實現(xiàn)高成本效益的無鉛組件電鍍

在JEITA和歐盟的《限制有毒物質(zhì)指令》(RoHS)與《電氣及電子設(shè)備廢料指令》(WEEE)公布的最后期限之前實施一種高成本效益、可靠的無鉛電鍍策略，已經(jīng)成為電子組件制造業(yè)在過去幾年來的共同目標(biāo)。

對于半導(dǎo)體組件供貨商而言，主要的挑戰(zhàn)在于選擇一種成本效益高并且不會產(chǎn)生可靠性問題的策略和制程，實施與無鉛焊料的前向兼容以及與含鉛(Pb)焊料的后向兼容。對現(xiàn)有的無鉛替代方案進(jìn)行審查并權(quán)衡這些選擇之后，擬定可行的策略。

對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行研究，并透過與知名組織(如iNEMI和JEDEC)交流互動對電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)行評估，任何組件制造商均可從眾多無鉛鍍層解決方案中精選出若干方案。安森美半導(dǎo)體首先考慮了五種外部鍍層。每一種解決方案都有優(yōu)勢和劣勢。其中包括：
? 錫－銀(Sn-Ag)鍍層
? 錫－鉍(Sn-Bi)鍍層
? 錫－銅(Sn-Cu)鍍層
? 預(yù)鍍鎳－鈀－金(Ni-Pd-Au)導(dǎo)線架
? 純霧錫鍍層

Sn-Ag鍍層的錫含量約為3.5%，具有良好的可焊性和機(jī)械屬性。但是Sn-Ag鍍層容易產(chǎn)生錫胡晶(tin whisker)，這是所有高錫含量替代方案的主要可靠性風(fēng)險。由于材料成本較高并且鍍浴控制程序復(fù)雜，Sn-Ag鍍層比較昂貴。從‘總擁有成本’的角度考慮，Sn-Ag鍍層并不能作為一種完全可行的選擇。

自2000年，以Sn-Bi用作鉛鍍層已在日本得以廣泛應(yīng)用，因此人們開始密切關(guān)注這一系統(tǒng)。當(dāng)鉍含量為3%時，Sn-Bi的熔化溫度約為220℃，選擇該鍍層肯定可行。但是Sn-Bi材料易碎，鍍層控制復(fù)雜，而且它會產(chǎn)生錫胡晶。關(guān)于鉍的真實毒性也有疑問，且含鉛焊料后向兼容性問題仍存在爭議。內(nèi)部屏蔽實驗和調(diào)查確認(rèn)了這些Sn-Bi問題的存在，所以這種鍍層只能作為臨時解決方案。

Sn-Cu鍍層可形成一種銅含量為0.7%的高強(qiáng)度低熔點合金，其熔點為227℃。此鍍層的價格相對低廉，且具有良好的可焊性。但是Sn-Cu容易產(chǎn)生錫胡晶，甚至合金成份的微小改變就會大大改變共晶溫度。由于精確控制鍍層成份困難，且Sn-Cu鉛加工與合金(Alloy) 42導(dǎo)線架不兼容，所以該系統(tǒng)不能作為一種可行的解決方案。

預(yù)鍍的Ni-Pd和Ni-Pd-Au導(dǎo)線架作為無鉛焊接的替代方案，于1989年首先由德州儀器(TI)引進(jìn)。其主要優(yōu)勢在于該技術(shù)適于商業(yè)應(yīng)用，且封裝制程得以簡化。但是對大批量產(chǎn)品應(yīng)用而言，Ni-Pd-Au解決方案不具備優(yōu)勢，主要原因在于其成本較高，而且根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)記錄，該方案存在可靠性問題。此外，鍍層在彎曲時會發(fā)生斷裂，而且在焊接、引線接合和成形時也存在問題。

鈀和金成本高且難以預(yù)計，導(dǎo)線架的供貨商數(shù)量也有限，這些都是該方案的劣勢所在。由于此鍍層系統(tǒng)與Alloy 42導(dǎo)線架不兼容，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步受限。因此，對于大批量生產(chǎn)線而言，這種解決方案不是一種可行的替代方案。

純霧錫(matte tin)是大批量半導(dǎo)體制造商鍍層應(yīng)用的首選。其原因眾多。對于各種導(dǎo)線架而言，霧錫制程不僅具有良好焊接特性，而且它是一種低成本解決方案，不存在Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Cu系統(tǒng)中的雙合金成份控制問題。

霧錫解決方案得以廣泛應(yīng)用的另一個關(guān)鍵因素是其供應(yīng)充足，此因素與上述技術(shù)密切相關(guān)。霧錫最重要的一個優(yōu)勢可能在于它可與含鉛焊料后向兼容。鑒于世界上許多無鉛政策在執(zhí)行上存在延遲，這種后向兼容仍較為重要。由于安森美半導(dǎo)體在特定應(yīng)用中使用霧錫有悠久歷史，因此霧錫制程解決方案已成為大多數(shù)需要無鉛外部鍍層的公司的首選。
風(fēng)險考慮

上文討論了鍍層成份的選擇問題，現(xiàn)在我們將重點探討可降低風(fēng)險的策略，該方案必須可以有效地解決與該鍍層形成錫胡晶相關(guān)的可靠性問題。研究表明，下列四種方案是減少錫胡晶產(chǎn)生的最可行解決方案：
? 對霧錫鍍層進(jìn)行退火
? 增加霧錫鍍層的厚度
? 在鉛鍍層中加入鎳阻劑
? 對錫鍍層進(jìn)行重流
就減少胡晶的問題而言，成本效益最高的方案是對鍍錫層進(jìn)行退火。大量研究表明，在銅基板上對錫鍍層進(jìn)行退火可以大大減少胡晶的產(chǎn)生。具體操作方法是在溫度為150℃下，對錫鍍層進(jìn)行一小時的退火。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)記載，在鍍層操作完成后24小時內(nèi)對錫鍍層進(jìn)行退火較為有效。

從文獻(xiàn)中我們可以清楚了解，盡管錫鍍層的最佳厚度尚不清楚，錫沉積越厚，越不容易產(chǎn)生胡晶。根據(jù)文獻(xiàn)中提供的參考數(shù)據(jù)，安森美半導(dǎo)體方案中的錫鍍層仍將集中介于7.5至12.5微米之間。我們相信，該方案可以在不影響鍍層質(zhì)量的前提下，減少胡晶，提高成本效益。

另一種被廣泛認(rèn)可的減少胡晶方案是在錫鍍層上加入鎳阻劑。然而，在鍍層上加入鎳會使許多產(chǎn)品的成本增加，在市場上失去價格競爭力。此外，眾所周知，盡管鎳阻劑會使胡晶增加數(shù)倍，但這很大程度上取決于所使用的錫鍍層浴類型。大家普遍認(rèn)為，鎳之所以可以減少胡晶產(chǎn)生，原因在于它會對錫鍍層中的應(yīng)力產(chǎn)生影響。
由于使用鍍鎳減少胡晶的產(chǎn)生取決于所使用的錫鍍層浴，安森美半導(dǎo)體采用的對策側(cè)重于選擇基于甲基硫酸(MSA)的錫鍍層化學(xué)方法。MSA電鍍化學(xué)方法不僅可以控制錫鍍層中產(chǎn)生的應(yīng)力，而且可以產(chǎn)生一種不易產(chǎn)生胡晶的鍍層。

文獻(xiàn)也討論到，另一種減少胡晶的方案是在錫熔點232℃以上進(jìn)行錫重流，但是這種處理方法的有效性尚不清楚。因此，錫重流不能作為減少胡晶產(chǎn)生的制程。但是，安森美半導(dǎo)體采用的方案包括了采用重流測試作為確定整體霧錫制程有效性的方法。這種方法在很大程度上重復(fù)了最后的封裝制程。

需要對所有含大量錫的鍍層進(jìn)行持續(xù)測試和檢查，以確保胡晶的產(chǎn)生得以控制。用于錫胡晶評估的測試條件和檢查程序在過去幾年中發(fā)生了重大變化，可以將其看作是一個移動的目標(biāo)。JEDEC和iNEMI的動議已經(jīng)帶動了越來越多的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以確定進(jìn)行上述評估所運用的方法。安森美半導(dǎo)體將嚴(yán)格遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22A121中的建議。該標(biāo)準(zhǔn)不僅要求對特定的溫度循環(huán)、環(huán)境溫度/濕度儲存和高溫/高濕度存儲進(jìn)行測試，還規(guī)定了所需的錫胡晶檢查程序。
除了監(jiān)測當(dāng)前的電鍍化學(xué)方法外，還將在這些新近議定并得以標(biāo)準(zhǔn)化的JEDEC測試條件下進(jìn)行實驗，以便將樣品組錫胡晶與下列屬性相比較。
1. 霧錫鍍層的厚度范圍為5至15微米
2. 重流與不重流的比較
3. 銅導(dǎo)線架與鍍銅Alloy 42導(dǎo)線架的比較
4. 基于MSA的不同錫鍍層浴化學(xué)方法