半导体分立器件行业用焊料现状

张焕鹍 朱捷 赵朝晖 卢茂成

一、焊料在半导体封装行业中的作用

在半导体分立器件封装行业中，焊料的作用是通过焊接将引线、框架与晶粒进行连接，形成牢固的电路导通和热传导，使元器件具备稳定、可靠的使用性能。根据分立器件封装工艺及应用要求的特点，焊料需满足的要求有以下3方面：熔点高于260℃——满足二次回流（无铅回流焊）中封装焊点不熔化；合金硬度小——半导体晶片较脆，受到合金应力及后道加工过程影响，容易被挤碎；润湿——能够与铜、银、镍形成牢固的冶金结合。

目前行业中广泛使用的合金为锡（Sn）-铅（Pb）-银（Ag）、Sn-Pb系列合金，详见表1。由于没有合适的无铅焊料可以替代，所以尽管《在电子电气设备中限制使用某些有害有害物质的指令》（ROHS指令）限制了Pb的使用，但在半导体封装行业焊料仍属于豁免项。

在半导体分立器件中，整流桥、二极管、功率模块、可控硅等都会使用到焊料。根据焊料的使用工艺不同，焊料的形式主要分为焊膏、焊丝、焊片3类。其中轴向二极管使用焊片，其他二极管及整流桥、功率模块多使用焊膏，可控硅使用焊膏和焊丝。

二、焊料的种类

半导体分立器件封装行业使用的焊料按形态分主要分为焊膏、焊丝、焊片3种，如图1所示。而随着表面贴装技术（SMT）的发展，电子组装中原有插装元件逐步被贴片元件替代，使近年来轴向二极管的需求量受到一定影响。焊膏以其膏状的不定型特性、涂覆方式的多样性，越来越多地取代了原有焊片、焊丝。

1.焊膏

焊膏，顾名思义，是膏状的焊料，是由合金焊粉与助焊膏按质量比约9∶1、体积比约1∶1混合而成的膏体。其中，焊粉焊后形成最终的焊点。而助焊膏是在焊接过程中，起到还原焊粉与被焊接件表面的氧化层助焊的作用。焊膏根据焊料的涂覆工艺不同，具备不同的流变特性。

2.焊丝

焊丝是焊料合金通过挤压形成的丝状焊料。常用的焊丝有直径Φ0.5mm及Φ0.76mm两种规格，直径与单个元件的焊料用量有关。这里存在一个误区，传统的焊锡丝是有药芯的，而高温焊丝是纯金属丝，自身不具备还原性。因此焊丝的抗氧化性能，直接关系到焊接时铺展润湿及焊后空洞率。

焊丝合金中含有某种微量元素，用来降低合金熔化状态下的表面张力，增强焊料的铺展润湿能力，如图2所示，同时有助于提升合金自身的抗氧化性能。

三.使用工艺

1.焊膏工艺

焊膏的使用分为2部分：涂覆与焊接。焊膏涂覆首先锡膏通过3种工艺涂覆到焊接位置：针筒点涂、针转移沾胶、钢网印刷，如图3。点涂工艺膏量控制精准，自动化程度较高，根据生产产品的结构不同，可选用不同样式的点胶针头，有1出1针头、1出4针头，甚至1出20针头。

针转移工艺粘胶效率较高，但膏量精准度较点涂工艺低，适用于50min左右的膏量要求，可同时完成500～1 000的沾胶点。但针转移工艺无法满足大面积焊膏涂覆要求。

印刷工艺，大面积涂覆工艺，适用于大晶粒焊接的情形。

2.焊接工艺

目前焊接工艺从锡膏角度（焊接时间）讲，可分为2类：长曲线焊接与短曲线焊接。

长曲线焊接，该工艺焊接时间较长，一般在50～120min之间，其中加热段均控制在30min以内，焊接设备已隧道炉为主。短曲线焊接，焊接时间控制在6～8min，分段加热，炉子结构多为设备厂家自行设计。

3.焊丝工艺

高温焊丝通过自动焊接设备完成。设备将焊丝剪断后，在充满还原性气氛下，放置到高温焊盘上熔化，并通过强制铺展，进行晶粒焊接。

四、焊料应用中的关键点

1.合金

合金关系到焊料的熔点、润湿铺展性能，以及焊后焊点的力学性能、电性能、导熱性能等，是焊料的第一关键指标。

以Sn5/Pb92.5/Ag2.5合金为例，由于Pb-Cu属于难混溶体系，因此在与铜框架焊接时，Sn、Ag与Cu可形成了稳定的金属化层，尤其是Ag的存在，对焊料在Cu表面的润湿及焊点的强度起到至关重要的作用。因此尽管国标中规定Sn5/Pb92.5/Ag2.5中Ag含量为2.5%±0.5%（质量分数），一些负责任的焊料厂家会把Ag含量控制在2.5%±0.2%（质量分数）或2.5%±0.3%（质量分数），以保证Ag对合金的可靠性。

2.空洞

空洞是分立器件生产过程中的常见问题，主要影响分立器件的电性能，对二极管正向电压、正向浪涌有一定影响。同时空洞位置截温高、发热大、影响散热，对功率元件影响更为严重。

形成焊点空洞的因素很多，但主要与焊接表面氧化层（晶粒可焊性）、表面结构（预开槽、凸点）、焊料中助焊膏挥发、焊接工艺有关。使用X-ray检测可清晰观察到焊接空洞，并通过空洞的形状、分布分析空洞形成的机理，如图4所示。根据在使用工艺、焊接工艺的调整，一定程度上可以弥补表面氧化层与结构的缺陷。

3.残留物清洗

残留物清洗是厂家比较关注的问题。由于半导体焊膏焊接温度高、焊接时间长（隧道炉焊接），松香基助焊膏在经过长时间高温后，会出现固化、烧焦的情况，焊后清洗成为问题。

厂家常选用异丙醇、无水乙醇、美纱克隆等溶剂与三氯乙烯、二氯乙烷等清洗力较强的溶剂混合使用，在高温、超声工艺下进行清洗。随着企业环保要求、安全意的识日益提高，溶剂类清洗剂毒性大、易燃易爆的问题逐渐暴露出来，因此除了溶剂类清洗剂外，生产厂家还可选用水基清洗剂。

五.半导体焊料未来的发展

1.无铅合金

尽管目前半导体封装焊料处于RoHS豁免阶段，但焊料行业始终未停止对无铅高温合金的研究与探索。近期Sn/Sb/Ni合金的出现，引起了封装行业的关注，其260℃的固相温度，已达到二次封装的要求的下限。但由于该合金硬度偏大，在现有工艺下制程下，在大晶片封装时会受到一定的限制。相信不久后通过产品结构设计、工艺改进，无铅合金能够在现有产品中得到应用。

2.合金细分

目前行业内使用的焊料合金以Sn5/Pb92.5/Ag2.5为主，有些企业为二次封装还会选择与Sn5/Pb92.5/ Ag2.5有熔化温度梯度的Sn10/ Pb88/Ag2及Sn10/Pb90搭配使用。而随着上下游行业的发展，元件的应用行业细分会越来越关注合金性能与元件使用环境的匹配。例如Sn1.5/ Pb97.5/Ag1.0在汽车电子行业的应用，就是考虑到该合金拉伸强度方面的特性。

3.残留物

焊膏焊后残留物清洗问题将是未来焊膏技术发展的重点，发展方向主要分为2个方面，一是更易清洗的残留物；二是开发超低残留焊膏。

目前行业内焊膏中助焊膏的含量约为10%～14%（质量分数），而焊接完成后助焊膏残留物的量约占焊点的3%～5%（质量分数），而新型焊膏残留物的量可降低至0.2%～0.4%（质量分数）。同时新型焊膏的残留物性状稳定，不会与黑胶发生化学反应，在绝缘电阻、电迁移性能方面亦能够满足行业要求。因此超低残留焊膏使用，将有效减少厂家的生产工序，提升生产效率。

六、综述

目前半导体分立器件行业发展迅猛，半导体企业在焊料使用工艺上也各有创新。随着半导体企业与焊料企业、设备厂家的合作、开发，焊料的质量、性能将得到进一步的提升。