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应用底部填充加固无铅CSP焊点

电子组装厂商必须要确保消费者所期望的可靠性，而底部填充无异是实现这一功能特性的最佳方法之一。

RoHS的实施期限已经过去了一年了，不能享受豁免 的产品正在较好地应用无铅材料，制造厂商选择无 铅锡膏制造他们的产品也有较长时间了；可能有人
会因此而认为，与无铅相关的大部分问题应该早已得到了解 决。然而事实上，围绕锡银铜（SAC）合金和锡铅合金的可
靠性对比的很多问题依然存在。由于热膨胀系数（CTE）失 配所引发的无铅焊点失效问题，可以通过底部填充材料来解决，以减轻元器件受到的应力。

尤其是对于用于手持产品和其它移动产品内的芯片尺 寸封装（CSP）和晶片级芯片尺寸封装（WLCSP）器件来
说，其无铅焊点可靠性问题依然存在。由于无铅产品已经在 市场上运行了一段时间，反馈回的数据表明：底部填充技术
可为手持产品的跌落提供很好的保护，同时也可为移动产品 的振动和扭曲提供很好的保护。

随着元器件的功能日益复杂，先进的CSP器件已经发展 到几近于极限，其线宽线距日益变小，这也加大了其失效的
可能性。对于终端用户来说，他不会去考虑这些因素，即使 是用无铅工艺制造的产品，他仍希望这些产品是可靠和可信 任的。

无铅可靠性基础

在电子业界开始研究无铅制造的早期，许多人认为采 用无铅工艺会使焊点可靠性更好，对锡银铜合金的整体测试
结果表明其强度要比锡铅合金的高（图1）。锡银合金的抗 蠕变强度是锡铅合金的两倍以上（表1）。因此，如果把焊
料合金的各种特性作为焊点可靠性最主要的指标，大家会认 为无铅组装的可靠性更高，但事实并非如此，整体合金测试
结果与无铅组装可靠性之间的相关性很弱。在考虑评估无铅 焊点可靠性时，必须综合考虑其它因素，如设计、材料选择 和工艺变化等。

如果综合考虑这些因素，研究数据表明：由于CTE失配，无铅焊点更容易发生失效，对于面阵列元器件来说，
更是如此。由于CTE失配而产生的力会使焊点更容易萌生裂 纹，所以焊点中出现部分蠕变并不是什么坏事。由于无铅工
艺的回流峰值温度较高，容易引起单板翘曲变形，同时无铅
合金的延展性较差，这些会使焊点更容易失效和萌生裂纹。某些类型的封装，例如SOIC和QFP，由于元器件的引脚可
以弯曲，因此可以防止这种情况的出现，但是芯片型封装 元器件的柔性非常有限。因此，当单板出现翘曲变形时，
CSP器件的焊点更为容易萌生裂纹，除非有办法来降低焊 球上所承受的应力。使用底部填充材料能够把应力分散到
CSP的整个表面上，从而降低集中在焊点上的应力，同时 也为元器件和单个焊球提供额外的环境保护。

虽然已有大量的研究表明：使用底部填充材料可以提 高焊点的热循环可靠性，但是，对便携产品的用户来说，
跌落试验或者物理冲击可靠性的重要性丝毫不亚于热循环 的可靠性。新的研究成果证明：新型底部填充材料不仅可
以减轻由热循环造成的焊点应力，它也能够更好地保护焊 点。

提高CSP无铅焊点跌落试验的可靠性

许多研究成果表明：无铅焊点比锡铅焊点的脆性大， 正因为如此，无铅焊点更容易萌生裂纹和破裂，尤其在受
到外力作用（如跌落）的情况下。对于现代手持产品，如
移动电话、PDA、iPod和其它移动通讯产品，跌落的情况经常会发生。同时，这些产品通常使用非常细间距、功能
复杂的CSP器件，这些都向无铅制造提出了挑战，所以，在 这些产品中的无铅焊点出现失效是不可避免的。

所幸的是，目前业界已找到了相应的解决方案，例如 底部填充材料就能够为CSP器件提供良好的可靠性保证，以
解决高温无铅工艺引起的失效。目前可以明确的是，某些 类型的底部填充材料还可以防止在跌落过程中由物理冲击 而造成的失效。

锡铅焊点与采用底部填充的无铅焊点的跌落试验可靠性

在对传统的锡铅焊点与无铅焊点的跌落对比早期试验 中，试验对象是间距为0.5mm、尺寸为8mm的CSP器件
(I/O管脚数为132，布局成三排)，试验条件是从6米的高度 跌落到不锈钢上。使用的锡铅焊膏是Sn63Pb37，无铅焊膏 是SAC387。

为了评估底部填充材料提供的保护作用，试验对比了 CSP焊点的以下四种情况：锡铅焊点、未使用底部填充材料
的无铅焊点、应用传统底部填充材料的无铅焊点、应用新 型柔性底部填充材料的无铅焊点。测试结果进一步表明：
锡铅焊点的可靠性要高于无铅焊点；同时还证明了填充材 料可以显著提高无铅焊点的可靠性。

试验数据也表明：传统的底部填充材料可以提高无 铅焊点的可靠性，而新型材料还能够吸收更多的物理冲击
力，从而可以为特殊场合应用的产品提供更有效的可靠性 保护(图2)。另外，根据跌落试验数据可得出焊点特征寿命
(63.2％的焊点都发生失效所对应的点) 参数，该数据再次证 明：含有助焊剂的较柔性的新型底部填充材料的性能比硬
度较高的传统底部填充材料更好（表2）。

晶圆级CSP无铅焊点的可靠性

我们也对WLCSP器件的无铅焊点进行了跌落试验可靠 性分析。试验标准采用JEDEC JESD22-B111，试验样品
是0.4mm引脚间距、192个I／O管脚数、大小为7×7mm的 WLCSP器件，其采用SAC305无铅焊料。与上述CSP器件焊
点试验结果类似，应用底部填充可大幅地提高WLCSP无铅 焊点的可靠性。柔性的新型底部填充材料具备硬性传统底部
填充材料所没有的显著优点（图3）。

传统的底部填充材料能够为无铅焊点提供一定程度的 跌落试验保护，由于底部填充传统的底部填充材料能够缓解
材料间的CTE失配，因此能够改进热循环的可靠性。但是， 这些材料较硬、较容易破裂，因此有必要研制新的材料，以
吸收更多的物理冲击力，进一步提高焊点的可靠性。前面所 引用的试验数据表明：应用高柔性、高弹性模量和高断裂韧
度的新型底部填充材料可以大幅地提高对焊点的保护作用。

缓解移动产品中焊点应力的经济型解决方案

虽然新型的毛细流动底部填充可以大幅提高对手持式 产品中CSP的跌落保护，还有一种类型的底部填充可以提高
移动类产品（如笔记本电脑、台式机和游戏机）的可靠性，
这类产品不像手持式产品，它们不会受到频繁的跌落冲击，振动也大多只发生在产品运输或成品装配环节。在这种情况下，提高可靠性或应力保护的最经济的办法是使用四角或边角邦定(Conrner
Bond)的底部填充技术。

使用边角邦定底部填充技术的过程是：在元器件贴片 前，先在CSP焊盘位置的四角点涂填充材料成点或线（图
4），可以在正常回流时完成固化。这种方法可以实现良好 的器件保护，而且不需要额外使用专用的点涂设备和固化
炉，同时生产效率UPH（每小时产出的单板数）最高。另 外，最新研发的边角邦定技术具有自对中特性，这样元器件
在正常的回流过程中可实现自对中，并实现高直通率和更好 的长期可靠性。

结论

RoHS的推行使无铅制造业已成为电子行业的标准，但 无铅工艺还存在许多问题需要解决，有些问题还尚未暴露，
其中无铅焊点可靠性和长期稳定性就是最大的隐患。已有研 究成果证明了底部填充材料有助于避免无铅焊点在热循环条
件下出现失效方面的价值。现在，对于手持和移动通信产品 中使用的CSP和WLCSP器件，新型底部填充材料能大幅地

提高其无铅焊点的跌落试验可靠性性能。同样地，对于移动 类产品（如笔记本电脑和游戏机）而言，边角邦定技术比传
统的毛细流动底部填充技术更为经济。

消费者对产品的功能需求日益丰富，推动产品的微型 化发展，这种趋势对于传统的锡铅工艺都构成了足够的挑
战，然而元器件尺寸的缩小，引脚间距的缩小，再加上无铅 工艺所提出的制造挑战，这些需求汇聚在一起，要实现这些
需求变得更为困难。新型材料技术，如新型柔性底部填充材 料和改进型边角邦定填充材料，是应对上述难题的最佳解决方案之一。

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