改裝成氮氣保護的機器。目前,有一種產品是採用隧道式焊接槽結構的環氮波峰焊接機,其機身主要是一個隧道式的焊接加工槽,上蓋由几塊可打開的玻璃組成,確保氧氣不能進入加工槽內。當氮氣通入焊接,利用保護氣體和空氣的不同比重,氮氣會自動把空趕出焊接區。
   在焊接進行過程中,PCB板會不斷帶入氧氣注入焊接區內,因此要不斷將氮氣注入焊接區內,使氧氣不斷排到出口。
氮氣加甲波峰焊錫系統如下圖:
wpe8.jpg (24641 bytes)

氮氣波峰焊錫系統



   這種系統的氮氣耗量為18-20M³/h,成本較高,甲酸用量少,幾乎可不計成本。
效果:
   1、從根本上消除了焊料的氧化,改善了液態焊料的潤濕性能。
   2、焊后無殘留物,實現了徹底的免清洗工藝,節省了清洗設備的投資及清洗設備所需的材料費、操作費,保護了環境。
   3、用氮氣后不良率降低75%。
   4、在氮氣下形成的焊點壽命較長。

三  氮氣加甲酸技術用於再流爐
    氮氣加甲酸技術一般應用於紅外加強力對流混合的隧道式再流焊爐中,進口和出口一般設計成開啟式,而在其內部有多道門帘,密封性好,能使組件的預熱、乾燥、再流焊接冷卻都在隧道內完成。在這種混合氣氛下,使用的焊膏中不需含有活化劑,焊后無殘留物留在PCB板上。
效果:
   1、減少氧化,減少焊球的形成,不存在橋接,對精細間距器件的焊接極為有利。
   2、節省了清洗設備,保護了地球環境。
   3、由氮氣所帶來的附加成本容易從節約的成本中收回,成本節約從缺陷減少及其所需人工節約而來。
缺點:
   1、氮氣用量16-18M³/h,成本較高。
   2、使用時需為爐內的殘氧濃度進行測試,因實現清洗焊接是以高純度氮氣為代價。
   以上簡單介紹了一種技術。要提高可靠性,于96年引進了SMT生產線,其中的再流焊爐與波峰焊均為使用氮氣保護技術的機型,使用至今取得了較為理想的效果。由於航天產品數量較少,因而是我們的生產線多數情況下是在加工對外承接的民用消費電子產品,因其對可靠性並不要求萬無一失而要求加工成本要低,此時只好取消氮氣保護措施。

2009年04月18日 熱烈慶祝偉圳聯電子發展有限公司-福永鳳凰辦公室開張成立

2009年05月18日 熱烈慶祝偉圳聯電子發展有限公司-深圳工廠 二手事業部在沙井成立

3G之爭——中國沒有退路
   2009-12-28
一、“標準之爭”,還是“大國博弈”
    事件回放:2009年1月7日,國內移動、 聯通電信三大 運營商正式挂牌 3G。與此同時,一個國家,三種3G標準,這在世界其他國家地區絕無僅有的局面也在中國出現了。
    所有的變數仿佛都浸淫着中國傳統分家習俗:實力最弱的小儿子中國聯通,得到一個最為成熟的 WCDMA;二儿子 中國電信,自身實力居中,得到的是居中的 CDMA2000標準;至於振興家業、發展中國標準TD-SCDMA的重任則責無旁貸地落在了實力雄厚的長子 中國移動身上。
    同時,看一下相關人物的“表情”:
    2008年8月, 工信部發布《關於同意中國 移動通信集團公司開展試商用工作的批復》,同意中國移動在全國建立TD 網絡並開展試商用。
    2008年5月,美國商務部副部長克里斯托夫 帕迪拉惱羞成怒,攻擊中國推出的TD-SCDMA標準:“它是在缺乏透明度和合法訴訟程序的情況下,按照政府規定開發的。”
    而早在2003年8月1日,全球 GSM協會首席執行官康威樂來到上海,為WCDMA搖旗吶喊。
    三張牌照,其實可以看作中國現狀下一種典型的無奈的“和稀泥”解決方式。因為採用WCDMA還是TD-SCDMA又或者CDMA2000標準已經不是一件純經濟性的活動,而是通信巨頭、大國、政府間博弈的產物,是“殖民經濟”這個名詞的最好註腳。相比成熟的WCDMA和在北美有廣氾應用的CDMA2000,TD-SCDMA基本是從零起步,無論是網絡,還是終端。
二、強大后援
    然而相對於佔據電信市場78%的WCDMA和22%的CDMA2000,我國自主研發的TD-SCDMA整整晚了11年,尚處於起步階段,且沒有任何商用經驗,產業鏈環節薄弱,市場前景實在堪憂。
工信部部長李毅中就曾明確表示:“目前,TD-SCDMA發展到了最關鍵的時候。政府部門要繼續給予強力支持,逐項落實扶持措施。”同時李毅中還透露,目前對TD的36項扶持措施已經落實了21項;加大並明確對TD的相關政策支持也是政府發放 3G牌照的三個前提條件之一;政府最後還會採用採購這招殺手锏:“推動TD終端和業務納入政府採購範圍,發揮政府部門支持TD發展的示範作用。”
三、中國移動 蓄勢待發
    (1)市場推廣和網建 小步快跑
    中國移動的TD標準在3G無疑是現在成熟度最低的一個標準。不過在國內,它卻已經在市場推廣和網絡建設方面提前了不止一步。早在2007年,就已經開始TD試驗網的建設,成為公眾眼中最早3G的代名詞。
    (2)資金優勢 厚積薄發
    依靠于2G時代攢下的家底,中國移動在資金和客戶資源這一塊相較于其他兩家顯然有着明顯優勢。通過下面四個數據就可以說明: 全球通神州行動感地帶三大品牌深入人心;4.4億 手機用戶;近2000億現金;佔據全國GSM用戶近70%的市場份額。
    2009年5月17日,TD-SCDMA終端專項激勵基金聯合研發項目簽署——中國移動與9個手機廠商和3家芯片廠商聯合投入12億元推動TD-SCDMA終端產業的進程。
    2009年12月17日,也就是7個月后,TD-SCDMA終端專項激勵資金聯合研發項目瓜熟蒂落,首批11款G3手機精彩亮相。
    (3)客戶為王 強勢出擊
    依托于3G特點,推出大量新的業務,並非設置了相應的業務組織。相較于其他兩家,中國移動創新意識更強,營銷手段更靈活,服務水平也最好。
    借助強大的研發投入和明確的政策支持,中國移動在2009年末終於要推出一批全新G3手機了。無論是國產品牌還是與國際品牌合作研發,G3手機都代表了目前掌上終端的先進水平。這是一場沒有退路的戰爭,G3手機的發布,它的號角已經越吹越響。
 

1 引言

    最近,光電組件正在向類似于電子元器件的表面安裝封裝方向發展。在上世紀90年代中期,為實現光通信網絡市場所需求的低成本和小尺寸封裝,已開發了C-CSP(陶瓷-芯片規模封裝),以使C-CSP替代薄型小外形封裝(TSOP)、四側引腳扁平封裝(QFP)等,適應封裝市場需要的CSP要具備以下條件:
   ①從現有的封裝生產方式中獲得大容量的利用率;
   ②好的板級可靠性,TCT達1000次(-25-125℃);
   ③月產量為1百萬只,每個低成本插件為0.8美分。
C-CSP則符合上述全部條件,並已應用於許多消費類電子產品,如數字視頻便攜式攝像機、移動手機等。然而,由於光組件一般比電子部件大得多,所以具有印刷布線板(PWB)的光組件組裝在可靠性方面不太穩定;又由於傳統的封裝結構在管殼中有金屬導線。為提高板級的可靠性,則用焊料將金屬導線與PWB連接在一起。實用化的表面安裝形式是第二級組裝與基板的焊接片互連,諸如平面柵格陣列(LGA)和球面柵格陣列(BGA)封裝。

    2 光BGA概念
    光BGA封裝是在管殼的下部表面陣列式排布許多球形焊接凸點,集成電路芯片可採用倒裝焊或引線鍵合載帶自動焊(TAB)安裝在管殼上部表面上,如圖1所示。
    光BGA封裝是高密度、高I/O數應用領域中的重大突破,是最實用、最便宜、可靠性高、性能好的一種封裝形式,已成為上世紀90年代封裝的主流技術。光BGA封裝技術的優點是:
●減少了封裝部件的數量,封裝尺寸小,I/O數密度高;
●適合於採用SMT,與通常線焊相比無引線損傷問題;
●引腳短,縮短了信號路徑,減小了引線電感和電容,改善了電氣性能;特別適合於多引線器件封裝;
●RF線可直接與低插入損耗的PWB焊片連接,熱沉位於PWB焊片下面,可直接散熱,獲得良好的熱特性。
●封裝成品率高,效率高,降低了成本;
●安裝與焊接方便,焊接可靠性高;
●有自對準效應,對準精度要求低,生產效率高;
●適合於多芯片組件(MCM)封裝需要,有利於實現MCM的高密度、高性能。
   光BGA封裝技術可滿足微型化、低成本的高速信號傳輸網絡市場需要。BGA封裝不僅優化了表面安裝技術,並對MCM的發展也起到重要作用。光BGA封裝技術有待于解決的問題有:BGA與基板材料間的熱膨脹係數匹配問題;有採用PWB的光組件可靠性不太穩定的問題。

    3 光BGA封裝材料
    光BGA封裝管殼常採用陶瓷材料,這種堅固耐用的陶瓷材料有許多優點,如具有微型設計規則的設計靈活性、簡易的工藝技術、高性能和高可靠性,一般通過改變管殼的物理結構即可進行光BGA封裝設計。
    陶瓷材料還具有氣密性和良好的一級可靠性。這是由於陶瓷材料的熱擴散係數與GaAs器件材料的熱擴散係數非常相近。而且,由於陶瓷材料可採用重疊的通道進行三維布線,將減小整個封裝尺寸。
    在一般情況下,由於熱量可使管殼變形,所以安裝光器件時必須控制熱量。光器件與光纖的最後對準還可產生移動,這將改變光特性。採用陶瓷材料則熱變形很小。因此,陶瓷材料很適合於光電組件封裝,並對光通信傳輸網絡市場產生重大影響。

    4 光BGA封裝特性
    光BGA封裝有兩個主要特性:電特性和熱特性。
    4.1 電特性
    為了獲得高速傳輸(10Gb/s)性能,關鍵是從激光二極管(LD)的焊片到焊接凸點通道要進行最佳化的電子設計。高速表面安裝封裝必須將通路孔設計、內部圖形和用於焊接凸點的焊片這三個重要部分最佳化,以便獲得最佳阻抗匹配。傳統封裝結構的電信號連接是從管殼的上部直接到下部,無阻抗匹配控制。在陶瓷的每個面上完成信號圖形和接地圖形,再通過通道孑L進行連接。當傳輸高速信號時,這種傳統結構很不穩定。而改進后的光BGA封裝結構則有良好的阻抗匹配控制,可獲得穩定的高速信號。圖2示出傳統的封裝結構與改進后的光BGA封裝結構的比較。
    為實現高速傳輸,光BGA封裝結構必須最佳化:
●通路孔最佳化
    為使與LD連接的上部圖形最佳化,可採用共平面連線。為使通路孔最佳化,設置了接地通道以便控制阻抗。通過調節控制信號與接地線之間距離便可控制阻抗。
●內部圖形最佳化
    內層設計也必須進行阻抗匹配。圖3為改進后BGA封裝結構的內部圖形,在信號線週圍設置了一個信號通路和多個接地通道。為獲得阻抗匹配,還要將接地通道位置的距離和角度進行最佳化。
●焊球焊片最佳化
    焊球與接地線之間的電容值是一個重要參數。一般在減小面積的同時還要控制阻抗。為減小尺寸而減小焊接片與信號通道間的距離,則可導致高電容和低阻抗。所以,為控制阻抗,內部接地層的間隙必須大於信號焊片直徑。

    4.2 熱特性
    傳統的封裝結構在管殼中有金屬導線。為提高可靠性,則用焊料進行金屬導線與PWB之間的連接,但其缺點是所產生的熱量可導致管殼變形,所以安裝光器件時必須控制熱量。此外,為獲得最小化和低成本,光BGA的封裝中包括驅動器集成電路(1C),然而,該驅動器IC可產生1.5W的熱量,並可影響LD性能,對LD的光功率和板極可靠性有較大影響。通常速率為2.4Gb/s的DFB-LD所要求的工作溫度為0-70℃,因此驅動器IC所產生的熱量必須控制在該溫度範圍以內。採用Cu-W製成的熱沉有極好的散熱能力。已設計了用於大規模集成電路(LSI)組件區和DFB-LD組件區的熱沉。圖4中示出了模擬組件,並在表1中示出其測量數據。光BGA封裝具有良好的熱特性。儘管LSI產生1.5W的熱量,但LD組件區卻可保持在70℃以下,以保証LD性能不會下降。
    在圖5中示出了典型的最佳化光BGA封裝特性的測量結果。在傳輸速率為2.5GHz時,回波損耗為-20.83dB、插入損耗為-0.09dB;在傳輸速率為10GHz時,回波損耗為-19.00dB、插入損耗為-0.96dB。此外,在300次無故障中進行二級組件可靠性測試,証明在苛刻環境中,採用光BGA封裝的LD性能沒有下降。

    5 發展趨勢
    目前,由於對更高數據傳輸速率、低成本和系統微型化的需求,正在促進用戶系統的傳輸容量大幅度增長。隨着因特網容量的急劇擴大,需要高速率傳輸系統。目前,2.4Gb/s速率傳輸網絡和10Gb/s速率數據通信網絡領域市場正在增長。在圖6中示出了短距離局域網絡的光電組件封裝發展趨勢:光電組件將從分離型轉向MCM型、從導線型轉向球形連接型。而且,由於非致冷組件的出現,在2004年將可實現40GHz的定向調製器。為了向MCM封裝方向發展,不僅要開發光電器件技術,也要開發光電器件封裝技術。此外,MCM封裝技術的發展也決定了光電子器件市場的發展。
    目前,光BGA以其性能和價格優勢正成為封裝的主流技術。為滿足高速信號傳輸、微型化和低成本光傳輸網絡需要,光BGA封裝技術還在不斷髮展。未來將進行高頻封裝的高密度設計,不斷開發包括低損耗布線和低介電陶瓷材料在內的新型材料,並將按照系統級可靠性進行2nd組件可靠性測試。