功率模塊錫膏清洗劑合明科技分享：微波功率模塊焊接工藝研究

功率模塊錫膏清洗劑合明科技分享：微波功率模塊焊接工藝研究

摘　要： 微波功率模塊是雷達收發組件的重要組成部分，其焊接質量和裝配效率對有源相控陣雷達的性能及研制速度非常重要。介紹了微波功率模塊焊接所采用的分步焊接、階梯焊接和一次性焊接等三種工藝方法的特點，分析了工藝控制的關鍵參數和控制要點。以某型號雷達微波功率模塊的裝焊為對象，分別利用3種工藝方法對微波功率模塊進行焊接，從生產效率、焊透率以及生產工藝性等方面對工藝方法進行對比分析。試驗結果表明，對于器件數量較多的微波功率模塊，優選一次性焊接工藝，次選階梯焊接或分步焊接，對于器件數量較少的微波功率模塊，優選分步焊接。
關鍵詞： 大面積焊接；微波功率模塊；梯度焊接

發射/接收（T/R）組件是廣泛應用于機載、艦載、星載和彈載等新一代固態有源相控陣雷達的核心部件。其中，微波功率模塊實現發射信號的合成和放大，是T/R組件中非常重要的組成部分。由于微波功率模塊數量多、體積小、集成度高、電性能要求高、可靠性要求高和電磁兼容問題突出，采用傳統的制造手段已無法滿足整機小型化、集成化和高可靠性的需求。比如，微波功率模塊裝配質量的優劣、微波性能的一致性，對確保T/R組件的高性能起到了關鍵作用，同時還需要兼顧考慮生產周期和產能等要素。因此，微波功率模塊的焊接工藝對T/R組件的性能以及研制進度具有重要影響，是有源相控陣雷達研制過程中的重要研究方向。

本文介紹微波功率模塊的三種焊接工藝，并通過分析比較，確定了各自的應用條件。

1 微波功率模塊焊接方法

微波功率模塊由金屬基板、微波介質板和元器件構成，見表1。其焊接內容包括微波介質板大面積焊接和元器件焊接兩部分。微波功率模塊焊接工藝主要有分步焊接、階梯焊接和一次性焊接等三種方法，每種方法都能實現微波功率模塊器件的焊接，但是它們存在各自的優缺點。主要依據產品的結構特點、器件類型及數量、產能要求、微波性能要求、可靠性要求以及生產設備的能力等選擇合理的焊接工藝。

1.1 分步焊接

分步焊接工藝是指微波功率模塊采用回流焊接和手工焊接分步實施的工藝方法，工藝流程如圖1所示。該工藝一般分成兩大工序，首先采用大面積焊接工藝，實現微波介質板與金屬基板的高可靠連接，確保滿足散熱性能要求和微波接地要求；其次采用手工焊接工藝，實現阻容貼片元件、集成電路QFN和功率管等所有元器件的手工裝焊。

該工藝主要適用于元器件數量較少且易于手工焊接的微波功率模塊。它的優點是操作簡單方便，不需要大型生產設備，工裝設計簡單。不過，手工焊接存在一定的缺陷，一方面，容易存在元器件的錯焊和漏焊等問題，需要做好器件符合性檢查；另一方面，針對一些接地的焊點，由于印制板已經與底板焊接，導致印制板的接地焊點熱容較大，焊接難度大。

1.2 階梯焊接

階梯焊接工藝是指微波功率模塊采用低溫焊料焊接元器件和常溫焊料焊接微波介質板與殼體的工藝技術，兩種焊接工藝相結合使用。階梯焊接的工藝流程如圖2所示。首先采用表面貼裝技術（SMT）工藝，實現元器件與微波介質板可靠高精度焊接；然后采用大面積焊接工藝，實現微波介質板與金屬基板的高可靠連接，確保滿足散熱性能要求和微波接地要求。

該工藝主要適用于元器件適合表貼，并且數量多和類型復雜的微波功率模塊。它的優點是自動化程度高、裝配效率高、模塊焊接一致性好和可靠性高；缺點是兩種焊料體系梯度焊接，工藝窗口小，溫度控制難度大。

1.3 一次性焊接

一次性焊接工藝是指將SMT工藝和大面積焊接工藝相結合，實現微波功率模塊元器件、微波介質板和殼體同步焊接，其工藝流程如圖3所示。一次性焊接工藝先進行SMT工藝，完成微波介質板焊膏印刷和元器件貼裝，再進行大面積焊接工藝，完成殼體點涂焊膏以及微波介質板、金屬基板和工裝的裝夾，最后進行一次性回流焊接。

一次性焊接工藝主要適用于適合表貼，并且元器件數量多和類型復雜的微波功率模塊。它的優點是自動化程度高、一致性好和可靠性高，而且只需一次回流焊接工序，使得工序簡化[1]，但該方法對工裝設計要求較高。

2 微波功率模塊焊接工藝的控制要素

微波功率模塊三種焊接工藝有五個關鍵工藝技術要素，分別為大面積焊接阻焊技術、焊接溫度窗口控制、大面積焊接工裝設計、殼體內焊膏點涂技術和自動化焊接工藝。

2.1 大面積焊接阻焊技術

在大面積焊接過程中，阻焊劑（膠）會阻止焊料從焊接區滲透到非焊接區，并且焊接后，可輕易去除[2]。焊料的流淌主要與爐溫、工裝施加到印制板的壓力、焊料涂覆與非焊接區域的距離以及印刷網板的占空比等因素有關。經過大量的工藝試驗和產品應用表明，以上四個因素控制得當，可以不用阻焊劑（膠），同樣可達到控制焊料從焊接區流淌到非焊接區的效果，并且工藝過程中，減少了涂覆阻焊膠的工步，提高生產效率。

2.2 焊接溫度窗口控制

階梯焊接工藝在器件的封裝和集成電路封裝中已得到了廣泛應用，同時也可應用于微波電路功能模塊的焊接應用[3]。微波介質板先經過SMT焊接（采用常溫焊膏），后經過大面積焊接（采用低溫焊膏）。在大面積焊接時，需要監測印制板表面器件焊點處的峰值溫度，不能高于甚至接近首次焊接所用焊料的熔點，否則，器件會重熔。所以，在大面積焊接過程中，需要對再流焊爐的性能進行跟蹤監測，操作比較繁瑣。

針對焊接質量要求較高的產品，需掌握再流焊爐溫度變化特性。首次生產時，每間隔一個小時監測一次爐溫變化，當了解了爐溫的情況后，每周跟蹤兩次，監測爐溫是否發生變化，如果比設定好的溫度曲線偏離±5 ℃，需要重新調整溫度曲線。

由此可見，階梯焊接工藝的難度較大，需要控制工藝窗口，而分步焊接和一次性焊接則不涉及該問題。

2.3 大面積焊接工裝設計

大面積焊接中工裝設計是非常關鍵的技術，需要考慮工裝材料（鋁合金、石墨和不銹鋼等）[4]、壓力分布均勻性、工裝透氣性、工裝熱容大小、印制板受壓方式及壓力大小。

針對壓力位置，分步焊接工藝中，微波介質板表面平整，工裝的施壓位置不受限，只需考慮受力均勻；而階梯焊接和一次焊接工藝中，微波介質板的受力位置不能干涉焊好的元器件，如果無法避免器件干涉問題，那么該器件的焊接工序調整到引腳器件焊接工序中，同時，在網板設計時，考慮該器件不設計焊膏印刷區域。

2.4 殼體內焊膏點涂技術

殼體點涂焊膏技術是通過選擇合適黏度的針筒焊膏和針頭內徑，同時配合自動化點涂設備，在殼體內自動涂覆并居中均勻分布焊膏[5]。在分步焊接與階梯焊接工藝中，大面積焊接工序的焊膏通過印刷機印刷在微波介質板的背面，而在一次性焊接工藝中，微波介質板上表面印刷焊膏后，下表面無法印刷焊膏，采用殼體點涂焊膏的技術，可以實現焊膏的涂覆。

2.5 自動化焊接工藝

生產的智能化要求全設備能夠聯網運行，微波功率模塊的分步焊接工藝無法實現自動化生產，而階梯焊接工藝和一次性焊接工藝中，可實現微波功率模塊焊接全自動化生產。

通過三種工藝方法所涉及的工藝技術比較，得出生產過程的實現難度由低到高分別為：分步焊接、一次性焊接和階梯焊接。

3 微波功率模塊焊接工藝對比研究

以某型號雷達中的功放模塊為例，抽樣數為3 000只功放模塊，物料類型及數量見表2，分別采用三種工藝形式，各生產1 000只，進行生產效率、焊透率和焊接工藝性對比分析研究。

3.1 生產效率比較

采用三種微波功率模塊焊接工藝分別生產1 000只模塊，根據統計，人員配置及產能見表3。

通過表3可見：1）從產能比較，使用階梯焊接工藝方式大約是分步焊接工藝方式的4倍，而階梯焊接工藝與一次性焊接工藝相當，可見，階梯焊接工藝和一次性焊接工藝效率較高；2）與其他焊接方式比較，分步焊接的手工焊接工序占用工時多，并且比例較高，嚴重影響了生產效率。

3.2 焊透率分析

三種工藝方式下生產的微波功率模塊，分別抽取了5只模塊，觀察基板空洞率，計算焊透率并進行對比，試驗結果見表4。

通過表4的比較分析得出，三種焊接方式的焊透率都滿足大于80%的指標要求，并且焊透率大小相當。

3.3 工藝性評估
三種微波功率模塊焊接工藝使用的工藝技術類型有所差別，具體見表5

通過表5的比較得出，三種焊接方式的工藝難度系數由高到低依次為階梯焊接、一次性焊接和分步焊接。

4 結論

從微波功率模塊的生產效率、模塊的焊接質量和加工難度等方面，對三種工藝方式進行綜合性比較，從而得出各自的適用場合，以指導生產。1）分步焊接工藝中器件通過手工焊接，焊接一致性差，容易造成錯焊和漏焊等問題，該工藝適用于器件量少的模塊，同時不需要較復雜的工裝設計和大型生產設備；2）階梯焊接和一次性焊接可以實現全自動化生產，器件焊接的一致性好，漏焊和錯焊的概率低，都適用于器件量大的模塊，只是階梯焊接的技術難度大于一次性焊接。

綜上所述，微波功率模塊的貼片器件數量較多的情況下，優選一次性焊接工藝，次選階梯焊接工藝，最后選擇分步焊接工藝；貼片器件數量較少的情況下，優選分步焊接工藝。

參考文獻：

[1]劉波, 崔洪波, 侯相召. 微波多通道T/R組件的自動貼片工藝研究 [J]. 電子工藝技術, 2016,37(4):225-227.

[2]湯俊,劉剛,王聽岳. 大面積軟釬焊中的阻焊技術[J]. 電子機械工程, 2000(2):59-61.

[3]李曉艷, 賴復堯, 王國華. 微波功能模塊溫度階梯焊工藝技術[J].電訊技術, 2008,48(1): 113-116.

[4]左艷春, 劉剛, 朱慶. 工裝材料對微波功率電路焊透率的影響[J].電子工藝技術, 2013,34(5):276-278.

[5]吳鵬. 微波組件大面積接地焊接焊膏自動點涂工藝研究[C]//全國青年印制電路學術年會,2014.

來源：原創 楊海華，楊濤， 高可靠電子裝聯技術

合明科技：芯片封裝之SIP、POP、IGBT水基清洗工藝技術淺析

關鍵詞導讀：

SIP系統級芯片封裝、POP堆疊芯片組裝、IGBT功率半導體模塊、精密電子封裝、水基清洗技術

前言

SIP系統級芯片封裝、POP堆疊芯片組裝、IGBT功率半導體模塊工藝制程中，需要用到錫膏、焊膏進行精密的焊接制程，自然在焊接后會存留下錫膏和焊膏的助焊劑殘留物，為了保證器件和組件的電器功能和可靠性技術要求，須將這些助焊劑殘留徹底清除。此類制程非常成熟，也非常有必要。水基清洗在業內得到越來越廣泛的應用，取代原來熟知的溶劑型清洗方式，從而獲得了安全、環保、清潔的工作環境等等。與溶劑型清洗劑清洗精密組件和器件不同，水基清洗劑在業內的認知度還不是很高，掌握度還不是很到位，在此為了給大家提供更好的參考，列舉了水基清洗制程所需要考慮的幾方面重要因素

一、SIP、POP或IGBT精密器件所需要的潔凈度技術指標

首先要關注到所生產的SIP、POP或IGBT精密器件所需要的潔凈度技術指標，根據潔凈度的要求來做清洗的工藝選擇。所從事的產品類別不同，應用場景不同，使用條件和環境不同，對器件潔凈度的要求也有所不同，根據器件的各項技術要求來決定潔凈度指標。包括外觀污染物殘留允許量和表面離子污染度指標水平，才能準確定義器件工藝制程中所要達到的潔凈度要求。避免可能的電化學腐蝕和化學離子遷移失效現象。

二、器件制程工藝所存在的污染物

既然是要清洗制程中的污染物，就需要關注器件制程工藝所存在的污染物，比如：焊膏殘留、錫膏殘留等其他的污染物，評價污染物對器件造成可靠性的影響，比如：電化學腐蝕，化學離子遷移和金屬遷移等等，這樣就能對所有污染物做一個全面的認知，確定哪些污染物需要通過清洗的方式去除，從而保障器件的最終技術要求。污染物可清洗性決定了清洗工藝和設備選擇，免洗錫膏還是水溶性錫膏，錫膏的類型不同，殘留物的可清洗性特征也不同，清洗的工藝方式和清洗劑的選擇也隨之不同。識別和確定SIP、POP、IGBT工藝制程中污染物是做好清洗的重要前提。

三、水基清洗的工藝和設備配置選擇

水基清洗的工藝和設備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。通常會選用批量式清洗工藝和通過式清洗工藝。批量式清洗工藝比較適合產量不太穩定，時有時無，時大時小，品種變化比較多，這樣有利于根據生產線流量配置進行靈活操作，降低設備的消耗和清洗劑的消耗，降低成本而達到工藝技術要求。通過式清洗工藝往往適合產量穩定，批量大，能夠連續不斷的進行清洗流量的安排，實現高速高效率的產品生產，保證清洗質量。根據產品的結構形式和器件材料承受物理力的耐受程度，選擇超聲波工藝方式或噴淋工藝方式。

四、水基清洗劑類型品種和特征的選擇

針對擁有的設備工藝條件和器件潔凈度指標要求，選擇合適的水基清洗劑是我們要考慮的重點。一般來說，水基清洗劑具有很好的安全特征，不可燃，不易揮發，環保特征滿足歐盟REACH環境物資規范要求，達到對大氣人體的安全保障。在此之外，根據工藝，設備條件，所使用的水基清洗劑需要能夠徹底干凈地去除殘留物，同時又能保證在SIP、POP、IGBT組件上所有的金屬材料、化學材料、非金屬材料等物資兼容性要求。用一句通俗的語言來表達，既要把污染物清洗干凈，又要保證物質材料的安全性，無腐蝕，無變色，完全符合器件功能特性要求。

五、小結

SIP、POP、IGBT水基清洗所需要考慮的因素還有許多，具體的工藝參數和選擇涉及面廣且技術關聯性強，在此僅對最重要的部分做簡要闡述，供業內人士參考。

【芯片封裝小知識】

SIP封裝

SIP封裝是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內，從而實現一個基本完整的功能。與SOC相對應。不同的是系統級封裝是采用不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，而SOC則是高度集成的芯片產品。從封裝發展的角度來看，SIP是SOC封裝實現的基礎。

封裝疊裝(PoP)

隨著移動消費型電了產品對于小型化、功能集成和大存儲空問的要求的進一步提高，元器件的小型化高密度封裝形式也越來越多。如MCM,  SiP(系統封裝)，倒裝片等應用得越來越廣泛。而PoP CPackage on Package)堆疊裝配技術的出現更加模糊了一級封裝和二級裝配之問的界限，在大大提高邏輯運算功能和存儲空問的同時，也為終端用戶提供了只有選擇器件組合的可能，同時生產成本也得到更有效的控制。

PoP在解決集成復雜邏輯和存儲器件方面是一種新興的、成本最低的3D封裝解決方案。系統設計師可以利用PoP開發新的器件外、集成更多的半導體，并且可以通過由堆疊帶來的封裝體積優勢保持甚至減小母板的尺寸。PoP封裝的主要作用是在底層封裝中集成高密度的數字或者混合信號邏輯器件，在頂層封裝中集成高密度或者組合存儲器件。

以上一文，僅供參考！

歡迎來電咨詢合明科技功率模塊錫膏清洗劑,微波功率芯片焊后清洗劑、IGBT功率器件封裝焊后清洗劑、晶圓級封裝焊后清洗劑、芯片封裝焊后焊膏清洗劑、芯片焊后球焊膏、 芯片焊后錫膏 、芯片焊后清洗 、助焊劑清洗劑、PCB組件封裝焊后水性環保清洗劑、SMT封裝焊后清洗劑、精密電子清洗劑、半導體分立器件清洗劑、SMT焊接助焊劑清洗劑、錫嘴氧化物清洗劑、PCBA清洗劑、芯片封裝焊后清洗劑、水性清洗劑、FPC清洗劑、BGA植球后清洗劑、球焊膏清洗劑、FPC電路板水基清洗劑、堆疊組裝POP芯片清洗劑、油墨絲印網板水基清洗全工藝解決方案、BMS新能源汽車電池管理系統電路板制程工藝水基清洗解決方案、儲能BMS電路板水基清洗劑、PCBA焊后助焊劑清洗劑、組件和基板除助焊劑中性水基清洗劑、功率電子除助焊劑水基清洗劑、功率模塊/DCB、引線框架和分立器件除助焊劑水基清洗劑、封裝及晶圓清洗水基清洗劑、倒裝芯片水基清洗、SIP和CMOS芯片封裝焊后清洗劑、SMT鋼網、絲網和誤印板清洗除錫膏、銀漿、紅膠，SMT印刷機網板底部擦拭水基清洗劑、焊接夾治具、回流焊冷凝器、過濾網、工具清洗除被焙烤后助焊劑和重油污垢清洗劑，電子組件制程水基清洗全工藝解決方案。